安 倉(cāng)

（中鐵十八局集團(tuán)隧道工程有限公司，新疆 博樂 833300）

使用TBM（Tunnel Boring Machine，即利用全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧道施工）方法進(jìn)行隧道工程施工，很難避開地質(zhì)條件較差的區(qū)域，較易出現(xiàn)TBM卡機(jī)現(xiàn)象，甚至直接導(dǎo)致工程受阻。為解決TBM卡機(jī)問題，有關(guān)機(jī)構(gòu)制定了多種脫困方案，如直徑8.0 m的敞開式TBM在密集地帶使用化學(xué)灌漿方式對(duì)隧道予以加固的方法[1]。采用這種方法雖然可以取得一定的效果，但是對(duì)于某些地質(zhì)狀況復(fù)雜的工程而言，會(huì)有諸多限制。本研究所依托的ABH引水隧洞Ⅳ標(biāo)項(xiàng)目工程主要位于新疆維吾爾自治區(qū)西部，隧洞呈圓形斷面，無壓流，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌，存在TBM卡機(jī)脫困問題，施工方案受到限制，鉆孔和灌漿加固方法不能有效實(shí)施?；诖?，本文提出了小直徑敞開式的TBM卡機(jī)脫困技術(shù)[2]，并結(jié)合ABH引水隧洞Ⅳ標(biāo)項(xiàng)目工程實(shí)際，設(shè)計(jì)了小直徑TBM在狹小空間使用鉆孔化學(xué)管徑加固方法快速擺脫TBM卡機(jī)的工程方案。

1 TBM卡機(jī)脫困技術(shù)研究方案

ABH引水隧洞Ⅳ標(biāo)項(xiàng)目工程2017年2月3日掘進(jìn)蝕變帶，特別是2017年8月1日進(jìn)入破碎帶后，先后出現(xiàn)TBM大小卡機(jī)20余次。根據(jù)對(duì)現(xiàn)有地質(zhì)資料及歷次卡機(jī)現(xiàn)象的整理分析，施工人員發(fā)現(xiàn)卡機(jī)的主要原因是：洞線穿越地層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，硬質(zhì)巖中夾小顆粒石渣，TBM進(jìn)入斷裂破碎及影響帶，在開挖后很短時(shí)間內(nèi)隧洞掌子面失穩(wěn)，出現(xiàn)坍塌現(xiàn)象，加之?dāng)嗔褞в克稹按呋瘎弊饔?，大量石渣涌入刀盤，主機(jī)皮帶被壓停，積渣將溜渣槽充填密實(shí)，刀盤下部刀腔被積渣充填，40%的刀盤空腔被填滿，最后導(dǎo)致出渣不及，刀盤無法有效轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而造成TBM卡機(jī)。因此，為了解決該問題，需對(duì)小直徑敞開式的TBM卡機(jī)脫困技術(shù)展開研究[3]。

1.1 前期TBM卡機(jī)脫困方案確定

因?yàn)橥C(jī)處理時(shí)間較長(zhǎng)，受到地下滲水影響，坍塌區(qū)域被刀盤反復(fù)切割后呈層狀連續(xù)剝落，松散層巖持續(xù)塌方，進(jìn)而形成較大空腔，導(dǎo)致錨桿前端被壓垮，刀盤被松散渣體卡死[4]。為解決這一問題，本文設(shè)計(jì)了前期TBM卡機(jī)脫困方案：

1）崩塌區(qū)域噴射鋼纖維混凝土。

2）利用手風(fēng)鉆打入直徑為25 mm的自進(jìn)式錨桿，錨桿深度可達(dá)到手風(fēng)鉆自掌子面前5～10 m左右，方便做花眼孔化學(xué)灌漿。

3）采用聚氨酯類堵水并加固材料，使刀盤上的石渣被固結(jié)，進(jìn)而形成一個(gè)殼體結(jié)構(gòu)。

4）采用人工清理方式，清理刀盤內(nèi)部石渣，方便刀盤隨時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。

5）封閉一般鏟斗，減少石渣產(chǎn)出量。

6）使用TH梁配合鋼板支護(hù)[5]。

根據(jù)上述前期TBM卡機(jī)脫困方案進(jìn)行了超前加固行為后，需進(jìn)行多次刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，方便對(duì)卡機(jī)脫困后續(xù)方案的實(shí)施[6]。

1.2 后期TBM卡機(jī)脫困方案確定

在前期脫困方案的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了后期脫困方案。

1.2.1 后期脫困施工工藝流程

確定后期脫困施工工藝流程如下：

1）施工準(zhǔn)備。

2）超前固結(jié)圍巖。

3）查看刀盤能否發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)？如果可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則表明TBM成功脫困；如果不可以轉(zhuǎn)動(dòng)，則表明需要人工清渣。

1.2.2 后期TBM卡機(jī)脫困方案

依據(jù)后期脫困施工工藝流程，設(shè)計(jì)了具體脫困方案。

1）超前固結(jié)圍巖

①刀盤內(nèi)超前堵水

施工人員通過主梁內(nèi)主機(jī)皮帶與主梁人孔進(jìn)入刀盤內(nèi)，利用風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)刀孔和刮渣斗等部位向掌子面進(jìn)行玻璃纖維自進(jìn)式中空注漿錨桿施工，并通過化學(xué)灌漿泵進(jìn)行化學(xué)灌漿，以固結(jié)掌子面塌方體[7]。具體技術(shù)要求如表1所示：

表1 刀盤內(nèi)超前堵水具體技術(shù)要求

根據(jù)施工角度不同，分區(qū)域布置不同長(zhǎng)度玻璃纖維錨桿，錨桿施工完成后采用化學(xué)灌漿泵進(jìn)行注漿，在注漿過程中如發(fā)現(xiàn)刀盤內(nèi)有化學(xué)灌漿液流入，則采用渣袋封堵。根據(jù)掌子面局部出水較多的情況，宜先從無水或少水位置注漿固結(jié)，最后采用固結(jié)時(shí)間較短、發(fā)泡倍率較高的堵水材料封堵出水較多的位置。注漿完成后清除刀座內(nèi)的堵塞物，并切除外露玻璃纖維錨桿[8]。

②防塵盾割孔

為保證不良地質(zhì)段TBM施工順利，使用液壓鉆機(jī)經(jīng)鏟斗鉆孔實(shí)現(xiàn)超前鉆孔注漿功能。具體技術(shù)要求如表2所示：

表2 防塵盾割孔具體技術(shù)要求

自進(jìn)式中空錨桿采用接桿施工，應(yīng)根據(jù)施工空間盡量減小錨桿外傾角，注漿時(shí)如刀盤內(nèi)出現(xiàn)漏漿，應(yīng)停止注漿[9]。通過防塵盾處超前化學(xué)灌漿對(duì)刀盤及掌子面上方的圍巖進(jìn)行加固，盡量減少刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)掉碴量[10]。

③頂護(hù)盾尾部超前固結(jié)圍巖施工

根據(jù)TBM設(shè)備護(hù)盾尾部施工空間，對(duì)頂護(hù)盾尾部超前固結(jié)圍巖進(jìn)行施工。具體技術(shù)要求如表3所示：

表3 頂護(hù)盾尾部超前固結(jié)圍巖施工具體技術(shù)要求

根據(jù)施工空間，錨桿有效長(zhǎng)度應(yīng)深入護(hù)盾中部，盡量減小錨桿外傾角，必要時(shí)按照設(shè)計(jì)通知對(duì)拱架腹板進(jìn)行造孔[11]。如果注漿時(shí)出現(xiàn)漏漿，則需立刻停止注漿，通過護(hù)盾頂部化學(xué)灌漿對(duì)護(hù)盾上方圍巖進(jìn)行加固，盡量減少刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的掉渣量。通過刀盤內(nèi)與護(hù)盾尾部化學(xué)灌漿，對(duì)前方圍巖形成長(zhǎng)度約3 m的止?jié){墻，同時(shí)設(shè)備上部形成相對(duì)穩(wěn)定自然拱圈，從而起到保護(hù)刀盤、防止設(shè)備被困的作用[12]。

（2）轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤與人工清渣

掌子面和護(hù)盾上方塌落體通過化學(xué)灌漿固結(jié)后，可嘗試采用脫困模式轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。TBM脫困模式為“電液混合動(dòng)力”脫困模式，使用2個(gè)液壓馬達(dá)和8個(gè)電機(jī)共同帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)。若刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)成功，則TBM卡機(jī)脫困成功；若刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)不成功，則進(jìn)行人工清渣。掌子面和護(hù)盾上方塌落體通過化學(xué)灌漿固結(jié)后，如刀盤未能成功轉(zhuǎn)動(dòng)，應(yīng)該是刀盤整體被石渣包裹，局部位置被塊石堵塞，導(dǎo)致刀盤啟動(dòng)失敗，解決該問題關(guān)鍵在于減少刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)阻力，讓刀盤啟動(dòng)后能有從零轉(zhuǎn)速到脫困轉(zhuǎn)速加速空間，降低驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在無實(shí)際動(dòng)作時(shí)靜止荷載[13]。此時(shí)可通過人工清理方式將刀座、刮渣斗等部位渣體全部清理干凈，確認(rèn)刀盤周圍無阻礙刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)渣體后，再次轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤實(shí)現(xiàn)最終脫困[14]。

1.3 TBM卡機(jī)脫困技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)掌子面和護(hù)盾頂部塌方體進(jìn)行固結(jié)和對(duì)刀盤周圍渣體進(jìn)行清理，啟動(dòng)刀盤并同時(shí)強(qiáng)制后退，刀盤脫困成功。脫困扭矩最高達(dá)到10000 kNm以上，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)后，扭矩在6000 kNm～9200 kNm之間跳動(dòng)[15]。經(jīng)過一定時(shí)間脫困轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤扭矩逐步下降到5000 kNm左右。但是當(dāng)?shù)侗P停轉(zhuǎn)較長(zhǎng)時(shí)間后，頻繁出現(xiàn)扭矩劇升至9000 kNm以上的現(xiàn)象。掘進(jìn)施工過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用正常模式，盡可能提高刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度，以控制和減少出渣量。在掘進(jìn)過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制出渣量，若出渣量超正常掘進(jìn)渣量1.5倍，立即停止掘進(jìn)，對(duì)掌子面進(jìn)行固結(jié)后再進(jìn)行掘進(jìn)。若設(shè)備無法在正常狀態(tài)下掘進(jìn)，需采用脫困模式施工。掘進(jìn)中嚴(yán)格遵守“短進(jìn)尺、緊支護(hù)、快推進(jìn)”的原則，單次掘進(jìn)長(zhǎng)度30 cm（拱架間距為30 cm），盡量使刀盤緊貼掌子面，同時(shí)，加強(qiáng)施工管理及設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)工作，減少停機(jī)時(shí)間，爭(zhēng)取TBM快速通過破碎帶。

2 實(shí)例分析

本文采用實(shí)例驗(yàn)證分析法對(duì)小直徑敞開式TBM卡機(jī)脫困技術(shù)的合理性展開研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置

選擇ABH引水隧洞Ⅳ標(biāo)項(xiàng)目工程作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)TBM卡機(jī)脫困技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證分析。ABH輸水隧洞長(zhǎng)41.823 km，最大埋深約2268 m，設(shè)計(jì)輸水流量70 m3/s，洞徑5.3 m。該標(biāo)段采用TBM和鉆爆法施工相結(jié)合方式，主要工程任務(wù)為17.2 km隧洞開挖支護(hù)和18.2 km二次襯砌施工。隧洞沿線存在高外水壓力與突涌水，隧洞圍巖變形大，強(qiáng)巖爆，高地溫，穿越大斷層破碎帶與巖體蝕變破碎帶等工程地質(zhì)問題。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

下文將根據(jù)條件設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，即分別在隧洞環(huán)境影響和人為因素影響條件下，對(duì)比分析傳統(tǒng)方案和本文設(shè)計(jì)之小直徑敞開式方案。

2.2.1 隧洞環(huán)境影響

在隧洞環(huán)境影響下，將傳統(tǒng)方案和小直徑敞開式研究方案進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 兩種方案在隧洞環(huán)境影響下之研究效果對(duì)比分析

由圖1可知：無論是在坍塌情況下還是在刀盤涌水情況下兩種研究方案的最初研究效果是一致的，只是傳統(tǒng)方案研究效果略低一些，但是，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，兩種方法研究效果都有所下降。當(dāng)時(shí)間為8：00時(shí)，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統(tǒng)方案研究效果分別為81%和78%；小直徑敞開式研究方案研究效果都為88%。當(dāng)時(shí)間為12：00時(shí)，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統(tǒng)方案研究效果分別為78%和60%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為85%和84%。當(dāng)時(shí)間為16：00時(shí)，在坍塌情況下和刀盤涌水情況下，傳統(tǒng)方案研究效果分別為70%和50%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為84%和78%。當(dāng)時(shí)間為20：00時(shí)，在坍塌情況下和刀盤涌水下，傳統(tǒng)方案研究效果分別為55%和35%，小直徑敞開式研究方案研究效果分別為80%和70%。由此可知，在隧洞環(huán)境影響下，小直徑敞開式研究方案對(duì)TBM卡機(jī)脫困技術(shù)研究效果較好。

2.2.2 人為因素影響

在人為因素影響下，將傳統(tǒng)方案和小直徑敞開式研究方案進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。

圖2 兩種方案在人為因素影響下研究效果對(duì)比分析

由圖2可知：當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為1時(shí)，傳統(tǒng)方案研究效果為61%，小直徑敞開式方案研究效果為66%。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為3時(shí)，傳統(tǒng)方案研究效果為48%，小直徑敞開式方案研究效果為70%。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為5時(shí)，傳統(tǒng)方案研究效果為40%，小直徑敞開式方案研究效果為83%。當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為6時(shí)，傳統(tǒng)方案研究效果為36%，小直徑敞開式方案研究效果為85%。由此可知，在人為因素影響下，小直徑敞開式研究方案對(duì)TBM卡機(jī)脫困技術(shù)研究效果較好。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，可得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：

在隧洞環(huán)境影響下，兩種研究方案在坍塌情況下比在刀盤涌水情況下研究效果要好，當(dāng)時(shí)間為16：00時(shí)，小直徑敞開式研究方案與傳統(tǒng)研究方案的研究效果相差最大。在人為因素影響下，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)為5時(shí)，小直徑敞開式研究方案與傳統(tǒng)研究方案的研究效果相差最大，最大值為43%。因此，小直徑敞開式的TBM卡機(jī)脫困技術(shù)運(yùn)用是合理的。

3 結(jié)束語

3.1 結(jié)論

ABH引水隧洞Ⅳ標(biāo)項(xiàng)目工程TBM脫困施工，通過超前固結(jié)圍巖、刀盤刀座清理以及電液雙驅(qū)脫困等方法成功地處理了由于刀盤前方、盾體周圍圍巖坍塌等造成的卡機(jī)，為后續(xù)積極應(yīng)對(duì)小直徑敞開式TBM在施工過程中出現(xiàn)的這類問題積累了寶貴施工經(jīng)驗(yàn)，亦可在同類工程中推廣應(yīng)用。

3.2 未來展望

開展TBM卡機(jī)脫困技術(shù)研究，科學(xué)預(yù)測(cè)破壞機(jī)理，能夠?yàn)榇┰綌鄬悠扑閹┕ぬ峁├碚撝С?。雖然該技術(shù)具有較高研究效果，但是對(duì)于圍巖變形狀況，還有待分析。因此，在未來研究中，需要針對(duì)圍巖變形的TBM卡機(jī)脫困技術(shù)進(jìn)行深入分析，進(jìn)而提出更加合理的方案，保障施工方案的有效實(shí)施。