某交通洞TBM掘进卡机与脱困处理

王安民

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830091）

某交通洞TBM掘进卡机与脱困处理

王安民

（新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830091）

某交通洞采用TBM掘进，遇F304断层破碎带，导致TBM卡机，经分析，原因为F304破碎带塌方的块碎石埋住刀盘，加之洞上方地下水淋滤作用，上部糜棱岩等细颗粒物质充填密实在塌方的块碎石空隙中，导致刀盘抱死。通过物探超前预报测试，确定卡机前方顺洞线断层带长度达118m，距离较大，为此确定采用低强度的化学灌浆保护刀盘，用高强度水泥对围岩块碎石固结灌浆，使塌方块碎石胶结成整体，在扩挖抱死刀盘周围形成低强度化学灌浆层，该方案效果明显，TBM在短时间内实现了脱困。

断层带；TBM卡机；脱困；物探超前预报

1 工程概况

某工程交通洞长6.4km，采用TBM掘进，设计开挖洞径8.5m。隧洞轴线方向为300°，掘进方向为下坡，坡度11%，最大埋深700m。待洞室掘进完成后，改造成平底马蹄形，底宽6m，作为物料运输的交通洞。在施工中，TBM掘进至0+717桩号卡机，随后进行了卡机原因分析，结合地质条件分析，经34d处理成功脱困。

2 地质条件

工程位于阿尔泰山山脉和东天山山脉之间所夹的准噶尔盆地东部边缘，主要受阿尔泰山山脉的控制和影响，处于尔泰山南麓低山区，总地势北高南低、东高西低，由北东向南西缓慢倾斜，海拔高程1000～1260m。据《工程场地地震安全性评价报告》和《中国地震动峰值加速度区划图》，场地50年超越概率10%的地震动峰值加速度为0.1～0.15g，对应地震基本烈度为Ⅶ度。

洞线地表大多覆盖第四系全新统洪积、残积碎石土，厚度4～5m，少数地段出露全～强风化岩石，岩性为泥盆系凝灰质砂岩，强风化层厚14m，弱风化层厚约6m。凝灰质砂岩，呈褐灰色～青灰色，少量为红色，为坚硬岩。

2.1 洞内构造

经前期勘察和施工编录描述，洞内构造有断层、岩层面和裂隙。

2.1.1 断层

洞线分布最大断裂为次级断层，其次是次级断层派生的低序次局部小断层。次级断层的延伸长度几公里到十几公里，破碎带和影响带宽度可达几十米到百余米，常有影响带和破碎带组成，影响带多为碎裂岩，破碎带一般为角砾岩，角砾间含有糜棱岩和断层泥，多呈碎裂结构，造成洞段较大长度岩体破碎，完整性差，形成整体不稳定洞段。局部小断层一般长度为几十米到几百米，破碎带宽度几厘米到几十厘米，个别破碎带可达数米。

2.1.2 岩层面

产状290°SW∠40°，个别地段岩层略有扭曲，产状稍有变化。岩层多呈厚层状，一般层厚0.6～1.5m，部分层厚0.2～0.5m，少数洞段有巨厚层状。层面多具有挤压破碎岩，厚度一般的1～5cm，少量可达10cm；也有部分层间裂隙无破碎岩，延伸相对较短。因洞线方向300°，岩层走向290°，二者走向基本平行，岩层为中等倾角，对洞顶和右侧拱肩可造成少量塌方或塌块。

2.1.3 裂隙

根据地质编录，主要有NWW，NNW，NEE，NNE4组，最优势组为NWW向（包含层面）。据洞深3200m统计，Ⅱ类围岩占41.08%，Ⅲ类围岩占39.05%，Ⅳ类围岩占16.12%，Ⅴ类围岩占3.75%。

2.2 地下水

工程区沿线为低山地貌，地形总体较平缓，无大沟大梁，无河流、湖泊、沼泽等地表水源。区内地下水主要接受当地大气降水补给，因区域气候干燥、降水量稀少，多风，蒸发量远大于降水量，因此，地下水极为贫乏，仅在局部构造裂隙带、断裂带中，赋存少量片状、脉状地下水。洞室施工中大多干燥，局部呈现片状、小段状滴水，个别有线状流水现象。

3 TBM卡机分析与超前预报

3.1 TBM卡机分析

洞室TBM施工掘进在桩号0+691开始遇到F304断层，该断层前期勘察未发现区内次级断层，施工中编录描述划分0+691～0+699段为断层下盘影响带，Ⅳ类围岩，岩块大小多为0.15～0.4m，碎块间含岩屑或泥膜，厚度一般1～3mm，表面呈铁锈色，围岩不稳定，产生塌方、塌块，采取钢拱架（HW150型，间距2m）+钢筋排（φ22）跟进支护，满足了洞室掘进的稳定性。

0+699桩号进入断层破碎带，为Ⅴ类围岩，岩块大小多为0.05～0.15m，少量大块呈0.2～0.4m，为角砾岩碎裂结构，岩块表面呈黄色、黄褐色、褐灰色，碎块间夹砂状小角砾、糜棱岩和泥，厚度5～20mm。洞壁地下水呈滴水状，随着掘进深度增加，滴水有增多趋势，有个别点出现线状流水。破碎带大量塌方压在钢支撑上，尤其靠右侧拱角塌方严重，有个别钢筋排的间隙中，有沙土状细颗粒连续下漏。

2016年8月11日，掘进到0+716桩号，因0+699～0+716桩号已支护的钢拱架及拱架间的钢筋排变形弯曲、扭曲，支撑强度明显不能满足塌方体压力，深感危险，需采取缓慢掘进或停机，加密补充后方钢拱架，焊接槽钢等连接加固措施。

2016年8月12日，在0+717桩号刀盘被卡，护盾油缸压力由11～12bar急剧升高到100～120bar，护盾压力突然增大［1］。经清理刀盘料仓块碎石后，8月14日加大扭矩试转刀盘，主电机保护销8个被剪断，刀盘仍然无法转动。

分析认为：围岩塌方量增大，刀盘已被塌方的块碎石填埋，且块碎石的空隙被糜棱岩等砂土状细颗粒在洞顶滴水、线状流水的淋滤作用下充填密实，从而抱死刀盘无法启动，造成TBM卡机。

3.2 超前预报

TBM卡机后，对刀盘前方有多长洞段的F304断层带破碎岩体感到迷茫，经有关方现场商定，采用超前地质预报测试，测试方法有两种，洞内用TRT6000仪器对掌子面前方进行超前测试；地表用EH-4仪器，沿洞轴线及两侧作地质剖面测试。经2种方法测试后综合分析解译，结合地质条件进行预报。如表1和图1、图2。

表1 TRT6000和EH-4测试的超前地质预报成果

图2 地面EH4洞线视电阻率测试剖图

图1 洞内TRT6000三维成像俯视图

依据超前地质预报成果，结合前期相关资料分析，F304断层产状312°SW∠75°， 走向与洞线夹角为12°，基本平行，断层破碎带Ⅴ类围岩，在洞线，顺洞线在掌子面前方长度有68m；影响带Ⅳ类围岩在破碎带前方有50m，共计118m，距离较长，因此，必须慎重对待和重视脱困及支护措施，保证有效通过断层带。

4 TBM卡机脱困措施

首先应对护盾后方支撑强度不足的危险洞段（0+699～0+711）迅速加固处理，其次，对卡机进行脱困处理。

4.1 护盾后方危险段（0+699～0+711）加固处理

4.1.1 加固措施

将原HW150型全环钢拱架间距2m加密成1m，并与锁脚砂浆锚杆焊接；环向上部290°范围拱架之间用10#槽钢纵向焊接成整体，槽钢间距1m，以增强拱架整体受力结构的稳定性；环向130°范围为φ22随机钢筋排，视块碎石大小及塌方程度，钢筋间距采用5～15cm，排挡支撑塌方块碎石；290°范围喷护C25混凝土（喷护前需完成固结灌浆凿孔），厚度20cm，分2次喷护（如图3）。

图3 护盾后方拱架段加强支护示意图

4.1.2 固结灌浆

固结孔布置在洞顶120°范围，在喷护混凝土前用YT-28手风钻安装φ32中空灌浆锚杆凿孔；固结灌浆孔环向排距1m，孔间距1m，呈梅花形布置，凿孔方向为径向放射状延伸；凿孔深度根据塌方探测深度加一定富余量，为3～7.5m，现场操作时灵活掌握，原则是打穿塌方松散体；中空灌浆锚杆尾部用连接套加长，安装止浆闸阀，以便灌浆结束后关闭阀门止浆；固结灌浆须在洞壁表面混凝土喷护完成后进行，但为防止水泥浆液进入护盾，紧靠护盾尾部3排孔，需留在护盾超前化学灌浆结束后，对护盾形成化灌保护层再做固结灌浆；灌浆孔分排序和孔序，先灌奇数排，后灌偶数排，每排先灌奇数孔，再灌偶数孔；固结灌浆水泥采用跨越2000型灌浆材料（参数如表2），根据实际塌方情况，浅部可用无压间歇性灌浆（间歇控制标准为单孔进浆量达0.8m3无压力），灵活掌握，逐渐增加压力，最终灌浆压力控制在0.3MPa；灌浆结束后孔口周围备用堵漏剂封堵（水泥+水玻璃按1∶1），防止漏浆。

表2 注浆材料技术参数

4.2 TBM卡机脱困措施

TBM刀盘卡在0+717桩号，0+711～0+717段是TBM卡机段。经采用φ32自进式锚杆超前孔探测，在护盾及刀盘顶部3～7m，刀盘前方3～5m范围为塌方块碎石松散体，因此，实际脱困处理段为0+711～0+722。脱困方案首先对护盾和刀盘采用保护性化学灌浆［2］，然后再对外围松散块碎石固结灌浆，使其胶结成整体，以便脱困。

4.2.1 化学灌浆

化学灌浆采用瑞诺加固材料（如表3），分为A组和B组，A，B按1∶1混合后，使其浆液灌入充填在护盾、刀盘边缘小厚度范围的块碎石松散体空隙中，自然发泡→膨胀→胶凝→固化，形成厚度0.5～1m的低强度保护层，以阻隔后续固结灌浆的浆液把护盾及刀盘固结。

表3 材料技术参数

4.2.1.1 化学灌浆孔布置与凿孔

在洞壁0+709，0+710，0+711桩号， 上部120°范围，布置3个环向化学灌浆孔断面，每个断面上的孔距1m，灌浆孔方向与前方洞壁外侧夹角为7°～10°，成辐射状分布；另在刀盘喇叭口挡尘板能够施工操作的部位开孔，上部120°范围，布置1个环向断面，凿孔方向与洞壁外侧夹角为10°～13°，成辐射状分布。共计4个环向断面，采用YT-28手风钻安装φ32中空灌浆锚杆凿孔，一般深度5～9m，根据松散范围灵活掌握，尽量伸向刀盘前方远一些（如图4）。

图4 护盾及刀盘周围化学灌浆示意图

4.2.1.2 灌浆

化学灌浆凿孔及中空灌浆锚杆 （含连接套、止浆闸阀）安装就位后，可准备灌浆。灌前将A，B两组材料分别置于料缸内，通过双液注浆管路，连接混合器，再与安装好的中空灌浆锚杆相接实施灌浆。灌浆开始要控制阀门低速缓慢灌入，并检查工作面有无跑、漏浆等异常情况，当一切正常时，根据实际情况，慢慢开大灌浆量。为防止浆液过度扩散，以灌浆压力不超过0.2MPa控制，当灌浆压力最终达到0.2MPa时，调整流量阀，稳压5min，关闭止浆闸阀，结束灌浆。

4.2.2 固结灌浆

在0+711～0+722段化学灌浆结束后，对化灌区外围的4个环向断面，洞环上部120°范围的松散块碎石布置固结灌浆孔，凿孔方向与前方洞壁外侧夹角为10°～60°，成辐射状延伸。待化学灌浆区固结灌浆完成后， 要对0+709，0+710，0+711桩号的3个断面按照“护盾后方危险段（0+699～0+711）”的固结灌浆方式布置径向放射状固结灌浆孔（如图4），然后在洞壁喷护混凝土，与护盾后方危险段 （0+699～0+711）形成统一混凝土封闭，最后再进行径向固结灌浆。

4.2.3 扩挖刀盘周边

化学和固结灌浆完成后，为解除抱死刀盘，减小刀盘启动阻力，用人工加风镐，视现场情况灵活选择，扩挖刀盘周边化学灌浆层（需注意观察稳定性），扩挖厚度一般30～50cm，减少刀盘侧面阻力；卸掉刀盘上合适位置的面刀、中心刀或铲牙，掏出刀盘正面的卡机块碎石，减少刀盘正面阻力。

4.2.4 TBM启动脱困

2016年9月14日，启动刀盘脱困。为防止主电机保护销再次被剪断，控制主机电流不超过360A为前提，慢慢启动刀盘，如若刀盘不能启动，说明周围阻力还很大，还需进一步扩挖刀盘周边；如能够启动，则尝试刀盘正反转动、后退（10cm）等动作，并立即回收护盾油缸，使护盾适当回收，减少护盾压力，观察刀盘、护盾等是否正常，当确认正常，刀盘成功启动后，掘进速度控制在10mm/min，转速控制在2转/min，其余掘进参数按现场情况灵活调整，进入前行掘进。

刀盘刚启动掘进，仍在断层破碎带内，刀盘转速控制在3转/min，掘进速度不大于1.2m/h。掘进中随时评估出渣量，防止因推进慢而出渣量远大于理论量的情况。按着短进尺、强支护，连续均衡掘进的原则，稳扎稳打，步步为营，最终顺利的通过了F304断层带，实现了TBM卡机脱困。

4.2.5 F304断层带物探超前预报与实际断层带宽度

卡机时对隧洞掌子面前方进行超前预报，测得F304破碎带（Ⅴ围岩）与上盘影响带（Ⅵ围岩）界线0+785，上盘影响带结束桩号为0+835，总长度118m。经TBM卡机脱困后掘进描述，实际破碎带（Ⅴ围岩）与上盘影响带（Ⅵ围岩）界线0+798，上盘影响带结束桩号为0+860，实际长度143m。预报长度与实际有一定误差，原因是预报后端距离远，发射与接受能量衰减；断层带内含水和破碎程度不一，存在物性差异；加上断层面走向与洞轴线呈小角度相交，反映不明显［3］等因素有关，从而有一定差异，但超前预报长度仍属100～150m级，与实际基本吻合，超前预报成果对TBM卡机脱困方案的制定起到了重要作用。

5 F304断层带洞段变形监控量测

隧洞成形后，为保证隧洞安全和顺利施工，掌控围岩和支护结构稳定状态等情况，在桩号0+699，0+725，0+750，0+775，0+798布置了5个三点监测断面。各断面观测收敛变形量如表4。

表4 各断层带监测断面收敛变形观测位移统计

从表4可以看出，在F304断层带的5个监控断面中，变形量最大的是0+725断面，拱顶最大沉降量为23.59mm。经对各断面的量测数据采用指数函数对其关系曲线进行回归计算，回归曲线均拟合性良好，表明初期隧洞围岩的收敛位移变化明显，但通过对围岩松散体加强支护和固结灌浆后，围岩的收敛位移趋于缓和，监控量测约45d后，变形位移值逐渐趋于稳定，说明破碎带支护处理措施及时、合理、得当。在初期支护和后期二次衬砌的双重作用下，洞室围岩的永久稳定性满足要求。

6 结语

分析了卡机原因，并采用物探测试，进行超前地质预报，获取了断层带在洞段的较准确分布长度，采取了正确的应对脱困处理方案及合理的处理措施，在卡机后34d实现了成功脱困，并经监控量测，隧洞约45d后变形位移值趋于稳定，是值得类似工程借鉴的成功案例。

［1］徐曼玲，何钟.TBM通过F1断层破碎带的施工技术［J］.四川水利，2014（S0）：78-80.

［2］杨晓迎，翟建华，谷世发，等.TBM在深埋超长隧洞断层破碎带卡机后脱困施工技术［J］.水利水电技术，2010（9）：68-71.

［3］王亚凡，李宏亮，李建武.中天山隧道复杂地况下TBM施工应对措施［J］.国防交通工程与技术， 2010（6）：45-57.

［4］魏立鸿.不良地质现象对 TBM施工的影响及应对措施［J］.山西水利科技，2014（5）：30-32.

［5］许柏青，潘华，白聚波.地震反射波法在隧道超前预报中的应用［J］.金属矿山，2008（11）：25-27.

（责任编辑：姜彤宇）

TBM jamming and turnaround of a traffic tunnel

WANG An-min
（Xinjiang Investigation and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Urumqi 830091， China）

The TBM is applied in the tunneling of a traffic tunnel， and the F304 fault zone led to TBM jamming.After analysis， the cutter head is buried by the broken stones of fault zone collapse， and affected?by the leaching action of groundwater above the hole， the spaces of broken stones in collapse is filled with fine particulate matter， like mylonite， resulting in cutter head locking.Using the geophysical prospecting prediction test，the length of fault zone along the tunnel line is determined that there has 118 meter in the?front?of the machine.therefore the chemical grouting with low strength is selected to protect cutter head， the consolidation grouting are carried out， and the high strength cement filling in the broken stones as a whole.The chemical grouting layer with low strength is formed around the excavation expansion of locking cutter head.The scheme has obvious effect，the TBM turnaround from?jamming with a short time.

faulted zone； TBM jamming； turnaround； geophysical prospecting prediction

TV554

B

1672-9900（2017）03-0032-05

2017-04-05

王安民（1958-），男（汉族），四川富顺人，高级工程师，主要从事水利水电工程勘察及设代工作，（Tel）13639923129。