山西中部引黄工程TBM卡机成因分析及脱困技术

田志斌

为了解决我国水资源时空分配不均的问题，近年来，南水北调、引黄入晋、引汉济渭、山西大水网等一大批跨流域引调水工程开始建设实施或投入运营。由于TBM具有掘进速度快、成洞质量好、综合造价低、安全环保等诸多优点，因此在工程建设中得到了广泛的应用，但与此同时，其对泥化岩、膨胀岩、断层破碎带、溶洞等不良地质条件适应性较差，这也成为了制约工程进度的主要因素之一［1］，如引大济湟工程［2］、新疆伊犁河流域八十一大坂输水隧洞工程［3］等。

本文分析了山西中部引黄工程TBM2标连续卡机事故的原因，结合扩挖侧导洞、化学灌浆、设备改造等多种方法，成功实现脱困，并对脱困后掘进方案进行了细致研究，从而成功穿越了该断层破碎带，为类似地层条件下的TBM掘进施工积累了经验。

1 工程概况及卡机情况

中部引黄工程是山西大水网建设的重要骨干工程之一，位于黄河流域吕梁山境内，隧洞总长385km，其中总干3号隧洞穿越黑茶山自然保护区，最大埋深610 m，采用两台双护盾TBM进行对向掘进。TBM设备由美国Robbins公司设计制造，直径5.06 m，最大推力20 826 kN，最大操作压力34 500 kPa，配有超前钻机，最大钻孔深度达80 m，可实现360°范围内的超前钻孔及注浆工作。

2017年10月26日，TBM掘进至桩号106+402.8时，被洞壁左上方收敛的围岩将前护盾压住卡死。经过多次大推力尝试脱困失败后，打开伸缩盾，从洞壁左侧扩挖小导洞后，于11月3日成功脱困。恢复掘进11 m后，11月4日凌晨刀盘被压，经检查，左侧前、后护盾均被塌方岩石紧紧抱死，其中10∶00～11∶00方位破碎严重，发生坍塌，塌方空腔深5 m左右，8∶30～10∶00方位松散破碎。11∶00～2∶00方位膨胀岩石突入护盾内；2∶00～3∶00方位围岩较完整，紧贴护盾；3∶00～5∶00间护盾与围岩间有1 cm缝隙。

此次连续卡机分别发生于桩号106+402.8和106+391.8处，设计资料显示，其位于向斜轴部附近，隧洞埋深444 m，桩号106+100～106+400地段电阻率较小，推测该段裂隙发育。

2 卡机成因分析

卡刀盘和卡护盾是TBM卡机的两种主要形式。当掘进掌子面围岩破碎发生塌方时，出渣量剧增，当主机皮带机不能满足出渣要求时，就会导致刀盘被压；而卡护盾是由于护盾外侧围岩坍塌或收敛变形，使围岩开始与护盾发生接触乃至挤压，当TBM推力不足以抵抗护盾摩擦阻力时发生的卡机现象。

中部引黄工程TBM2标第一次卡机发生前，出渣量没有明显变化，且掘进过程中发现机头向右侧偏移，但由于设备检修，停机6 h，重新启动时发现刀盘运转正常，但贯入度为零，刀盘推力由9 000 kN增加至16 000 kN，前进20 cm后无法继续向前，启用脱困推力（20 826 kN）后，仍无法脱困，因此判断护盾被卡。第二次卡机前，出渣量有一定增加，约为正常出渣量的1.1～1.2倍，发生卡机。考虑以上两次卡机的发生原因，主要是由施工地质、非正常停机及设备因素导致。

在桩号106+410处，掌子面为原岩层寒武系中统张夏组白云质石灰岩，在左侧面开始出现绿泥石化伟晶花岗岩、黑云斜长片麻岩、石墨化碎裂角砾岩，掘进至桩号106+405时左侧变质岩和角砾岩有增加的趋势，而掘进至桩号106+402.8时，机头护盾左侧被变质岩抱死卡机。该围岩在10∶00～12∶00方位较为完整，强度较高，且该段位于向斜构造轴部附近，地应力大，隧洞开挖后在自重及地应力作用下向临空面发生收敛变形，从而导致护盾被压。

继续掘进至桩号106+391.8时，掌子面大部分为石墨化碎裂角砾岩，其右侧局部为黑云斜长片麻岩，岩体整体为松散岩体，坍塌严重，开始时刀盘被包裹卡死，以后护盾被坍塌体包裹造成卡机。

综合桩号106+410～106+391.8处揭示地层可见，变质岩中花岗伟晶岩脉由斜长石、云母、石英组成经动力作用已具绿泥石化和高岭石化，碎裂疏松状，手捏破碎呈砂状；碎裂角砾岩明显受动力作用呈透镜体状碎块具石墨化，其表面石墨化和糜棱岩化特征明显，岩块镜面银灰黑色，擦痕居多，呈长条状，油腻油脂光滑，推测本断层上盘将太古界奥家湾组逆冲抬升至洞线以上，而已开挖洞段为断层下盘，且断层带正处于古风化壳内。经地表追索和断层面地质测量，其产状为N20°E/NW或SE∠75°，为逆断层，具压扭性，断层走向与洞线交角约13°。

围岩收敛变形具有明显的流变特性，即开挖卸荷后，围岩收敛量会随着暴露时间增加而增大。第一次卡机前，因设备故障维修导致一定时间的停机等待，重新启动时即发生卡机事故，因此非正常停机也是造成卡机的一个重要原因。

关于TBM是否被卡，文献［2-4］均做过多方面的研究，提出当护盾上覆围岩压力产生的阻力Rp(t)、TBM自重产生的阻力Rw和TBM掘进所需的动力Fr之和大于TBM的额定推力FI时，TBM即发生卡机，可由下式表示：

由此可以看出，在护盾外侧围岩收敛性质相同、掌子面围岩相同的情况下，TBM推力对设备脱困具有重要的影响。

中部引黄工程采用的双护盾TBM最大推力20 826 kN，额定扭矩3 475 kNm；脱困扭矩5 733 kNm，预留一台变频电机安装位置。从第一次卡机事故中可以看出，重新启动TBM后推力从9 000kN提高至16 000 kN，设备向前掘进20 cm后无法继续向前，为防止液压管路、阀件老化引起的设备故障，停机检查12 h后再次将推力提高至20 826 kN，由于围岩进一步收敛变形，摩擦力增大，因此未能实现脱困。在第二次卡机中，卡机前出渣量略有增加，卡机后掌子面塌方，说明掌子面岩石破碎，TBM刀盘被压时扭矩不足导致设备启动困难。

3 脱困措施

目前，在TBM卡机脱困实践中，较常用的方法有扩挖侧导洞法、预注灌浆法、设备改造法等，可根据不同的卡机位置、成因予以单一或组合选用。

扩挖侧导洞法是根据TBM护盾被卡位置，从伸缩盾或尾盾进入护盾外侧进行人工扩挖，从而减小围岩压力对盾体的挤压及因此产生的掘进摩擦阻力；预注灌浆法是针对掌子面塌方、围岩破碎等原因，采用超前地质钻机、人工钻孔等方式对破碎岩体进行水泥灌浆或化学灌浆，从而提高岩体的完整性及强度，防止导坑及掌子面开挖过程中的进一步塌方收敛变形；设备改造法主要在设计阶段进行，如扩大边刀行程、改变护盾锥度、提高刀盘扭矩及推力等，需要根据地质资料综合分析卡机发生的风险，并结合经济分析统一考虑。

3.1 一次卡机脱困方案

第一次TBM卡机是被洞壁左上方收敛的围岩将前护盾压住卡死，打开伸缩盾30 cm观察可见，前护盾左侧8∶30～12∶30方位有大块塌方岩石，岩石完整性好，强度高，右侧盾体与岩石有2 cm左右的间隙，且掌子面及其他位置未发生明显塌方，属“卡护盾”卡机形式，可从伸缩盾进入，采用扩挖左侧导洞法实现脱困。

首先打开伸缩盾50 cm，在腰线下方向外侧开挖宽1 m、高1.5 m的I期扩挖洞室，然后向掌子面方向开挖，在开挖过程中采用20 cm×20 cm的方木进行及时支护。I期扩挖洞室开挖完成后，采用脱困推力进行试推，若不能脱困，再进行II期扩挖。II期扩挖沿护盾左上侧进行，平均开挖宽度30 cm，可根据围岩情况进行局部调整，以达到围岩与护盾相剥离的要求为准。在开挖过程中，可适时进行试推，直至完成脱困（见图1）。

图1 左侧导洞开挖支护示意（单位：mm）

3.2 二次卡机脱困方案

第二次卡机时，掘进掌子面围岩松散，局部坍塌严重，前、后护盾左侧均被塌方岩石紧紧抱死，打开伸缩盾后塌方空腔深5 m左右，右侧围岩较完整，紧贴护盾或有1 cm间隙，属“卡护盾+卡刀盘”复合形式，需联合采用扩挖侧导洞法和预注灌浆法进行脱困。

由于护盾右侧围岩较完整，发生塌方的可能性较小，故可从伸缩护盾处进入，分别向掌子面及尾盾方向同时进行扩挖，扩挖方法、次序及支护形式与一次卡机相同。

针对伸缩盾左上部塌方空腔，应首先将塌落破碎岩石清除干净，然后用方木和木板在空腔口做支撑，并用加固型化学灌浆材料固结支撑结构，再通过预埋注浆管对上方的冒落空腔进行快速充填密封密闭。由于充填发泡化学浆液具有较强的快速膨胀特性，且具有优异的压缩韧性，可以有效充填空腔，从而能够防止深部岩层的继续垮落，进而防止塌落产生的集中冲击。

由于护盾左侧围岩松散，不能自稳，为了保证施工安全，在左侧塌方空腔及围岩进行充填、化学固结灌浆前，先从尾盾腰线以下切割一个1 m宽、1.5 m高的窗口，从窗口向前进行扩挖。化学固结灌浆成功后，再从伸缩盾进行扩挖，扩挖至围岩破碎时停止扩挖，用手风钻钻孔对破碎围岩进行化学固结灌浆，每循环3 m，当化学固结灌浆体强度大于10 MPa后，再继续进行扩挖2.5 m，按照化灌—扩挖—再化灌—再扩挖的方式循环扩挖直至刀盘。

I期小导洞扩挖成功后，采用加固用化学浆液对导洞顶部破碎岩体进行加固和补强，形成化灌固结区。在小导洞内设计一排注浆孔，间距1.5 m，钻孔直径Φ42 mm，再通过双液注浆泵按照1∶1比例将AB组份注入导洞顶松散岩体中，从而把松散的不连续的岩层胶结成连续完整的受力体（见图2）。

针对刀盘前的破碎岩体，通过滚刀孔、刮渣口及人孔对刀盘前部及上方进行化学固结灌浆，并采用TBM点动模式和人工清理方式清理掌子面石渣，降低掘进所需的扭矩，并提高下一步掘进时掌子面围岩的稳定性。

图2 二次卡机开挖支护示意（单位：mm）

4 脱困后掘进方案

由于脱困后TBM仍处于断层破碎带之中，且断层走向与洞线交角较小，为了防止再次发生卡机事故，需结合地质、设备等情况，制定专门的掘进方案，具体如下：

对设备31～33号滚刀（边刀）分别增加1，3 cm和5 cm的扩挖垫块，从而增加开挖直径，为围岩收敛变形提供一定的空间，同时要求TBM必须连续掘进，避免停机，减少围岩收敛变形的时间。

TBM掘进时适当增加刀盘转速，必要时可拆除部分滚刀，以增加刀盘的出渣开孔率，从而提高设备的出渣能力，防止穿过破碎带时出渣量突增引起的刀盘被压。

由于石墨化碎裂角粒岩遇水软化膨胀，机头刀盘掘进时喷水容易造成裹刀卡机，可采用泡沫润滑剂替代清水向掌子面喷射，以降低喷水对围岩的影响，同时对护盾与坍塌围岩间加注润滑剂，减小围岩对护盾的摩擦阻力。

结合超前钻机和刀盘人工钻孔，根据围岩情况，采取超前化学固结灌浆3 m、水泥基灌浆12 m循环进行的固结方法，对掌子面前方和前护盾上前方破碎围岩进行固结，形成岩壳，避免坍塌围岩卡住刀盘、护盾。

该台TBM在设计制造时预留了一台主驱动电机的位置，可通过配置该台电机达到提高刀盘扭矩的目的，从而改善设备在不良地质洞段的适应能力。

5 结语

在采取上述脱困措施和掘进方案后，TBM于11月24日成功实现脱困，耗时20 d，并顺利通过了该断层破碎带，大大降低了卡机对施工的影响，为类似TBM脱困积累了丰富的经验。

（1）在掘进过程中若发现有出渣量增加、盾体偏移等现象时，要尤其注意断层破碎带及围岩收敛变形的影响，控制好掘进参数，尽量减少停机时间，快速通过。

（2）对于一般的卡机事故，扩挖小导洞是最为有效的脱困措施，当护盾外侧围岩破碎时，可辅以固结灌浆，但是当围岩遇水膨胀时，应尤其注意限制水泥浆的使用，而采用化学浆液代替。

（3）由于处理卡机的时间往往较长，因此在TBM掘进过程中，要根据设计图纸严格注意围岩变化，在有条件的情况下，力求采用超前地质钻机、地震波等形式进行不良地质段的二次补勘，从而更好地指导施工。

（4）对于地应力较大、通过断层较多的隧洞，在TBM选型时要充分考虑卡机对施工的影响，尽量选用扭矩高、出渣能力大、扩挖能力强的设备。

［1］ 山西省万家寨引黄工程管理局.双护盾TBM的应用与研究［M］.北京：中国水利水电出版社，2011.

［2］ 黄兴，刘泉声，彭星新，等.引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控［J］.岩土力学，2017，38（10）：2962-2972.

［3］ 刘泉声，黄兴，时凯，等.深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理［J］.煤炭学报，2014，39（S1）：75-82.

［4］ 温森，杨圣奇，董正方，等.深埋隧道TBM卡机机理及控制措施研究［J］.岩土工程学报，2015，37（7）：1271-1277.