(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 450003)

雙護(hù)盾TBM可滿足開挖與襯砌同步作業(yè)，隧洞一次成型，滿足快速施工的要求。同時，雙護(hù)盾TBM具有雙護(hù)盾和單護(hù)盾兩種掘進(jìn)模式，與開敞式TBM相比對地質(zhì)變化適應(yīng)能力更強(qiáng),廣泛應(yīng)用于水利、公路、鐵路、地鐵等工程[1]。

雙護(hù)盾TBM設(shè)備施工封閉性好、施工環(huán)境好、人員和設(shè)備安全性高。但正是由于雙護(hù)盾TBM良好的封閉性，在遇到破碎帶時處理方法有限，施工難度大，尤其是當(dāng)TBM設(shè)備整體進(jìn)入破碎帶刀盤或盾體被卡時，脫困周期長，經(jīng)濟(jì)損失大，甚至造成設(shè)備損壞[2]。為避免卡機(jī)事件發(fā)生，往往需要對破碎帶進(jìn)行超前加固處理，然后TBM再掘進(jìn)，并根據(jù)破碎帶長度，按照“超前加固→掘進(jìn)→超前加固→掘進(jìn)”的多循環(huán)模式通過破碎帶。本文針對蘭州市水源地建設(shè)工程施工Ⅲ標(biāo)TBM2在樁號T19+747.838位置遇破碎帶時的處理問題，提出關(guān)于雙護(hù)盾TBM通過破碎帶的建議，可供今后處理類似工程問題時參考。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計狀況

蘭州市水源地建設(shè)工程輸水主洞為有壓引水洞，最大水頭約73m，全長 31.57km，采用TBM和鉆爆法聯(lián)合施工。TBM施工段總長 22.50km，其中 TBM2掘進(jìn)段長度12.33km，滑行段長度0.93km。TBM2自輸水主洞出口向上游逆坡掘進(jìn)，洞軸線坡度為1‰，開挖洞徑 5.49m。隧洞采用平行四邊形管片(5+1)襯砌，襯砌后內(nèi)徑 4.60m，管片厚度30cm，環(huán)寬1.50m，隧洞開挖面與管片襯砌環(huán)之間采用豆礫石填充，之后再進(jìn)行回填灌漿，施工布置如圖1所示。

圖1 TBM2施工布置示意圖 (單位：m)

1.2 工程地質(zhì)狀況

TBM2施工洞段埋深多在300～700m之間，局部洞段埋深超過700m，沿線地層巖性主要有白堊系下統(tǒng)河口組泥質(zhì)砂巖、粉砂質(zhì)黏土巖和奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群變質(zhì)安山巖。根據(jù)前期地質(zhì)勘察結(jié)果，在樁號T24+430附近存在一條斷層(F3)，通過常規(guī)鉆爆法進(jìn)行預(yù)處理，TBM安裝預(yù)制混凝土管片滑行通過，降低卡機(jī)風(fēng)險。

結(jié)合前期勘察資料，經(jīng)洞內(nèi)觀察孔觀察、TBM掘進(jìn)參數(shù)和渣料形態(tài)分析，T19+752m—T19+747m段隧洞埋深約700m，地層巖性為奧陶系上中統(tǒng)霧宿山群中段安山質(zhì)凝灰?guī)r、變質(zhì)安山巖，顏色為黑灰色～青灰色，淺～中變質(zhì)，新鮮～微風(fēng)化，巖石較堅硬；受構(gòu)造影響，該段巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，呈碎裂結(jié)構(gòu)，掌子面上前部出現(xiàn)較大范圍塌方。掌子面及洞壁存在多處出水點，呈線流狀態(tài)，總出水量約80m3/h，目前，水量有衰減趨勢。該處地表位于牌路溝上部，溝內(nèi)無常流水，初步判斷地下水為基巖裂隙水，與地表無水力聯(lián)系。該段外運巖渣巖屑與粉末狀居多，約占70%，片塊狀巖渣約占30%。TBM掘進(jìn)該段的推力約為1600～3000kN，貫入度多為14～18mm/r。綜合判斷，該段圍巖穩(wěn)定性極差，為Ⅴ類圍巖。

根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果，掌子面前方30m范圍內(nèi)，圍巖地質(zhì)條件與掌子面類似，巖體破碎，出現(xiàn)塌方的風(fēng)險仍較大。

2 破碎帶處理措施及過程分析

2.1 刀盤脫困

2017年9月13日凌晨5:50，TBM2掘進(jìn)至樁號T19+747.838位置，由于連續(xù)皮帶故障停機(jī)，導(dǎo)致掘進(jìn)中斷，經(jīng)1.5h處理后連續(xù)皮帶恢復(fù)運行，但經(jīng)過多次嘗試，刀盤無法重新啟動，且不能后退，初步判斷刀盤及前盾被巖渣壓住，施工現(xiàn)場立即組織人員拆除部分刀具，進(jìn)行掌子面的積渣清理工作(刀盤內(nèi)清渣情況如圖2所示，圍巖情況如圖3所示)。

圖2 刀盤內(nèi)清渣

圖3 圍巖狀態(tài)

2017年9月19日下午17:33刀盤成功啟動并進(jìn)行掘進(jìn)，至9月20日早7:05總共掘進(jìn)1.20m，出渣量約700m3，是正常出渣量的16倍(正常出渣量43m3)，掌子面伴隨大量滲水。結(jié)合洞內(nèi)巖渣情況、掘進(jìn)參數(shù)及三維地震預(yù)報結(jié)果分析，推測前方存在30m左右的破碎帶。參建單位各方分析討論，認(rèn)為繼續(xù)掘進(jìn)存在一定風(fēng)險，決定暫時停止掘進(jìn),進(jìn)行破碎帶加固處理。

2.2 破碎帶灌漿加固處理

2017年9月21日，邀請具有類似工程問題處理經(jīng)驗的TBM專家現(xiàn)場召開討論會，確定了先對掌子面前上方破碎巖體進(jìn)行灌漿加固，再掘進(jìn)的處理思路[3]。

2017年9月22—27日，通過刀盤頂部鏟斗和邊刀，采用錘擊法沿斜上方打入自制灌漿管，進(jìn)行化學(xué)灌漿，灌注化學(xué)漿液2.15t。由于灌漿管進(jìn)入巖體深度有限(2～3m)，且掌子面滲水嚴(yán)重，化灌材料反應(yīng)時間過長，造成大部分化灌材料被水流沖出，未達(dá)到理想的加固效果(造孔灌漿實施情況如圖4、圖5所示)。

圖4 刀盤打孔

圖5 刀盤內(nèi)灌漿管

2017年9月30—10月4日，通過對部分鏟斗齒和刀孔進(jìn)行封堵后，嘗試掘進(jìn)通過破碎帶。TBM2試掘進(jìn)了3m，出渣量約500m3，掘進(jìn)期間主機(jī)皮帶多次因渣量超載，溢出皮帶，且刀盤內(nèi)積渣過多，被迫再次停機(jī)。

2017年10月5—11日，通過刀盤內(nèi)鏟斗、邊刀、面刀與刀座間的空隙，利用手風(fēng)鉆(YT-18)對掌子面及其上方破碎巖體進(jìn)行鉆孔，孔深2～8m，灌注化學(xué)漿液4.18t(鉆孔布置示意圖如圖6所示)。

圖6 刀盤內(nèi)鉆孔示意圖

2017年10月12—13日，召開專家討論會，對制定方案進(jìn)行細(xì)化完善，形成了“化灌止?jié){墻+超前注漿”的加固方案，即先通過刀盤內(nèi)刀孔，利用手風(fēng)鉆鉆孔進(jìn)行化學(xué)灌漿，在刀盤前方3～5m形成止?jié){墻；止?jié){墻形成后，通過撐緊盾預(yù)留孔位，利用TBM設(shè)備超前鉆機(jī)造孔，采用化學(xué)灌漿和水泥灌漿相結(jié)合的方式加固前方破碎巖體，然后TBM掘進(jìn)。

2017年10月14—11月10日，現(xiàn)場根據(jù)方案對掌子面和前方破碎巖體進(jìn)行灌漿加固，使用灌注化學(xué)灌漿材料6.05t，水泥38.10t。在進(jìn)行刀盤內(nèi)化學(xué)灌漿材料及巖渣清理后，啟動刀盤，但多次因主機(jī)皮帶渣量超載而停機(jī)。

2017年11月15—12月2日，經(jīng)分析討論，判斷刀盤上方為灌漿加固薄弱部位，需要再次進(jìn)行加密鉆孔，補(bǔ)強(qiáng)灌漿效果。通過刀盤頂部邊刀、鏟斗，利用鑿巖機(jī)沿與洞軸線成約80°角方向鉆孔，實施化學(xué)灌漿，同時前盾尾殼左右兩側(cè)開孔進(jìn)行化學(xué)灌漿，合計灌注化學(xué)材料23.50t(鉆孔灌漿布置示意圖如圖7所示)。

2017年12月3—10日，刀盤內(nèi)灌漿錨桿拆除，化學(xué)灌漿材料清理，成功啟動刀盤，TBM順利掘進(jìn)，出渣量及掘進(jìn)參數(shù)均正常。2017年12月13日TBM2通過該破碎帶。

圖7 鉆孔灌漿布置示意圖

3 破碎帶處理的建議

3.1 地質(zhì)勘查及預(yù)報工作

3.1.1 地質(zhì)勘查

建議在工期、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件允許的情況下，對施工區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行詳細(xì)的勘查，針對探明的破碎帶等不良地質(zhì)段采用科學(xué)合理的預(yù)處理措施，降低雙護(hù)盾TBM通過不良地質(zhì)段的風(fēng)險和難度。

3.1.2 地質(zhì)預(yù)報工作

根據(jù)雙護(hù)盾TBM設(shè)備特點和施工條件，選擇有效的超前預(yù)報方法，對掌子面前方圍巖情況進(jìn)行超前預(yù)報。結(jié)合巖渣形態(tài)、掘進(jìn)參數(shù)等數(shù)據(jù)，對超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果進(jìn)行分析，提高對前方圍巖情況判斷的精準(zhǔn)度，進(jìn)一步指導(dǎo)TBM施工[2]。

3.2 破碎帶處理的準(zhǔn)備工作

3.2.1 破碎帶處理預(yù)案

鑒于地下隧洞工程地質(zhì)條件具有不可預(yù)見性及雙護(hù)盾TBM對破碎帶等不良地質(zhì)的敏感性，建議在使用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行地下工程施工前根據(jù)現(xiàn)場情況，充分考慮設(shè)備、地質(zhì)等因素，編制科學(xué)合理并具有可實施性的破碎帶處理預(yù)案。

3.2.2 設(shè)備、材料采購及儲備

根據(jù)破碎帶處理預(yù)案，提前采購并儲備適量的設(shè)備、材料，避免因缺少設(shè)備材料造成現(xiàn)場破碎帶處理工作無法開展。

3.3 破碎帶處理的實施

3.3.1 鉆孔作業(yè)

在破碎帶處理過程中，務(wù)必安排專業(yè)人員實施鉆孔作業(yè)。根據(jù)刀盤內(nèi)施工條件，經(jīng)驗豐富的鉆孔作業(yè)人員可快速判斷使用什么鉆孔設(shè)備來滿足鉆孔需求，并根據(jù)鉆孔過程中鉆桿的壓力、行進(jìn)速度、聲音及巖粉等推斷前方巖石情況。超前鉆機(jī)應(yīng)該由具有相關(guān)經(jīng)驗的人員進(jìn)行操作，并要求超前鉆機(jī)廠家技術(shù)人員進(jìn)行現(xiàn)場指導(dǎo)，以發(fā)揮超前鉆機(jī)的最佳工作性能。

3.3.2 化學(xué)灌漿作業(yè)

化學(xué)灌漿與常規(guī)水泥灌漿有所不同，不同的化學(xué)灌漿材料之間也存在差異，所以化學(xué)灌漿施工前需要對化學(xué)灌漿材料進(jìn)行現(xiàn)場試驗，確定漿液配比、凝結(jié)時間等參數(shù)?；瘜W(xué)灌漿施工過程中，建議材料廠家的技術(shù)人員在現(xiàn)場對化學(xué)灌漿施工進(jìn)行技術(shù)指導(dǎo)，針對材料的性能、配比調(diào)整、操作過程、注意事項等進(jìn)行詳細(xì)的交底，確?；瘜W(xué)灌漿材料使用的安全和固結(jié)的效果。

3.3.3 刀盤啟動

在化學(xué)灌漿結(jié)束后，需要對灌漿錨桿進(jìn)行拆除，并對化學(xué)灌漿材料進(jìn)行清理，以便啟動刀盤。在施工過程中由于刀盤長期未轉(zhuǎn)動，可能存在化學(xué)灌漿材料過度擴(kuò)散，包裹刀盤，造成刀盤啟動困難的情況發(fā)生，耗費大量時間進(jìn)行處理。建議在施工條件允許的情況下，在破碎帶灌漿加固期間，定期轉(zhuǎn)動刀盤，以確保刀盤未被灌漿材料包裹。

3.4 雙護(hù)盾TBM改進(jìn)設(shè)計

3.4.1 刀盤改進(jìn)

對刀盤進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，精簡刀盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得刀盤內(nèi)具有良好的鉆孔施工空間，滿足通過刀盤對前方破碎巖體鉆孔施工的要求。比如在不影響刀盤功能的前提下，可以考慮在刀盤上預(yù)留孔位等。

3.4.2 盾體設(shè)計

雙護(hù)盾TBM的盾體包括前盾、伸縮盾、支撐盾和尾盾，采用階梯式設(shè)計，直徑依次縮小，有效降低了護(hù)盾被卡的風(fēng)險[4]。在滿足盾體功能的情況下，盡量縮短盾體長度，一定程度上可以降低卡機(jī)風(fēng)險。支撐盾尾部的超前鉆機(jī)預(yù)留孔位盡量考慮在頂部180°的范圍內(nèi)密集布置，通過鉆孔灌漿形成完整的頂拱，以增強(qiáng)對刀盤頂部破碎巖體的加固效果。

3.4.3 超前鉆機(jī)設(shè)計

超前鉆機(jī)的主要作用是在TBM設(shè)備遇到不良地質(zhì)條件時，進(jìn)行超前鉆孔灌漿，由于不良地質(zhì)的成孔條件一般較差，所以超前鉆機(jī)應(yīng)具成孔深、鉆灌一體的特點，以滿足不良地質(zhì)加固處理的施工要求。超前鉆機(jī)在廠內(nèi)和施工現(xiàn)場都應(yīng)進(jìn)行組裝調(diào)試，發(fā)現(xiàn)問題及時解決，以確保其在洞內(nèi)可以正常使用。

4 總 結(jié)

蘭州市水源地建設(shè)工程TBM2破碎帶處理遵循先對破碎巖體進(jìn)行灌漿加固、再掘進(jìn)的基本思路開展處理工作。邀請國內(nèi)外知名專家到施工現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，論證施工方案的可行性。由于缺乏對類似問題的處理經(jīng)驗，破碎帶加固處理進(jìn)展不順，存在設(shè)備材料短缺、方案執(zhí)行力不足、無專業(yè)技術(shù)人員指導(dǎo)等問題，增加了破碎帶處理時間。在推斷前方存在破碎帶后，應(yīng)立即組織人員設(shè)備進(jìn)行灌漿加固處理，而不是嘗試掘進(jìn)通過破碎帶，可大大降低破碎帶處理的施工難度，提高施工效率。蘭州市水源地建設(shè)工程TBM2歷時89天，通過灌漿加固處理，順利通過該破碎帶。