郭衛(wèi)新,楊繼華,齊三紅,楊風(fēng)威

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

花崗巖地層雙護(hù)盾TBM卡機(jī)原因分析及處理措施

郭衛(wèi)新,楊繼華,齊三紅,楊風(fēng)威

(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司,河南 鄭州 450003)

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM在花崗巖地層中掘進(jìn)時(shí),由于軟弱破碎圍巖的擠壓變形作用,造成了TBM前盾被卡的卡機(jī)事件。在工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合開(kāi)挖洞徑、管片襯砌、圍巖變形及TBM設(shè)備特征,采用了在前盾上方開(kāi)挖導(dǎo)洞,解除圍巖對(duì)護(hù)盾上的壓力,使TBM脫困的處理方法,該方法可為類似工程的卡機(jī)脫困提供參考。

水源地建設(shè)工程;輸水隧洞;花崗巖地層;雙護(hù)盾TBM;卡機(jī)

雙護(hù)盾TBM是巖石全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)常用的一種機(jī)型,其掘進(jìn)和管片襯砌同步進(jìn)行,具有成洞速度快、施工質(zhì)量好、人員安全性好、對(duì)地質(zhì)條件適應(yīng)性較好的技術(shù)特點(diǎn),且已在國(guó)內(nèi)、外的隧洞施工中得到廣泛應(yīng)用[1]。

雙護(hù)盾TBM的護(hù)盾由前盾、伸縮外盾、伸縮內(nèi)盾、支撐盾和尾盾組成,其盾體總體較長(zhǎng),一般長(zhǎng)度11～13 m。盾體與開(kāi)挖洞壁之間的間隙較小,一般約5～10 cm。當(dāng)雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)膨脹巖、塑性變形圍巖、軟弱破碎圍巖中掘進(jìn)時(shí),如果發(fā)生圍巖快速變形,則變形的圍巖會(huì)填滿洞壁與護(hù)盾之間的間隙,圍巖與護(hù)盾產(chǎn)生接觸;由于雙護(hù)盾TBM的護(hù)盾較長(zhǎng),當(dāng)圍巖與護(hù)盾接觸范圍大、接觸壓力大時(shí),圍巖與護(hù)盾之間的摩擦力會(huì)大于TBM的推進(jìn)力,此時(shí),TBM無(wú)法前進(jìn),即發(fā)生卡機(jī)事件。

在國(guó)內(nèi)、外的雙護(hù)盾TBM施工中,發(fā)生過(guò)多次的TBM卡機(jī)事件,如厄瓜多爾CCS水電站工程引水隧洞[2]、甘肅引洮供水9#隧洞[3]、昆明上公山引水隧洞[4]、山西引黃入晉工程隧洞[5-7]、陜西引紅濟(jì)石調(diào)水工程隧洞[8]、新疆大坂引水工程隧洞[9]及青海引大濟(jì)湟工程輸水隧洞[10]等。這些卡機(jī)事件的處理需要的時(shí)間為20—200 d不等,造成較嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤。

花崗巖地層具有風(fēng)化程度不均、圍巖變化規(guī)律難以把握的特點(diǎn),在花崗巖地層中進(jìn)行隧洞施工時(shí),常遇到破碎帶圍巖塌方、軟巖變形、涌水、涌砂等隧洞地質(zhì)災(zāi)害。本文以在建的蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM卡機(jī)事件為背景,在工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,提出脫困處理措施,相關(guān)方法可為類似工程的雙護(hù)盾TBM卡機(jī)脫困提供參考。

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程將劉家峽水庫(kù)作為引水水源地,向蘭州市供水。工程包括取水口、輸水隧洞主洞、分水井、蘆家坪輸水支線、彭家坪輸水支線及其調(diào)流調(diào)壓站、蘆家坪水廠和彭家坪水廠,以及現(xiàn)有供水管網(wǎng)的輸水管線等。其中輸水隧洞主洞是其控制性工程,隧洞全長(zhǎng)31.57 km,采用鉆爆法和兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM聯(lián)合施工。TBM隧洞設(shè)計(jì)開(kāi)挖洞徑5.46 m,采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌,襯砌后洞徑4.60 m。

TBM1施工段由5#施工支洞進(jìn)洞,5#施工支洞全長(zhǎng)3 544 m,前558 m采用鉆爆法開(kāi)挖,TBM1在洞外組裝,滑行至樁號(hào)K0+558 m處掘進(jìn)。5#施工支洞末端與輸水隧洞主洞相交于樁號(hào)T5+860 m后,TBM1開(kāi)始向主洞下游方向掘進(jìn),掘進(jìn)至T11+221 m后,滑行通過(guò)1 496 m鉆爆段,在樁號(hào)T12+717 m處再次開(kāi)始掘進(jìn),至T15+300 m處掘進(jìn)完成,進(jìn)行洞內(nèi)拆解。TBM1施工段全長(zhǎng)12.426 km,其中掘進(jìn)段長(zhǎng)10.93 km,滑行安裝管片段長(zhǎng)1.496 km,具體施工布置見(jiàn)圖1。

圖1 TBM1掘進(jìn)段示意圖Fig.1 TBM1 excavation section

2 工程地質(zhì)條件

TBM1施工段沿線穿越的地形地貌為中低山向黃土塬及梁峁區(qū)過(guò)渡,最高海拔約2 300 m,5#施工支洞隧洞埋深100～400 m,主洞段埋深300～600 m。隧洞沿線穿越的地層依次為加里東中期石英閃長(zhǎng)巖(δο32),前震旦系馬銜山群(AnZMx4)灰黑色、青灰色黑云石英片巖和角閃石英片巖,加里東中期花崗巖(γ32),白堊系下統(tǒng)河口群(K1Hk1)互層砂泥巖。

TBM1施工段未見(jiàn)有區(qū)域性斷層通過(guò),但閃長(zhǎng)巖和花崗巖侵入體內(nèi)及與其他地質(zhì)的接觸部位發(fā)育有多處破碎帶及節(jié)理密集帶。石英閃長(zhǎng)巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為11～147 MPa,石英片巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為16.5～175 MPa,花崗巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為127～134 MPa,砂巖、砂礫巖、泥巖單軸飽和抗壓強(qiáng)度為11～85 MPa。按照水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范(GB 50487—2008)的圍巖分類方法,對(duì)TBM1施工段進(jìn)行圍巖分類,Ⅱ類圍巖占48%,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖分別占25%、23%、4%。

隧洞區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的三向應(yīng)力特征為σH>σh>σV,最大主應(yīng)力方向NE40°～70°,與輸水隧洞主洞方向近平行。鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示最大水平應(yīng)力與自重應(yīng)力之比為1.5～2.9。

隧洞沿線的地下水類型主要為第四系孔隙潛水、基巖孔隙潛水,隧洞總體位于地下水位以下。

3 卡機(jī)事件過(guò)程

TBM1進(jìn)入花崗巖層中,圍巖堅(jiān)硬完整,圍巖穩(wěn)定性好,總體為Ⅱ類圍巖。當(dāng)掘進(jìn)至樁號(hào)T9+160 m后,巖體破碎、巖石強(qiáng)度低,總體為Ⅳ類圍巖,掘進(jìn)時(shí)采用降低推力、降低轉(zhuǎn)速及連續(xù)掘進(jìn)的措施通過(guò)破碎圍巖洞段。當(dāng)掘進(jìn)至T9+190 m時(shí),圍巖條件變好,總體為Ⅲ類圍巖。2017年3月23日早上5:50左右,TBM掘進(jìn)至樁號(hào)T9+199.5 m時(shí),掘進(jìn)參數(shù)出現(xiàn)異常,刀盤(pán)推力由6 000 kN增加到9 000 kN,刀盤(pán)扭矩維持在200～300 kNm,而貫入速度卻從6 mm/r逐漸降低,至5:57,推力增加到10 000 kN,貫入速度降到0,此時(shí)TBM刀盤(pán)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng),可以換步,后盾可以向前移動(dòng)也可以倒退,但刀盤(pán)和前盾無(wú)法前進(jìn)。

隨后停機(jī)進(jìn)行檢查,首先檢查邊刀的磨損情況,發(fā)現(xiàn)邊刀的磨損量在最大允許磨損值以內(nèi),結(jié)合刀盤(pán)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)的情況,可以排除邊刀磨損量過(guò)大引起開(kāi)挖洞徑縮小導(dǎo)致的卡機(jī)事故;隨后檢查了刀盤(pán)、前盾、后盾姿態(tài),發(fā)現(xiàn)TBM姿態(tài)也在正常范圍之內(nèi),可以排除由于姿態(tài)偏差引起的卡機(jī);最后通過(guò)護(hù)盾窗口、刀盤(pán)刀孔等檢查圍巖情況,發(fā)現(xiàn)在前盾頂部11點(diǎn)鐘到3點(diǎn)鐘方向圍巖與護(hù)盾發(fā)生接觸。初步判斷TBM無(wú)法前進(jìn)的原因是圍巖與護(hù)盾的摩擦力大于TBM的推進(jìn)力。

根據(jù)目前的情況,在雙護(hù)盾模式下使主推進(jìn)油缸的推力增大到14 000 kN,前盾無(wú)法前進(jìn)。鑒于主推進(jìn)油缸的推力基本用到了極限,隨后收回支撐靴,使伸縮護(hù)盾處于收縮狀態(tài),采用單護(hù)盾模式的輔助推進(jìn)油缸推進(jìn),輔助推進(jìn)油缸的推力達(dá)到了30 000 kN,前盾仍無(wú)法前進(jìn)。為減少圍巖與護(hù)盾之間的摩擦力,沿護(hù)盾注入孔向護(hù)盾和圍巖間注入潤(rùn)滑油后,再次啟動(dòng)TBM,前盾還是無(wú)法前進(jìn)。此時(shí)結(jié)合多方的意見(jiàn),判定本次TBM無(wú)法前進(jìn)為前盾被卡。

4 卡機(jī)原因分析

卡機(jī)段樁號(hào)T9+194.5m～T9+199.5 m段埋深約470 m,出露的地層巖性為加里東中期花崗巖(γ32),受構(gòu)造影響明顯,巖體呈碎裂—鑲嵌結(jié)構(gòu),節(jié)理密集發(fā)育,產(chǎn)狀雜亂無(wú)規(guī)律,節(jié)理面風(fēng)化蝕變嚴(yán)重,多泥質(zhì)充填,少量節(jié)理張開(kāi),多處發(fā)育有1～2 cm寬的泥質(zhì)條帶,延伸1～2 m。巖石強(qiáng)度低,軟硬相間,多處節(jié)理面附近存在松散的軟弱帶,手掰易碎,局部呈砂狀、泥狀,風(fēng)化程度較高的巖石單軸抗壓強(qiáng)度范圍為10～30 MPa,風(fēng)化程度低的巖石單軸抗壓強(qiáng)度范圍為40～70 MPa。隧洞右上方發(fā)育一條10～15 cm寬的長(zhǎng)石脈,呈現(xiàn)黃色,表面風(fēng)化為泥質(zhì)。圍巖多處滲水—滴水,總體為Ⅳ類圍巖,圍巖情況如圖2所示。

圖2 卡機(jī)處圍巖情況示意圖Fig.2 The surrounding rock situation of TBM blocked

卡機(jī)段圍巖軟硬不均,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,節(jié)理面風(fēng)化程度高并夾泥,在應(yīng)力集中條件下,受擠壓應(yīng)力的作用,圍巖發(fā)生碎脹變形。以1.1的體積膨脹率計(jì)算(巖石碎脹系數(shù)一般為1.1～1.5),0.8 m范圍的巖體碎脹足以將8 cm的空間填滿,并將圍巖應(yīng)力傳遞到護(hù)盾表面,在護(hù)盾抵抗變形的情況下,圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生較大的壓應(yīng)力,壓力在護(hù)盾上產(chǎn)生的摩擦力大于輔推油缸的最大推力,使得護(hù)盾被卡。

綜上所述,本次卡機(jī)事件是由軟硬相間的破碎圍巖產(chǎn)生的擠壓變形所致。

5 卡機(jī)脫困措施

在卡機(jī)原因及工程地質(zhì)條件分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合開(kāi)挖洞徑、管片襯砌、圍巖變形及TBM設(shè)備特征,采用在前盾上方開(kāi)挖導(dǎo)洞,解除圍巖對(duì)護(hù)盾上的壓力,使TBM脫困的處理方法,具體措施如下:

(1) 后退支撐護(hù)盾,將內(nèi)伸縮盾與支撐護(hù)盾拉開(kāi)550 mm的間隙,提供人員、設(shè)備及材料的進(jìn)出通道。

(2) 在護(hù)盾頂部向掌子面方向開(kāi)挖中導(dǎo)洞,直至刀盤(pán)處,開(kāi)挖方式為人工手持風(fēng)鎬開(kāi)挖。中導(dǎo)洞開(kāi)挖高度為1.5 m(支護(hù)完成后1.3 m),開(kāi)挖寬度為1.6 m(支護(hù)完成后1.2 m),開(kāi)挖長(zhǎng)度約4.5 m,中導(dǎo)洞的洞壁和頂拱采用方木支護(hù),如圖3所示。

(3) 中導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,進(jìn)行右導(dǎo)洞開(kāi)挖,直至刀盤(pán)處,右導(dǎo)洞開(kāi)挖高度為1.3 m(支護(hù)后1.1 m),寬度為1.5 m(支護(hù)后1.1 m),長(zhǎng)度約4.5 m,右導(dǎo)洞的洞壁和頂拱采用方木支護(hù),如圖4所示。

圖3 中導(dǎo)洞開(kāi)挖示意圖(單位:mm)Fig.3 Excavation diagram of the middle heading tunnel

圖4 右導(dǎo)洞開(kāi)挖示意圖(單位:mm)Fig.4 Excavation diagram of the right heading tunnel

(4) 右導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,在確認(rèn)中導(dǎo)洞左側(cè)及右導(dǎo)洞右側(cè)圍巖與護(hù)盾脫離接觸后,檢查設(shè)備正常后嘗試啟動(dòng)TBM掘進(jìn)。

中導(dǎo)洞及右導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后,經(jīng)檢查,確認(rèn)在護(hù)盾頂部11點(diǎn)鐘到3點(diǎn)鐘方向的圍巖與護(hù)盾基本脫離接觸后,清除導(dǎo)洞內(nèi)的巖渣及雜物后,人員及設(shè)備撤出。收回收縮護(hù)盾,啟動(dòng)TBM采用單護(hù)盾模式推進(jìn),當(dāng)輔推油缸的推力達(dá)到17 000 kN時(shí),前盾開(kāi)始向前移動(dòng),此時(shí)TBM成功脫困。

在脫困處理過(guò)程中,采用地震法對(duì)掌子面前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào),發(fā)現(xiàn)掌子面前方30 m范圍內(nèi)圍巖仍較破碎,故采用了低推力、低轉(zhuǎn)速及連續(xù)掘進(jìn)的方法通過(guò)破碎帶?？紤]到卡機(jī)段頂拱存在人工開(kāi)挖的空腔,在空腔段安裝重型管片,并對(duì)空腔及時(shí)進(jìn)行回填處理。

6 結(jié)語(yǔ)

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM在花崗巖地層中卡機(jī)事件表明,花崗巖地層具有復(fù)雜性、多變性及難以預(yù)測(cè)性的特點(diǎn),TBM卡機(jī)后,應(yīng)在分析卡機(jī)原因的基礎(chǔ)上,采取有針對(duì)性的處理措施;另外,在花崗巖地層中掘進(jìn)時(shí),應(yīng)根據(jù)圍巖變化的特點(diǎn),及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù),可有效預(yù)防卡機(jī)事件的發(fā)生。

[1] 李仕森,茅承覺(jué),葉定海.護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)——全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)技術(shù)講座之四[J].建筑機(jī)械,1998(12):29-33.

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(責(zé)任編輯：費(fèi)雯麗)

Cause Analysis and Treatment Measures of Double Shield TBMBlocked in Granite Stratum

GUO Weixin,YANG Jihua,QI Sanhong,YANG Fengwei

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

When excavating water conveyance tunnel in granite stratum by double shield TBM of Lanzhou City Water Source Construction Project,the anterior shield TBM was blocked due to the extrusion deformation of the weakly broken surrounding rock Based on the analysis of the engineering geological conditions,combined with excavation diameter,tube lining,surrounding rock deformation and TBM equipment characteristics,the TBM unblocked treatment measures were used by excavating the guide hole above the anterior shield which to relieve pressure on the shield of the surrounding rock.Relevant treatment measures can provide reference for similar projects.

Water Source Construction Project; water conveyance tunnel; granite stratum; double shield TBM; TBM blocked

TV554; TV672+.1

A

1671-1211(2017)05-0610-04

2017-07-20;改回日期2017-09-04

郭衛(wèi)新(1972-),男,高級(jí)工程師,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)及研究工作。E-mail:yrccgwx@163.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1743.002.html數(shù)字出版日期2017-08-24 17:43

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.022