楊鯤鵬

（山西省水利建筑工程局有限公司 山西太原 030006）

1 施工及脫困過程

山西省中部引黃工程TBM2標(biāo)段隧洞工程施工中TBM掘進(jìn)至樁號106+402.8時，被洞壁左上方塌落的圍巖將前護(hù)盾壓住卡死。經(jīng)過多次大推力嘗試脫困失敗后，打開伸縮盾，從洞壁左側(cè)擴(kuò)挖小導(dǎo)洞后成功脫困。經(jīng)過兩個班的掘進(jìn)，共掘進(jìn)11 m后發(fā)生刀盤被壓，嘗試轉(zhuǎn)動刀盤時，因扭矩太大，多次切斷主電機(jī)安全銷，決定通過滾刀孔對刀盤前上方進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿，以阻止不斷塌落的石渣傷及清渣人員。10 d化學(xué)灌漿后，清空了刀盤右半側(cè)石渣后，再次嘗試轉(zhuǎn)動刀盤和推進(jìn)、回退刀盤，最大扭矩5 200 hNm多，推力19 000 kN，刀盤、前盾紋絲不動。之后慢慢打開伸縮盾，打開過程中左上方掉落很多石渣塊。從打開的伸縮盾后觀察，護(hù)盾左側(cè)10:00～11:00方位破碎嚴(yán)重，發(fā)生坍塌，塌方空腔深1.5 m左右，8:30～10:00方位松散破碎，左側(cè)前、后護(hù)盾均被塌方巖石緊緊抱死。11:00～2：00方位膨脹巖石突入護(hù)盾內(nèi)，2:00～3:00方位圍巖較完整，緊貼護(hù)盾；3:00～5:00間護(hù)盾與圍巖間有1 cm縫隙。之后清理左側(cè)塌落石渣后，11：00方位呈現(xiàn)一個洞徑3 m左右，深達(dá)5 m以上的空腔。圍巖呈黑色光亮油脂面，為石墨化碎裂角礫巖，夾雜灰、白、綠色變質(zhì)巖。之后從左側(cè)尾護(hù)盾割開一個1 m寬、1.5 m高的窗口向前擴(kuò)挖小導(dǎo)洞約2 m時，小導(dǎo)洞掌子面方向發(fā)生坍塌，清理石渣后小導(dǎo)洞與伸縮盾處的空腔連成一體，總長度10 m左右。

2 卡機(jī)原因地質(zhì)分析

2.1 施工過程圍巖揭露情況

TBM在主洞掘進(jìn)過程中，在樁號總106+410處圍巖開始發(fā)生變化，掌子面原為巖層寒武系中統(tǒng)張夏組白云質(zhì)石灰?guī)r變?yōu)樵谧髠?cè)面出現(xiàn)綠泥石化偉晶花崗巖、黑云斜長片麻巖、石墨化碎裂角礫巖。到樁號總106+405時左側(cè)變質(zhì)巖和角礫巖有增加的趨勢，而掘進(jìn)至樁號總106+402.8時機(jī)頭護(hù)盾被坍塌體抱死卡機(jī)。采用人工開挖手段脫困，掘進(jìn)至樁號總106+391.8。這時掌子面大部分為石墨化碎裂角礫巖，其右側(cè)局部為黑云斜長片麻巖，巖體整體為松散巖體，坍塌嚴(yán)重，開始時刀盤被包裹卡死，以后護(hù)盾被坍塌體包裹造成卡機(jī)。

施工過程從樁號總106+410至106+391共19 m的洞段，圍巖由白云質(zhì)灰?guī)r從左側(cè)向右側(cè)逐漸被石墨化碎裂角礫巖和黑云斜長片麻巖、綠泥石化的偉晶花崗巖取代，兩次卡機(jī)皆因斷層帶碎裂松散體坍塌收斂變形造成。

2.2 地質(zhì)分析

本設(shè)計洞段為向斜構(gòu)造，核部為寒武系上統(tǒng)崮山組、長山組和鳳山組白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)條帶灰?guī)r、竹葉狀灰?guī)r和白云質(zhì)泥巖等。圍巖類別為Ⅲ—Ⅳ類。樁號總106+410以前揭露地層為寒武系中統(tǒng)張夏組白云質(zhì)灰?guī)r，是背斜翼部地層由老至新正常層位。此點(diǎn)之后地層從掌子面左側(cè)向右側(cè)漸由變質(zhì)巖和碎裂角礫巖取代。見地質(zhì)素描圖（圖1）。

圖1 樁號總106+410～總106+391洞段地質(zhì)素描示意圖

由揭露地層可見洞段左側(cè)為變質(zhì)巖和角礫巖，右側(cè)為寒武系白云質(zhì)灰?guī)r層。變質(zhì)巖中花崗偉晶巖脈由斜長石、云母、石英組成經(jīng)動力作用已具綠泥石化和高嶺石化，碎裂疏松狀，手捏破碎呈砂狀。碎裂角礫巖明顯受動力作用呈透鏡體狀碎塊具石墨化，其表面石墨化和糜棱巖化特征明顯，巖塊鏡面銀灰黑色，擦痕居多，呈長條狀，油膩油脂光滑，巖石表面已無法看出原巖特征。斷口可見原巖，可能為黑云斜長片麻巖或黑云變粒巖。石墨化使原巖石呈黑色，結(jié)構(gòu)因受動力作用撓動，呈雜亂片狀，具碎裂結(jié)構(gòu)，手捏片狀粉碎，巖體揉皺強(qiáng)烈，呈碎裂散體。

由此推測本斷層上盤將太古界奧家灣組逆沖抬升至洞線以上，而已開挖洞段為斷層下盤地層為寒武系中統(tǒng)張夏組灰?guī)r和寒武系底部砂巖。寒武系底部砂巖超覆沉積于下伏太古界奧家灣組之上，呈角度不整合接觸關(guān)系，其接觸帶下伏為古風(fēng)化殼。古風(fēng)化殼主要巖性為黑云斜長片麻巖、偉晶花崗巖、黑云變粒巖、鉀長黑云斜長片麻巖，在25#支洞與主洞交匯處揭露可見，其強(qiáng)風(fēng)化層厚度可達(dá)20余m，目前斷層帶正處于古風(fēng)化殼內(nèi)。

從斷層碎裂角礫巖蝕變程度和原巖恢復(fù)可見，石墨化碎裂角礫巖是由黑云斜長片麻巖和黑云變粒巖受斷層動力作用變質(zhì)而成；綠泥石化偉晶花崗巖是原偉晶花崗巖經(jīng)綠泥石化和碎裂作用形成的。

斷層從地表追索和斷層面地質(zhì)測量其產(chǎn)狀為N20°E/NW 或 SE∠75°，為逆斷層，具壓扭性，由地表追索斷層延伸大于5 km。根據(jù)以往工程施工經(jīng)驗(yàn)，洞線斷層直交時，其影響帶寬度一般為50 m，由于斷層與洞線夾角較小，初步估算本斷層線與洞軸線間破碎帶寬度假設(shè)為50 m時，斷層走向線與洞線交角13°左右，其隧洞需穿越斷層影響帶長度約210 m。本斷層具有壓扭性，斷層帶原始巖層為古風(fēng)化殼變質(zhì)巖層，巖體經(jīng)斷層動力作用，圍巖為碎裂角礫巖，呈疏松碎裂散體，完整性和穩(wěn)定性很差。

本洞段埋深約450 m，地下水為變質(zhì)巖類裂隙水和寒武奧陶系碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。目前僅有少量地下水滲出。

2.3 分析結(jié)論

1）兩次卡機(jī)是因不良地質(zhì)斷層破碎帶中碎裂角礫巖坍塌收斂變形裹抱機(jī)頭護(hù)盾、刀盤引起的卡機(jī)。

2）斷層碎裂角礫巖帶是由太古界奧家灣組黑云斜長片麻巖、黑云變粒巖和偉晶花崗巖，經(jīng)斷層動力作用再變質(zhì)后形成，斷層帶正處于古風(fēng)化殼內(nèi)，呈碎裂疏松狀態(tài)，穩(wěn)定性極差，寬度約50 m，沿洞線長度約210 m。

3 脫困施工方案

脫困施工原則：1）擴(kuò)挖小導(dǎo)洞，挖除護(hù)盾及刀盤周邊圍巖，使護(hù)盾、刀盤脫困；2）擴(kuò)挖，從護(hù)盾兩側(cè)同時對前后護(hù)盾進(jìn)行擴(kuò)挖；3）擴(kuò)挖前及擴(kuò)挖過程中，及時觀察圍巖穩(wěn)定情況，如圍巖破碎，難以自穩(wěn)，則對圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿，確保擴(kuò)挖人員安全；4）TBM脫困成功后，可對掌子面前方圍巖進(jìn)行超前固結(jié)灌漿處理，防止再次卡機(jī)。

3.1 脫困施工方案

1）護(hù)盾兩側(cè)擴(kuò)挖、剝離圍巖石渣

（1）右側(cè)從伸縮護(hù)盾處從腰線以下開始擴(kuò)挖小導(dǎo)洞，分別向護(hù)盾前、后方向同時進(jìn)行擴(kuò)挖，直至刀盤。再從伸縮盾開始，對腰線以上護(hù)盾前后方向同時擴(kuò)挖至1點(diǎn)鐘方向（見圖2）。

圖2 TBM脫困開挖、灌漿示意圖

（2）由于左側(cè)圍巖發(fā)生坍塌，圍巖松散，不能自穩(wěn)。為了確保擴(kuò)挖人員安全作業(yè)，在左側(cè)坍塌空腔及圍巖進(jìn)行充填、化學(xué)固結(jié)灌漿前，先對尾護(hù)盾處腰線以下切割一個1 m寬、1.5 m高的窗口，從窗口向前進(jìn)行擴(kuò)挖?；瘜W(xué)固結(jié)灌漿成功后，再從伸縮盾進(jìn)行擴(kuò)挖，擴(kuò)挖至圍巖破碎時停止擴(kuò)挖，用手風(fēng)鉆鉆孔對破碎圍巖進(jìn)行化學(xué)固結(jié)灌漿。當(dāng)化學(xué)固結(jié)灌漿體強(qiáng)度大于10 MPa后，再進(jìn)行小導(dǎo)洞擴(kuò)挖。按化灌——擴(kuò)挖——再化灌——再擴(kuò)挖的方式循環(huán)擴(kuò)挖直至刀盤。每循環(huán)化灌3 m（根據(jù)現(xiàn)場條件施作），開挖2.5 m，待小導(dǎo)洞挖成后，將重新卷制的同弧度同厚度錳鋼尾護(hù)盾片焊接到原切割窗口上（由于護(hù)盾緊貼圍巖，切割窗口護(hù)盾無法整體成形割除）。

（3）小導(dǎo)洞規(guī)格：寬1 m，高1.5 m（根據(jù)實(shí)際情況向上擴(kuò)挖至頂部），前方至刀盤，后方至尾護(hù)盾，使緊抱護(hù)盾、刀盤的圍巖石渣剝離。

（4）擴(kuò)挖過程中，及時采用方木、木板、工字鋼等材料對導(dǎo)洞頂、側(cè)部進(jìn)行支撐、防護(hù)，防止落石傷人。同時必須有安全員現(xiàn)場旁站，監(jiān)視圍巖變化，發(fā)現(xiàn)有圍巖松動、滑落可能時，及時撤出作業(yè)人員（見圖3）。

圖3 小導(dǎo)洞支護(hù)

2）左側(cè)空腔充填及左側(cè)圍巖化學(xué)固結(jié)灌漿

針對洞壁左側(cè)尾護(hù)盾8:00至前護(hù)盾11:00點(diǎn)方位上部坍塌形成約直徑3 m左右、深度10 m左右的空腔，對左側(cè)下部的導(dǎo)洞開挖構(gòu)成嚴(yán)重的安全隱患，容易造成更深部圍巖的更嚴(yán)重的垮塌。須要及時進(jìn)行處理。

（1）將塌落破碎巖石清除干凈，用方木、木板在空腔口做支撐，用加固型化學(xué)灌漿材料固結(jié)支撐結(jié)構(gòu)，再對上方的冒落空腔進(jìn)行快速充填密封密閉，以期能防止冒落坍塌區(qū)域深部巖層的繼續(xù)垮落，進(jìn)而防止地層應(yīng)力的集中沖擊。同時，防止左側(cè)小導(dǎo)洞開挖時上部破碎巖石的垮落。

充填發(fā)泡化學(xué)漿液具有較大的快速膨脹特性，且具有優(yōu)異的壓縮韌性，可以有效充填空腔。加固用化學(xué)漿液是一種液態(tài)改良型有機(jī)高分子材料，通過雙液注漿泵按照1∶1比例注入導(dǎo)洞周邊松散巖體中，能迅速生成高強(qiáng)度、高韌性的聚合物，把松散的不連續(xù)的巖層膠結(jié)成連續(xù)完整的受力體，達(dá)到加固和補(bǔ)強(qiáng)破碎巖體的效果。充填用化學(xué)漿液技術(shù)參數(shù)見表1。

加固化學(xué)灌漿材料技術(shù)參數(shù)見表2。

施工方法：從左側(cè)伸縮盾10:00方向處，采用加固型化學(xué)灌漿材料固結(jié)2 m厚支撐面，同時預(yù)埋4根4分5 m左右長鋼管伸到空腔最里面的頂部，待材料固結(jié)強(qiáng)度大于10 MPa時利用空腔里埋設(shè)的充填注漿管對空腔進(jìn)行充填注漿（見圖4）。

（2）空腔化學(xué)充填后，再對即將開挖的小導(dǎo)洞周邊圍巖進(jìn)行加固，以期控制小導(dǎo)洞的頂部及側(cè)幫的穩(wěn)定性，提高整體承載性，不發(fā)生片幫落石事故，保證左側(cè)小導(dǎo)洞的順利擴(kuò)挖。

表1 填充用化學(xué)漿液技術(shù)參數(shù)

表2 加固化學(xué)灌漿技術(shù)參數(shù)

圖4 坍塌空腔化學(xué)充填灌漿示意圖

參照材料的擴(kuò)散性能，加固導(dǎo)洞上部2 m左右的破碎體，設(shè)計一排注漿孔，間距1.5 m。鉆孔長度及角度見圖5，鉆孔直徑如能成孔采用Φ42 mm，如不能成孔采用D25中空注漿錨桿。

圖5 化學(xué)固結(jié)灌漿鉆孔示意圖

注漿鉆孔前首先在伸縮盾開口處鉆1.5 m深2個注漿孔，對伸縮盾處圍巖進(jìn)行固結(jié)并開挖后，再向前護(hù)盾、后護(hù)盾圍巖鉆孔注漿進(jìn)行固結(jié)。采取固結(jié)一段、開挖一段的方法，直至小導(dǎo)洞挖至刀盤前，將壓死護(hù)盾、刀盤圍巖剝離。

（3）充填、固結(jié)用化學(xué)灌漿材料使用前必須進(jìn)行灌漿試驗(yàn)，以確定灌漿作業(yè)參數(shù)。

（4）左右兩側(cè)小導(dǎo)洞開挖過程中，根據(jù)圍巖松散情況，對小導(dǎo)洞周圍巖體進(jìn)行固結(jié)、開挖、再固結(jié)、再開挖的形式邊固結(jié)、邊開挖，直至TBM脫困。

3.2 脫困后施工方案

TBM脫困后，根據(jù)掌子面前方圍巖破碎情況，采用以下方法掘進(jìn)、固結(jié)圍巖：

1）對31#～33#滾刀分別增加1～5 cm擴(kuò)挖墊塊，采用擴(kuò)大開挖直徑的方法，為圍巖收斂提供收斂空間，減少擠壓強(qiáng)度，防止護(hù)盾被卡，以使TBM順利通過斷層。

2）與業(yè)主協(xié)調(diào)聯(lián)系羅賓斯公司，購置一臺套主驅(qū)動電機(jī)及配套設(shè)施，以增加刀盤扭矩，應(yīng)對后續(xù)不良地質(zhì)條件下施工。

3）掘進(jìn)時采用適當(dāng)加大轉(zhuǎn)速，提高出渣能力，必要時可拆除幾把滾刀，提高出渣能力。同時要求TBM連續(xù)掘進(jìn)，避免停機(jī)，以減少刀盤阻矩，避免被卡住。

4）利用超前鉆機(jī)和刀盤人工鉆孔相結(jié)合，根據(jù)圍巖情況，采取超前化學(xué)固結(jié)灌漿3 m、水泥基灌漿12 m循環(huán)進(jìn)行的固結(jié)方法，對掌子面前方和前護(hù)盾上前方破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)，形成巖殼，避免坍塌圍巖卡住刀盤、護(hù)盾。

5）由于石墨化碎裂角粒巖遇水軟化膨脹，機(jī)頭刀盤噴水容易造成裹刀卡機(jī)，故采用泡沫潤滑劑替代清水向圍噴射壓塵降溫，降低噴水對圍巖的影響。同時對護(hù)盾與坍塌圍巖間加注潤滑劑，減小圍巖對護(hù)盾的摩擦阻力。

化學(xué)固結(jié)漿液采用護(hù)盾側(cè)圍巖固結(jié)用加固化學(xué)灌漿材料。

水泥基HC注漿材料具有防水，堵水，加固圍巖于一體的具有速凝、早強(qiáng)、抗?jié)B、微膨脹、無毒、無害不含氯化物特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)見表3：

施工方法：

表3 水泥HC注漿材料技術(shù)指標(biāo)

1）用超前鉆機(jī)超前鉆孔固結(jié)。采用超前鉆機(jī)對掌子面前上方進(jìn)行注漿。注漿材料根據(jù)圍巖情況選用化學(xué)注漿液或者水泥基注漿料，鉆孔深度10～30 m，可對刀盤前方30 m范圍內(nèi)破碎圍巖進(jìn)行固結(jié)。

2）采用人工鉆孔超前固結(jié)。由于刀盤空間有限，人工鉆孔固結(jié)法從刀盤滾刀倉處利用氣腿風(fēng)鉆和手持式氣動錨桿鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔?？紤]前方圍巖破碎容易塌孔，采用中空玻璃鋼自進(jìn)式錨桿或者空心錨桿注漿。

中空錨桿直徑D25 mm，鉆孔長度3 m，角度：中間鉆孔水平鉆進(jìn)，四周鉆孔外傾與護(hù)盾殼成30°。共7個注漿鉆孔。詳見圖6、圖7，注漿工藝見圖8。

圖6 刀盤前方超前化學(xué)固結(jié)灌漿示意圖

圖7 人工鉆孔超前固結(jié)灌漿孔位圖

圖8 注漿工藝簡圖

4 脫困施工進(jìn)度計劃

為了盡早使TBM脫困，恢復(fù)掘進(jìn)，通過斷層帶，根據(jù)現(xiàn)場情況，開始邊超前固結(jié)灌漿邊掘進(jìn)，爭取早日通過此斷層破碎帶。具體計劃如下：

1）繼續(xù)擴(kuò)挖護(hù)盾右側(cè)小導(dǎo)洞，借助液壓劈裂機(jī)、膨脹劑等工具、材料，不間斷擴(kuò)挖，爭取早日完成右側(cè)壓死護(hù)盾圍巖的剝離。

2）督促化學(xué)固結(jié)灌漿廠家到達(dá)工地，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)后進(jìn)洞化學(xué)灌漿。3 d后先對左側(cè)塌方空腔進(jìn)行充填灌漿，之后對伸縮盾開口處圍巖鉆孔化灌固結(jié)。固結(jié)后人工開挖小導(dǎo)洞。根據(jù)現(xiàn)場條件，固結(jié)一段、開挖一段，完成左側(cè)壓死護(hù)盾圍巖的剝離。

3）繼續(xù)掘進(jìn)時，對掌子面超前固結(jié)灌漿一段掘進(jìn)一段的方式。按鉆孔、固結(jié)灌漿、掘進(jìn)為一個循環(huán)2.5 m計算，鉆孔5 h，灌漿5 h（由圍巖破碎、注漿量決定），掘進(jìn)1 h，一個循環(huán)11 h，一天可掘進(jìn)2個循環(huán)5 m，通過210 m破碎帶需要42 d，即通過斷層帶。斷層帶按50 m計算，通過斷層需要10 d。

本階段卡機(jī)工程按此方案，經(jīng)歷15個工作日安全順利脫困。