TBM在隧洞施工中卡机脱困的实践

杨鲲鹏

（山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原 030006）

1 施工及脱困过程

山西省中部引黄工程TBM2标段隧洞工程施工中TBM掘进至桩号106+402.8时，被洞壁左上方塌落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成功脱困。经过两个班的掘进，共掘进11 m后发生刀盘被压，尝试转动刀盘时，因扭矩太大，多次切断主电机安全销，决定通过滚刀孔对刀盘前上方进行化学固结灌浆，以阻止不断塌落的石渣伤及清渣人员。10 d化学灌浆后，清空了刀盘右半侧石渣后，再次尝试转动刀盘和推进、回退刀盘，最大扭矩5 200 hNm多，推力19 000 kN，刀盘、前盾纹丝不动。之后慢慢打开伸缩盾，打开过程中左上方掉落很多石渣块。从打开的伸缩盾后观察，护盾左侧10:00～11:00方位破碎严重，发生坍塌，塌方空腔深1.5 m左右，8:30～10:00方位松散破碎，左侧前、后护盾均被塌方岩石紧紧抱死。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。之后清理左侧塌落石渣后，11：00方位呈现一个洞径3 m左右，深达5 m以上的空腔。围岩呈黑色光亮油脂面，为石墨化碎裂角砾岩，夹杂灰、白、绿色变质岩。之后从左侧尾护盾割开一个1 m宽、1.5 m高的窗口向前扩挖小导洞约2 m时，小导洞掌子面方向发生坍塌，清理石渣后小导洞与伸缩盾处的空腔连成一体，总长度10 m左右。

2 卡机原因地质分析

2.1 施工过程围岩揭露情况

TBM在主洞掘进过程中，在桩号总106+410处围岩开始发生变化，掌子面原为岩层寒武系中统张夏组白云质石灰岩变为在左侧面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。到桩号总106+405时左侧变质岩和角砾岩有增加的趋势，而掘进至桩号总106+402.8时机头护盾被坍塌体抱死卡机。采用人工开挖手段脱困，掘进至桩号总106+391.8。这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。

施工过程从桩号总106+410至106+391共19 m的洞段，围岩由白云质灰岩从左侧向右侧逐渐被石墨化碎裂角砾岩和黑云斜长片麻岩、绿泥石化的伟晶花岗岩取代，两次卡机皆因断层带碎裂松散体坍塌收敛变形造成。

2.2 地质分析

本设计洞段为向斜构造，核部为寒武系上统崮山组、长山组和凤山组白云质灰岩、白云岩、泥质灰岩、泥质条带灰岩、竹叶状灰岩和白云质泥岩等。围岩类别为Ⅲ—Ⅳ类。桩号总106+410以前揭露地层为寒武系中统张夏组白云质灰岩，是背斜翼部地层由老至新正常层位。此点之后地层从掌子面左侧向右侧渐由变质岩和碎裂角砾岩取代。见地质素描图（图1）。

图1 桩号总106+410～总106+391洞段地质素描示意图

由揭露地层可见洞段左侧为变质岩和角砾岩，右侧为寒武系白云质灰岩层。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，岩石表面已无法看出原岩特征。断口可见原岩，可能为黑云斜长片麻岩或黑云变粒岩。石墨化使原岩石呈黑色，结构因受动力作用挠动，呈杂乱片状，具碎裂结构，手捏片状粉碎，岩体揉皱强烈，呈碎裂散体。

由此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地层为寒武系中统张夏组灰岩和寒武系底部砂岩。寒武系底部砂岩超覆沉积于下伏太古界奥家湾组之上，呈角度不整合接触关系，其接触带下伏为古风化壳。古风化壳主要岩性为黑云斜长片麻岩、伟晶花岗岩、黑云变粒岩、钾长黑云斜长片麻岩，在25#支洞与主洞交汇处揭露可见，其强风化层厚度可达20余m，目前断层带正处于古风化壳内。

从断层碎裂角砾岩蚀变程度和原岩恢复可见，石墨化碎裂角砾岩是由黑云斜长片麻岩和黑云变粒岩受断层动力作用变质而成；绿泥石化伟晶花岗岩是原伟晶花岗岩经绿泥石化和碎裂作用形成的。

断层从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，由地表追索断层延伸大于5 km。根据以往工程施工经验，洞线断层直交时，其影响带宽度一般为50 m，由于断层与洞线夹角较小，初步估算本断层线与洞轴线间破碎带宽度假设为50 m时，断层走向线与洞线交角13°左右，其隧洞需穿越断层影响带长度约210 m。本断层具有压扭性，断层带原始岩层为古风化壳变质岩层，岩体经断层动力作用，围岩为碎裂角砾岩，呈疏松碎裂散体，完整性和稳定性很差。

本洞段埋深约450 m，地下水为变质岩类裂隙水和寒武奥陶系碳酸盐岩类裂隙岩溶水。目前仅有少量地下水渗出。

2.3 分析结论

1）两次卡机是因不良地质断层破碎带中碎裂角砾岩坍塌收敛变形裹抱机头护盾、刀盘引起的卡机。

2）断层碎裂角砾岩带是由太古界奥家湾组黑云斜长片麻岩、黑云变粒岩和伟晶花岗岩，经断层动力作用再变质后形成，断层带正处于古风化壳内，呈碎裂疏松状态，稳定性极差，宽度约50 m，沿洞线长度约210 m。

3 脱困施工方案

脱困施工原则：1）扩挖小导洞，挖除护盾及刀盘周边围岩，使护盾、刀盘脱困；2）扩挖，从护盾两侧同时对前后护盾进行扩挖；3）扩挖前及扩挖过程中，及时观察围岩稳定情况，如围岩破碎，难以自稳，则对围岩进行固结灌浆，确保扩挖人员安全；4）TBM脱困成功后，可对掌子面前方围岩进行超前固结灌浆处理，防止再次卡机。

3.1 脱困施工方案

1）护盾两侧扩挖、剥离围岩石渣

（1）右侧从伸缩护盾处从腰线以下开始扩挖小导洞，分别向护盾前、后方向同时进行扩挖，直至刀盘。再从伸缩盾开始，对腰线以上护盾前后方向同时扩挖至1点钟方向（见图2）。

图2 TBM脱困开挖、灌浆示意图

（2）由于左侧围岩发生坍塌，围岩松散，不能自稳。为了确保扩挖人员安全作业，在左侧坍塌空腔及围岩进行充填、化学固结灌浆前，先对尾护盾处腰线以下切割一个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。当化学固结灌浆体强度大于10 MPa后，再进行小导洞扩挖。按化灌——扩挖——再化灌——再扩挖的方式循环扩挖直至刀盘。每循环化灌3 m（根据现场条件施作），开挖2.5 m，待小导洞挖成后，将重新卷制的同弧度同厚度锰钢尾护盾片焊接到原切割窗口上（由于护盾紧贴围岩，切割窗口护盾无法整体成形割除）。

（3）小导洞规格：宽1 m，高1.5 m（根据实际情况向上扩挖至顶部），前方至刀盘，后方至尾护盾，使紧抱护盾、刀盘的围岩石渣剥离。

（4）扩挖过程中，及时采用方木、木板、工字钢等材料对导洞顶、侧部进行支撑、防护，防止落石伤人。同时必须有安全员现场旁站，监视围岩变化，发现有围岩松动、滑落可能时，及时撤出作业人员（见图3）。

图3 小导洞支护

2）左侧空腔充填及左侧围岩化学固结灌浆

针对洞壁左侧尾护盾8:00至前护盾11:00点方位上部坍塌形成约直径3 m左右、深度10 m左右的空腔，对左侧下部的导洞开挖构成严重的安全隐患，容易造成更深部围岩的更严重的垮塌。须要及时进行处理。

（1）将塌落破碎岩石清除干净，用方木、木板在空腔口做支撑，用加固型化学灌浆材料固结支撑结构，再对上方的冒落空腔进行快速充填密封密闭，以期能防止冒落坍塌区域深部岩层的继续垮落，进而防止地层应力的集中冲击。同时，防止左侧小导洞开挖时上部破碎岩石的垮落。

充填发泡化学浆液具有较大的快速膨胀特性，且具有优异的压缩韧性，可以有效充填空腔。加固用化学浆液是一种液态改良型有机高分子材料，通过双液注浆泵按照1∶1比例注入导洞周边松散岩体中，能迅速生成高强度、高韧性的聚合物，把松散的不连续的岩层胶结成连续完整的受力体，达到加固和补强破碎岩体的效果。充填用化学浆液技术参数见表1。

加固化学灌浆材料技术参数见表2。

施工方法：从左侧伸缩盾10:00方向处，采用加固型化学灌浆材料固结2 m厚支撑面，同时预埋4根4分5 m左右长钢管伸到空腔最里面的顶部，待材料固结强度大于10 MPa时利用空腔里埋设的充填注浆管对空腔进行充填注浆（见图4）。

（2）空腔化学充填后，再对即将开挖的小导洞周边围岩进行加固，以期控制小导洞的顶部及侧帮的稳定性，提高整体承载性，不发生片帮落石事故，保证左侧小导洞的顺利扩挖。

表1 填充用化学浆液技术参数

表2 加固化学灌浆技术参数

图4 坍塌空腔化学充填灌浆示意图

参照材料的扩散性能，加固导洞上部2 m左右的破碎体，设计一排注浆孔，间距1.5 m。钻孔长度及角度见图5，钻孔直径如能成孔采用Φ42 mm，如不能成孔采用D25中空注浆锚杆。

图5 化学固结灌浆钻孔示意图

注浆钻孔前首先在伸缩盾开口处钻1.5 m深2个注浆孔，对伸缩盾处围岩进行固结并开挖后，再向前护盾、后护盾围岩钻孔注浆进行固结。采取固结一段、开挖一段的方法，直至小导洞挖至刀盘前，将压死护盾、刀盘围岩剥离。

（3）充填、固结用化学灌浆材料使用前必须进行灌浆试验，以确定灌浆作业参数。

（4）左右两侧小导洞开挖过程中，根据围岩松散情况，对小导洞周围岩体进行固结、开挖、再固结、再开挖的形式边固结、边开挖，直至TBM脱困。

3.2 脱困后施工方案

TBM脱困后，根据掌子面前方围岩破碎情况，采用以下方法掘进、固结围岩：

1）对31#～33#滚刀分别增加1～5 cm扩挖垫块，采用扩大开挖直径的方法，为围岩收敛提供收敛空间，减少挤压强度，防止护盾被卡，以使TBM顺利通过断层。

2）与业主协调联系罗宾斯公司，购置一台套主驱动电机及配套设施，以增加刀盘扭矩，应对后续不良地质条件下施工。

3）掘进时采用适当加大转速，提高出渣能力，必要时可拆除几把滚刀，提高出渣能力。同时要求TBM连续掘进，避免停机，以减少刀盘阻矩，避免被卡住。

4）利用超前钻机和刀盘人工钻孔相结合，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。

5）由于石墨化碎裂角粒岩遇水软化膨胀，机头刀盘喷水容易造成裹刀卡机，故采用泡沫润滑剂替代清水向围喷射压尘降温，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。

化学固结浆液采用护盾侧围岩固结用加固化学灌浆材料。

水泥基HC注浆材料具有防水，堵水，加固围岩于一体的具有速凝、早强、抗渗、微膨胀、无毒、无害不含氯化物特点，其主要技术指标见表3：

施工方法：

表3 水泥HC注浆材料技术指标

1）用超前钻机超前钻孔固结。采用超前钻机对掌子面前上方进行注浆。注浆材料根据围岩情况选用化学注浆液或者水泥基注浆料，钻孔深度10～30 m，可对刀盘前方30 m范围内破碎围岩进行固结。

2）采用人工钻孔超前固结。由于刀盘空间有限，人工钻孔固结法从刀盘滚刀仓处利用气腿风钻和手持式气动锚杆钻机进行钻孔。考虑前方围岩破碎容易塌孔，采用中空玻璃钢自进式锚杆或者空心锚杆注浆。

中空锚杆直径D25 mm，钻孔长度3 m，角度：中间钻孔水平钻进，四周钻孔外倾与护盾壳成30°。共7个注浆钻孔。详见图6、图7，注浆工艺见图8。

图6 刀盘前方超前化学固结灌浆示意图

图7 人工钻孔超前固结灌浆孔位图

图8 注浆工艺简图

4 脱困施工进度计划

为了尽早使TBM脱困，恢复掘进，通过断层带，根据现场情况，开始边超前固结灌浆边掘进，争取早日通过此断层破碎带。具体计划如下：

1）继续扩挖护盾右侧小导洞，借助液压劈裂机、膨胀剂等工具、材料，不间断扩挖，争取早日完成右侧压死护盾围岩的剥离。

2）督促化学固结灌浆厂家到达工地，进行现场试验后进洞化学灌浆。3 d后先对左侧塌方空腔进行充填灌浆，之后对伸缩盾开口处围岩钻孔化灌固结。固结后人工开挖小导洞。根据现场条件，固结一段、开挖一段，完成左侧压死护盾围岩的剥离。

3）继续掘进时，对掌子面超前固结灌浆一段掘进一段的方式。按钻孔、固结灌浆、掘进为一个循环2.5 m计算，钻孔5 h，灌浆5 h（由围岩破碎、注浆量决定），掘进1 h，一个循环11 h，一天可掘进2个循环5 m，通过210 m破碎带需要42 d，即通过断层带。断层带按50 m计算，通过断层需要10 d。

本阶段卡机工程按此方案，经历15个工作日安全顺利脱困。