TBM穿越富水构造风化破碎带脱困处理方案研究

朱廷宇 王唤龙

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

TBM具有施工速度快、施工质量优、机械化程度高、技术含量高、劳动强度低、施工环境好、造就人才快等特点，广泛应用于铁路、公路、矿山、水利、水电、市政、地铁、穿越江河等领域的隧道和地下工程建设当中[1]。众所周知，TBM一般用于地质条件好的地层，但目前在地质复杂区域以及长大隧道无辅助坑道条件下，也采用了大量的TBM。

由于TBM设备庞大，对地质条件适应性没有钻爆法那样灵活，在没有预警的情况下遇到不良地质条件时，TBM掘进受到的影响远大于钻爆法开挖[2]。在以往地质条件复杂地区的TBM施工实践中，出现了大量卡机受困的情况，造成TBM停工处理，严重削弱了其施工进度快的优势，甚至有的工点平均进度低于类似地层的钻爆法施工。

为实现安全、快速的脱困处理并充分发挥TBM施工的优势，学者们开展了大量的研究，并且进行了成功的实践。温森[3]等对深埋隧道TBM卡机机理及控制措施进行了研究，提出了护盾区域围岩变形计算模型以及停机和连续掘进两种工况下的临界预留变形量及临界超前支护强度的计算模型。陈馈[4]等从地质水文条件、TBM 装备及 TBM 施工队伍全面分析总结引发 TBM 施工风险的因素，并制定了针对性应对措施。刘建平[5]等提出在护盾顶部人工开挖小导洞，并利用小导洞对刀盘上方、前盾顶部的积渣进行清理，减少刀盘转动阻力，同时利用小导洞对前方不良地质围岩进行超前加固完成TBM脱困。吕炎浩[6]、董泗龙[7]提出采用管棚支护结合化学灌浆加固松软岩体的方法，减轻松软岩体对刀盘和护盾的压力和扭阻力，实现了TBM 自身脱困。徐虎城[8]针对大断层破碎带卡机，采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法使 TBM 顺利脱困。杨晓迎[9]等在断层构造岩卡机中采取开挖上导洞和侧导洞的方式彻底解除TBM护盾上的压力，同时挖除刀盘前方松散岩体，使TBM成功脱困。尚彦军[10]等认为在褶皱、断层和软弱围岩同时存在的复杂地质条件下，围岩的持续挤压作用和大变形会导致 TBM卡机；此外，在高地应力区和软弱围岩段，侧向和顶部同步扩挖可避免护盾不均匀的塑性变形。赵毅[11]通过在刀盘内超前钻孔、在孔口混合和高压力灌浆实施双组分化学浆液，快速完成了加固坍塌体、软弱破碎岩层及有效脱困。针对高黎贡山隧道敞开式TBM，软弱破碎围岩地段施工易卡机是隧道施工的重难点，洪开荣、宋法亮[12-13]等提出了TBM超前地质预报、钢筋排及钢拱架与喷射混凝土联合及时支护、导洞开挖及合理调整掘进参数等一系列确保 TBM 连续施工的方案与措施，张兵[14]等提出掌子面前方化学灌浆加固、小导洞开挖及超前管棚等方法联合帮助 TBM 脱困。

综上所述，TBM脱困处理方法包括掌子面周边化学注浆加固、超前管棚棚护、导洞法等，上述研究对于断层破碎带等软弱地层TBM卡机处理提出了针对性的应对方法，但此类超前加固或者导洞法等方法受限于不同工点特有的工程地质条件而不具有普适性，导致高黎贡山隧道出口平导TBM在采用上述方法后并未收到较好的效果。本文针对高黎贡山隧道出口平导TBM穿越富水构造风化破碎带遭遇卡机的问题，基于富水构造风化破碎带地质特征、卡机机理以及TBM工法特点，重点研究了TBM原位脱困、高位处理脱困以及反向处理脱困三种处理方案，使TBM得以成功穿越富水构造风化破碎带。

1 工程概况

亚洲第一铁路长隧—大瑞铁路高黎贡山隧道全长34.538 km，为设计速度140 km/h的单线电气化铁路隧道。隧道最大埋深为 1 155 m，地质条件极为复杂，具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的地质特征，洞身分布有19条断层和2个向斜。

为解决工期，兼顾通风、排水等要求，结合地形、地质条件，高黎贡山隧道采用“1平+1斜+2竖”的辅助坑道设置，其中贯通平导长34.586 km。隧道出口端以燕山期花岗岩为主，采用TBM掘进施工，正洞采用1台直径9.0 m敞开式TBM施工，TBM掘进长度为12.5 km，平导施工采用1台直径6.36 m敞开式TBM施工，TBM掘进长度10.6 km。高黎贡山隧道平面示意如图1所示。

图1 高黎贡山隧道平面示意图(m)

2 前期TBM卡机处理

高黎贡山隧道TBM施工段地层为花岗岩，受深大断裂及多期岩浆侵入蚀变等影响，隧道洞身节理密集带或蚀变破碎带发育，其分布不规律，不连续，围岩变化频繁。节理密集带岩体呈强风化碎块状、角砾状或全风化砂砾状，部分风化蚀变成黏土，围岩稳定性差，遇水易掉块或垮塌，呈松散碎块状堆积体或砾砂质浑浊泥石流状。节理密集破碎带及蚀变带主要存在高压涌水突泥，坍塌、掉块，涌水等工程地质问题。高黎贡山隧道平导TBM于11月25日始发掘进，正洞TBM于2018年2月1日始发掘进，截止2020年5月26日，高黎贡山隧道出口平导TBM施工4 475 m，正洞TBM施工5 143 m，共计9 618 m。TBM已施工段出现掘进受困(卡机)共计11次，其中平导掘进受困6次，正洞掘进受困5次。

2.1 卡机段不良地质类型简述

高黎贡山隧道TBM前期卡机遭遇的不良地质类型主要有岩性接触带、断层破碎带、粉细砂侵入、掌子面溜坍及涌水，其地质特征以及引发卡机的原因如表1所示。

表1 高黎贡山隧道TBM卡机段不良地质类型表

2.2 卡机处理方案

由表1可以看出，前期TBM卡机多为刀盘被卡无法转动、扭矩及推力达到极限无法推进、超量出渣导致皮带机压力过大、护盾被卡抱死等。TBM脱困的原理是采取一系列措施尽可能减小刀盘阻力和护盾阻力，使其满足TBM掘进施工的脱困扭矩及推力，过程中需采取加强支护手段，保证初支强度，必要时采用钻爆法辅助通过。一般在TBM卡机脱困实践中，较常用的方法有注浆加固(包括超前化学灌浆)、超前循环管棚、护盾上方施作小导洞、迂回导坑法等，可根据不同的卡机位置、成因予以单一或组合选用。

本次结合高黎贡山隧道出口2台TBM前期遭遇11次卡机的处理情况，从TBM遭遇不良地质类型划分、TBM卡机原因分析入手，对卡机处理方法进行系统总结，如表2所示。

表2 高黎贡山隧道TBM前期卡机处理方案表

(续表2)

3 PDZK 221+481卡机灾害情况

3.1 PDZK 221+481卡机情况概述

高黎贡山隧道出口平导 TBM 掘进至PDZK 221+481 时出现极限推力无法推进的现象，随后掌子面出现溜坍，大量泥沙状渣体随水流不断自刀盘入口处涌出，造成隧底大量积渣。同时TBM 护盾及盾尾主梁区域拱部围岩出现沉降，拱部岩体间形成错台，顶护盾被围岩挤压下沉(原有限位块受挤压弯曲变形)，盾尾钢架局部扭曲变形，致使TBM卡机受困，如图2所示。

图2 PDZK 221+481卡机情况图

3.2 PDZK 221+481工程地质特征分析

3.2.1 地质探测情况

为探明卡机段不良地质的规模、范围，本次进行了以钻探为主的地质探测，并结合卡机处理钻孔情况，施做了泄水孔、超前探孔及超前管棚共计156孔，其中出现卡钻、埋钻、顶钻、裹钻现象共73孔，出现钻孔涌泥现象共5孔，突涌高压水探孔共10孔。

通过地质探测反馈，平导 PDZK 221+481卡机段岩体破碎—极破碎，且高压富水，在地下水软化作用下，围岩泥化现象明显，呈泥土状，稳定性极差；对应正洞段岩体以强—弱风化花岗岩为主，围岩稳定性稍好，地下水以滴状及线状为主。

3.2.2 区域地质情况

隧区位于印度板块与欧亚板块相碰撞的板块结合带，为青、藏、滇、缅巨形“歹”字型构造西支中段弧形构造带与经向构造带之“蜂腰部”南段，段内怒江断裂带和泸水—瑞丽断裂带紧密挤压成平行索状，两断裂带间三角地带为侵入的花岗岩体。卡机段400 m外发育一断层，断裂附近岩体破碎，糜棱岩、碎裂岩发育，沿断层有花岗岩侵入。

3.2.3 PDZK 221+481工程地质特征

因PDZK 221+481受困段处于断层附近，节理裂隙发育，岩体破碎，加之山体雄厚，基岩裂隙水发育，同时该段处于不同期次花岗岩接触带，发育有不同期次花岗岩，蚀变岩带发育，蚀变严重，且具有绿泥石化、泥化现象，属富水构造风化破碎带(如图3所示)，本次平导TBM卡机段位于构造风化破碎带核部，对应正洞位于构造风化破碎带边缘。

图3 富水构造风化破碎带发育示意图

4 初期措施及效果

结合PDZK 221+481卡机情况、工程地质特征以及前期高黎贡山隧道TBM脱困处理的经验，本次脱困处理首先采用了分步骤、分阶段的处理方案。

4.1 “短注长支法”处理阶段

针对掌子面涌渣、TBM 护盾下沉及盾尾主梁区域拱部出现变形沉降等情况，现场首先采取了盾尾变形区域增设临时支护、喷混凝土封闭围岩、超前地质钻探等措施进行应急处理，后制定了盾尾超前长管棚注浆配合掌子面刀盘周边注浆加固的措施，通过改良围岩后减小护盾围压，实现TBM脱困。

现场按照上述方案进行超前预加固过程中，左侧钻孔频繁出现卡钻、泥浆裹钻、顶钻等情况，同时防尘盾观察孔、刀盘入口处流塑状泥沙间歇性涌出，对皮带、刀仓积渣清理后刀盘内再次涌泥压死皮带、积满刀仓后涌至隧底。

4.2 “导洞法”处理阶段

鉴于“短注长支法”处理存在钻孔困难、注浆加固效果难以保证的问题，不适用于本次脱困处理，现场随即采用导洞法进行处理，在护盾上方开挖小导洞并进行环向扩挖形成管棚工作室，同时对不良地质体提前减压泄水，并进一步探测 TBM 前方地质情况，于平导右侧增设了迂回导坑及泄水、探测洞室，如图4所示。

图4 盾尾迂回导坑及泄水、探测洞室示意图

盾尾迂回导坑及管棚工作室施作完成并开展了一系列探测措施，即将进行超前管棚注浆时，管棚工作室拱部喷混凝土出现局部开裂，同时管棚工作室开口处钢架左侧竖撑弯曲变形，随之钢架变形处突发涌水，期间涌水量300～700 m3/h，水质浑浊，且携带细渣及泥沙，致使TBM盾尾后方70 m产生泥沙淤积，其中盾尾区域淤积深度达5 m。

4.3 初期措施失败原因分析

首先，PDZK 221+481卡机为高黎贡山隧道TBM首次遭遇富水构造风化破碎带，从地质特征上来看，与前期遭遇的接触带、断层破碎带、粉细砂等有较大不同，围岩蚀变严重、泥化现象明显，且高压富水，反映到工程特征，则是钻孔困难，无法通过常规管棚棚护及加固手段进行处理。

其次，初期措施借鉴以往处理经验，围绕掌子面周边进行处理，设置了小导洞、盾尾迂回导坑、探测洞室等辅助洞室，并在掌子面周边打设了上百个钻孔，使掌子面附近区域形似“蜂窝”。辅助洞室与密布钻孔扰动了掌子面处高压富水破碎带，使附近区域围岩应力状态与地下水环境重新分布，更易诱使高压地下水涌入掌子面附近，并于薄弱处形成溃口，导致发生大规模突涌水灾害。

5 脱困处理方案研究

鉴于TBM掌子面处于富水构造风化破碎带核部，考虑到该破碎带核部高压富水的特征，后续处理应以超前泄水降压、超前预加固为本，并进一步探明破碎带边界。同时，破碎带核部已形成突涌水溃口，在掌子面附近区域进行处理施工风险极大，为确保施工安全，本文重点研究了边缘绕行处理的方案。

5.1 TBM自行脱困方案

避开TBM设备及后配套区域，于平导线路左侧采用钻爆法开设平位绕行导坑至掌子面前方，利用绕行导坑对掌子面前方破碎带核部进行钻孔泄水降压，改良掌子面区域地下水环境，配合盾尾超前管棚注浆加固及掌子面注浆加固措施，进行TBM掘进自行脱困，绕行坑道采用有轨单车道断面，其长度根据实际泄水及探测情况而定，泄水孔布设对高压富水区域进行加密。TBM自行脱困方案布置如图5所示。

图5 TBM自行脱困方案示意图

5.2 高位处理脱困方案

由于高压地下水位于掌子面左上方，为实现上部截流地下水，达到泄水降压效果，于平导线路左侧采用钻爆法开设高位支洞，绕行至掌子面前方后设置高位作业洞室用以泄水、注浆加固构造风化破碎带，护盾上方破碎带围岩得到注浆改良后，以期原富水塑性岩体向弹塑性或弹性体转变，相应减小其对护盾的围岩压力，此时可进行TBM掘进脱困。高位处理脱困方案布置如图6所示。

图6 高位处理脱困方案示意图

5.3 反向处理脱困方案

地质探测情况表明，TBM向前掘进将穿越富水构造风化破碎带核部地区，且穿行长度尚未可知，考虑到TBM自身超前加固手段有限，且注浆效果在此类地层中难以保证，若强行掘进极易再次引发卡机。本方案拟采用钻爆法于平导线路左侧开设迂回导坑，并通过反向处理通道绕行至平导线位，后采取帷幕注浆加固配合超前大管棚棚护，逐段钻爆施工TBM预备洞、出发洞，完成后TBM步进通过富水构造风化破碎带。反向处理脱困方案布置如图7所示。

图7 反向处理脱困方案示意图

5.4 优缺点分析

综上所述，以上方案均采取钻爆法增设了处理导坑，从不同的角度提供了TBM脱困的处理方法，但在工期、投资、施工安全等方面各有优劣，如表3所示。

表3 TBM脱困处理方案优缺点分析表

由表3可知，从工期及投资角度，TBM自行脱困方案最优，高位处理脱困方案次之；从施工安全性的角度，反向处理脱困方案最优，高位处理脱困方案次之。但TBM脱困处理受地下水、超前探测地质情况等因素影响较大，需根据现场实际情况进行动态调整，具体方案或为单一方案，也或为各方案融合而成。

5.5 方案实施效果

鉴于高黎贡山隧道工期压力巨大，本次卡机处理最终采用了TBM自行脱困方案，即于平导线路左侧采用钻爆法开设绕行导坑进行泄水降压。

由于本次脱困处理时间较长，加之正洞TBM穿越破碎带边缘，正洞TBM在采取“短注长支法”并配合泄水洞超前泄水后，提前于平导成功穿越了该风化破碎带。在绕行导坑与正洞的双重泄水降压作用下，平导内水量明显衰减，由突涌时300～700 m3/h减小至约80 m3/h，随后在采取洞内清淤、管棚工作室修复、掌子面周边注浆加固、超前管棚注浆加固、TBM设备检修及性能提升等一系列措施后，平导TBM得以成功穿越该富水构造风化破碎带。

6 结论

本文以大瑞铁路高黎贡山隧道出口平导TBM穿越富水构造风化破碎带出现卡机现象为依托，通过研究得出以下主要结论：

(1)从高黎贡山隧道平导PDZK 221+481卡机发生以来前期的脱困处理情况以及地质探测情况来看，对于富水构造风化破碎带地层，应尽量避免在掌子面及护盾周边范围进行处理，以防止打开高压裂隙水通路，进而形成突涌水溃口，引发突涌灾害。

(2)针对富水构造风化破碎带下TBM脱困处理，应以超前泄水、超前加固、超前探测为原则，建议以绕行的方式进行处理，尽量避免对TBM护盾周边不良地质体的扰动。

(3)近年来我国TBM在软弱破碎围岩地段卡机频发，亟需研究形成一套卡机的预判标准，以及针对不同类别卡机的脱困处理机制，为TBM的施工保驾护航，确保施工安全并充分发挥TBM的优势。