TBM引水隧洞卡机原因分析与处理方法

TBM引水隧洞卡机原因分析与处理方法

周强军

新疆水发建设集团有限公司 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000

摘要：随着时间的推移我们国家深层建设项目的快速发展，超长超深水管道建设项目数量并没有快速提高。TBM集开挖与支护于一体，自动化程度较高。可做到掘进与支护同步进行，地质条件一出盾构就进行初期支护，更有效地保证了地质条件支护数据的准确性。TBM卡机是阻碍TBM隧道盾构掘进反应速度的最主要因素。对应对TBM干扰和预测具体方法具备重要意义。

关键词：TBM；引水隧洞；卡机

一、TBM施工原理

TBM装备施工技术是集机械原理、电子原理、机器人原理和岩土原理于一体的一套系统装备。施工技术主要围绕TBM设备开挖、排渣和初期支护三个过程展开，同时进行锚杆作业、混凝土喷射等配套作业，皮带、轨道、通风、供电、照明、给水、排水等从旁协助作业的延伸。然后参照结合围岩的实际出露情况，采取使用不同的支护形式。开挖过程中，随着时间的推移刀盘的转动，刀盘上的铲斗将巷道底部的石渣铲起，借助排渣槽和装渣斗，卸到主机皮带输送机上，并经过连续带式输送机运出洞外临时渣场。

二、TBM卡机事故现象分析

（一）卡支撑盾

TBM开挖过程中，围岩容易变形，支护盾受到挤压。换步时，护盾压力过高，使推油缸压力不断增大，从而致使TBM盾构卡住无法移动。

（二）卡刀盘

隧道开挖过程中，在通过不利地质段，即围岩破碎段时，刀盘旋转会出现扰动围岩的情况，造成隧道上方破碎围岩大面积坍塌，破碎岩体夹带的泥水在旋转时进入TBM刀盘。刀盘内，周围破碎岩体大面积快速下落，TBM刀盘扭矩和电机电流急剧上升。电机本身无法驱动刀盘，从而致使刀盘被碎石卡住，转动困难。

（三）卡前护盾

在隧洞工程施工TBM盾构掘进的设计施工中，盾构机的回转对隧道直径范围内的地质条件造成破坏和较大变形。破碎地质条件的应力一般都作用在盾壳上，前盾的应力作用一般极大，从而致使前盾完全被锁死，没有办法继续前进。在未经处理的特定条件下，TBM盾构掘进甚至会造成紧固螺栓完全断裂。

三、TBM引水隧洞卡机地质原因分析

（一）工程概述

某引水工程年输水量10亿立方米，工程级别为大（1）Ⅰ类工程。全线500多公里，1/3为暗涵明渠段，2/3为隧洞段，隧洞段埋深一般在300~500m、最深段可达到780m，隧洞外径为7~7.5m、内径为6~6.5m。超长超深隧道段采取使用TBM开挖。TBM开挖施工效率高，每天进尺为20~30m，但是因为TBM卡机因素，导致掘进工程进度降低，文章以其中某段隧洞卡机进行分析，并了解其地质的影响因素，讲解分析采取的治理措施。

（二）塌方段(231+240~231+272)围岩地质情况调查

经调查，塌方段地质情况如下:①桩号231+195~231+234段为Ⅲsb类围岩，桩号231+234~231+272段为Ⅳ类围岩，围岩不稳定。②桩号231+230~231+262段有断层f255从洞室左侧斜穿至右侧通过，产状为1°~10°NW∠40°~50°，与洞轴线夹角为12°~21°，断层宽为2~3cm，在桩号231+250顶中附近宽为0.1~0.2m，断层带内为含灰白色钙质的灰色、砖红色断层泥(泡水2h完全崩解)。上盘影响带宽为3~6m，下盘影响带未揭穿，出露厚度已大于8m。断层影响带内岩石蚀变强烈，岩石强度中硬~坚硬，岩体较破碎，沿结构面附近有滴渗水，局部有小股线状流水。③桩号231+268~231+274段拱顶附近有断层f270，向下游延伸至护盾内，向上游被石渣遮挡，推测其与断层f255相交。④桩号231+234~231+247左侧塌方由f255断层及其影响带内的节理组合切割形成，在塌腔内可见若干个与f255断层近平行的节理光面；桩号231+272右侧塌方段仅出露2m，且均被石渣覆盖，在拱腰下部仅可见3组节理，不是本次塌方的主因。

（三）卡机段(231+272~231+287)的地质原因分析

后续开挖揭露桩号231+272~231+287段围岩由于部分破碎岩体被化学材料充填，以及钢拱架和钢筋排支护在拱顶上部，部分节理及断层可见断续出现。桩号231+272~231+287段围岩为砖红色夹少量灰白色黑云母花岗岩，岩体块状结构。该段发育5条短小断层:①f270断层产状为330°SW∠45°~50°，与洞轴线夹角为19°，断层宽为3~10cm，断层带内为砖红色断层泥。f270断层从该段洞顶中线左侧1.2~1.5m通过，在桩号231+278被f231+278断层截断；②f278断层产状为70°NW∠70°~80°，与洞轴线夹角为81°，断层在上半洞宽为0.5m左右，均被化学灌浆材料充填，在底板右侧宽为0.1~0.2m，断层带内主要为蚀变的花岗岩角砾和少量断层泥。f278断层从桩号231+277~231+279间通过，在洞室左侧10点位置被f276断层截断；③f272断层产状为30°NW∠35°，与洞轴线夹角为41°，断层宽为2~3cm，断层带内为砖红色断层泥。f272断层从桩号231+273~231+285.5间通过，在桩号231+273顶中线左侧1.3m被f270断层截断；④f276断层产状为25°NW∠50°~60°，与洞轴线夹角为36°，断层宽为1~2cm，断层带内为砖红色断层泥。f276断层从桩号231+276~231+285.5间通过，在桩号231+276洞室左侧拱腰附近尖灭，在桩号231+285洞顶中线右侧1.3m交于f272断层；⑤f282断层产状为20°NW∠53°，与洞轴线夹角为31°，断层为1~2cm，断层带内为砖红色断层泥。f282断层从桩号231+278.5~231+282段右侧1~3点范围通过，被f278断层截断。

四、TBM引水隧洞卡机处理措施及效果

（一）TBM施工引水隧洞卡机的处理措施

1.1次支护措施

盾尾围岩出护盾后已完成1次支护，Ⅳ类围岩段采用顶拱270°范围内Φ22砂浆锚杆，L=3.0m，灌注M25水泥砂浆，顶拱180°范围内每排布置12根，腰线以下每排布置4根，排距为90cm。拱顶中心相邻两根锚杆间距为1.3m，其余间距均为97cm；顶拱270°钢筋排结合钢筋网支护，其中钢筋排为Φ16(5~20cm)范围顶拱为140°，剩余130°范围布置Φ8@200cm×200cm钢筋网，钢筋排与钢拱架采用点焊固定，钢筋排搭接长度为20cm；系统钢拱架HW150间距为90cm；连接筋为Φ22，顶拱为270°，环向间距为1m，连接筋长度为0.9m，塌空区或稳定性较差洞段环向间距加密至0.5m或用10#槽钢代替Φ22连接筋；锁定锚杆每榀拱架锁定3点，锁定锚杆长度为3.15m，入岩深度为2.85m，L型焊接拱架翼板外侧。

Ⅴ类围岩拱顶为270°进行系统Φ22砂浆锚杆(L=3m、每排为16根，环向间距为0.9m，拱顶中心相邻2根锚杆间距为1.3m，其余纵向排距为0.9m)，顶拱为270°钢筋排结合钢筋网支护，其中钢筋排Φ20(5~20cm)范围顶拱为140°，剩余130°范围布置Φ8@钢筋网(长150cm×宽150cm)，钢筋排与钢拱架采用点焊固定，钢筋排搭接长度为20cm；系统钢拱架HW150(间距为45~120cm)；连接筋Φ22，顶拱为270°，环向间距为1m，连接筋长度根据拱架榀距自行调整，塌空区或稳定性较差洞段环向间距加密至0.5m或用10#槽钢代替Φ22连接筋；锁定锚杆每榀拱架锁定3点，锁定锚杆长度为3.15m，入岩深度为2.85m，L型焊接拱架翼板外侧。

2.化学灌浆

由于刀盘被大量石渣涌入，掘进方向掌子面至盾尾段上部(桩号231+272~231+278段)有大量松散破碎岩体堆积在护盾上方。由塌方造成卡刀盘，目前2种处理方案:①水泥浆固结灌浆强度较高，但固结时间不长，短时间内难以由破碎的坚硬岩石逐渐形成相对稳定的岩层，阻碍了工程的施工进度进一步提高设计和施工产品的成本；②对于化学灌浆来说，其凝固速度快，但强度低，可被应用到卡机事故的紧急处理方案中。为缩短交通事故处理时间，进一步推进工程施工进度，采用化学灌浆来对护盾上的松散破碎岩体进行处理。

在盾尾桩号231+266~231+260段上半洞钢筋排下方包铁皮，同时预埋注浆管，桩号231+266~231+272段往掌子面方向打超前锚杆，将化学料快速分次从盾尾顶部从预钻锚孔向盾构和刀盘顶部进行压浆注浆。化学材料能够快速凝固和膨胀。凝固时间为数分钟至十几分钟。隧道上表面的围岩迅速逐步形成了一个相对稳定的保护壳，避免了进一步的塌方问题。盾尾后围岩采取使用水泥砂浆灌浆，空腔深度大于0.6m，分多次灌浆，最终完成固结岩体的目标。

3.喷混

采取使用机车+混凝土罐车从洞内搅拌站运至现场，采用TBM配备的输送泵来完成喷射搅拌，并需要分多次进行。每次喷混的厚度一般约5cm，喷混时间间隔需要超过4h。Ⅳ类围岩段拱顶270°范围内喷C30混凝土，厚度15cm；Ⅴ类围岩段拱顶270°范围内喷C30混凝土，厚度18cm。

（二）卡机处理效果

完成围岩固结灌浆、清理完刀盘内石渣，1次支护+化学灌浆+喷混以封闭周边围岩，开始缓慢掘进，观测掘进参数，调整掘进姿态，掘进稳定后正常施工，卡机前后的TBM参数对比见表1。

表1卡机及处理后的TBM参数对比

结语

总而言之，在TBM出现卡机的情况下，会给施工进度造成严重的影响，且由于处理时间过长而造成安全隐患。文章通过对塌方段以及卡机段的地质条件分析，研究出TBM卡机的主要因素，并提出有效解决方案，使TBM恢复正常施工，为后续的顺利实施提供保障。

参考文献：

[1] 引汉济渭输水隧洞TBM卡机处理方案研究[J]. 王新.陕西水利,2017(03)

[2] 浅谈TBM卡机高效脱困技术[J]. 吕炎浩.中国水能及电气化,2018(08)

[3] TBM穿越断层破碎带及软弱夹层施工技术[J]. 蔺凤林.珠江水运,2021(17)

[4] TBM卡机实时监测预警方法及其应用[J]. 刘泉声;刘鹤;张鹏林;黄兴;罗慈友;桑昊旻.岩石力学与工程学报,2019(S2)