基于TBM掘进隧洞塌方洞段处理措施

基于TBM掘进隧洞塌方洞段处理措施
梁峰
【摘要】地下工程前期地质勘察受地形、地表覆盖及勘察手段等因素影响不可能准确反映实际地质情况,因TBM掘进速度较快、观察掌子面相对钻爆法较难,在遇到不良地质洞段如布置不当很容易造成TBM卡机事故,文章针对TBM掘进深埋、超长、陡坡支洞过程中面对此类情况不同的处理措施对TBM设备安全、工期、经济投资等均有不同程度的影响,文章章结合新疆某输水工程TBM掘进施工支洞遇到的一次TBM卡机脱困施工经验,总结出TBM面对隧洞塌方卡机脱困施工理念,以便供类似工程参考.
【期刊名称】《黑龙江水利科技》
【年(卷),期】2018(046)006
【总页数】4页(P56-59)
【关键词】TBM掘进;隧洞;TBM卡机;塌方段;TBM卡机
【作者】梁峰
【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐830000
【正文语种】中文
【中图分类】TV52
1 工程概况
T4支洞为2台TBM进入通道，长度约6443.73m，前500m为钻爆法施工，其
余洞段采用TBM掘进机开挖，开挖直径为8.5m。

支洞综合纵坡为11%(即6°)。

主要岩性为第三系泥岩、泥质砂岩，厚30m；下伏泥盆系凝灰质砂岩，厚层状结构，岩石坚硬，岩体完整，隧洞主要位于泥盆系凝灰质砂岩内，石英含量一般为5%--10%。

2 TBM卡机
本台 TBM 设备为美国罗宾斯公司(ROBBINS COMPANY)生产的MB283-380 硬
岩敞开式掘进机。

2016年8月12日TBM掘进至桩号0+717m处遇到断层破碎带，破碎带以洞轴线为界，掘进方向左侧充填物为凝灰质砂岩，粒径2-20cm，右侧充填物为细砂堆积物，呈松散状，松散系数1.5，无自稳能力，开挖后自然坍塌。

本段岩性为石炭系凝灰质砂岩，岩体结构面较发育，倾向以NW(北东)、NE(北西)为主，倾角陡。

沿大的结构面和节理密集处，见锈染。

在桩号0+699m揭露
F304构造破碎带，走向与洞线夹角较小，倾角陡。

组成物质为碎裂岩，呈强、弱风化状态。

桩号0+699-0+717m上半拱顶大面积连续塌方。

塌落物质一般呈5-15cm黄褐色碎块状，拱顶右侧滴水，局部线状流水。

围岩不能自稳，为V类围岩。

从2016年8月9日-2016年8月12日，TBM掘进遇到断层5d时间，TBM缓慢向前推进15m，8月12日，TBM掘进1m后至桩号0+717处卡机，
刀盘无法转动。

3 TBM脱困方案
2016年8月15日，就TBM卡机脱困事件，参加各方认真分析研究及借鉴以往
工程经验，认为化学注浆是TBM脱困的有效手段。

并就TBM脱困需根据如下原
则实施：①TBM脱困施工，要安全第一，已立钢拱架重新加固；②需尽快开展超
前地质预报，准确的掌握地质情况是直接决定处理措施和TBM脱困时间[1]。

3.1 地质预报
为保证TBM正常施工，弥补地质资料不足及时了解施工区掌子面前方的地质条件。

TBM卡机发生后，2016年8月18日—8月23日，对隧洞内对掌子面前方进行TRT6000测试，并在地表进行EH4测试，测试桩号：0+717-0+950m预报距离233m。

经综合分析，预测结果见表1。

根据EH-4、TRT6000仪器预报距离233m的范围内测试的结论报告，TBM开挖洞线，F304断裂构造、F304次级断裂构造，F304-1断裂构造破碎带，不仅规模大，而且出现的频率高[2]。

表1 0+717-0+950段地质预报结论序号桩号/m长度/m推断结果10+717-
0+75033为断裂构造F304主要影响区,岩体较破碎-破碎,存在大面积掉块、塌方
可能。

地下水以滴水为主,局部线状流水,隧洞右侧地下水相对发育。

围岩为Ⅴ类围
岩为主。

断层产状约为351°NE∠60-80°20+750-0+78535为F304次要影响区,
受F304断层影响岩体较破碎,存在大的掉块、塌方可能。

地下水以滴水为主,局部
线状流水。

围岩为Ⅳ-Ⅴ类围岩。

30+785-0+81530岩体完整性差-较破碎,存在大的掉块可能。

地下水以局部滴水为主。

围岩以Ⅲ类围岩为主,围岩质量较前段落稍好。

40+815-0+83520为断裂构造F304-1破碎带,岩体完整性差-破碎,存在大的
掉块、塌方可能。

地下水以滴水为主,局部线状流水。

围岩为Ⅳ-Ⅴ类围岩。

50+835-0+950115岩体较完整-完整性差,局部存在掉块可能。

裂隙水不发育,局
部滴水。

围岩为Ⅲ-Ⅱ类围岩。

3.2 脱困方案
根据揭露出的岩层，从桩号0+699m处开始进入断层，岩性为泥盆系凝灰质砂岩，断裂结构，岩体较破碎，呈碎块状，块状大小5-20cm，结合能力差，有细颗粒掉落，地下水以滴水为主，局部线状流水，围岩不能自稳，为Ⅴ类围岩。

为保证刀盘段处理过程中的作业环境安全，加固范围延长5m。

处理该段时首先加固护盾后方已经初支段，为现场作业提供安全的作业环境，确保处理过程中作业人员和现场设备的安全。

然后加固护盾上部及刀盘上部和前方的坍塌体，形成有自稳能力的壳体。

3.2.1 护盾后方塌方段加固
采取φ22钢筋排(130°随机钢筋排)+HW150型钢支护，锁脚锚杆三点式锁紧,围岩收敛变形段钢拱架加密，拱架之间采用10#槽钢纵向连接，增加该段拱架的整体刚度，形成稳定的受力结构。

喷射作业分段、分片、分层，由下而上进行。

在TBM后支撑部位设置平台增加2台TK600A型湿喷机人工手持喷枪喷射C25混凝土，初喷厚度为10mm，待到喷混凝土台车补喷厚度至20mm。

φ32自进式锚杆注浆加工示意图见图1。

图1 φ32自进式锚杆注浆加工示意图
护盾后方安装好拱架段，采用用YT-28手风钻打φ32自进式锚杆进行径向注浆，φ32自进式锚杆长度根据松散体厚度确定，直至未松动岩体，超过3米时，自进式锚杆尾部用专用连接套加长，固结注浆管布设于松散体内，浆液采用HC高强注浆料浆液，水泥为HC高强注浆料，注浆压力控制在0.2MPa。

注浆孔尾部用堵漏剂将孔周围封堵密实，防止漏浆，在管尾安装Φ32止浆闸阀，开始注浆，注浆时先注奇数排，再注偶数排，注每排时，先注奇数孔，再注偶数孔。

注浆孔布置在拱角以上120°范围，弧长8.9m，环间距1m，每环布置6-9个注浆孔，注浆孔排距1m，前排和后排注浆孔交叉布置，见图2所示。

图2 护盾后注浆孔交叉布置图
注浆浆液配合比为0.3∶1-0.5∶1，单液注浆材料注浆渗漏时，采用双液(注浆材料水泥浆+水玻璃，配比为1∶1)进行堵漏，当注浆压力达到0.2MPa并稳定压力保持5min，即结束该孔注浆。

当发生单孔进浆量达到0.8m3时，仍无压力，该孔采用间歇式注浆。

3.2.2 护盾顶部及刀盘周围化学注浆
F304断裂构造破碎带的塌方体全部压在刀盘和护盾上部，刀盘无法转动，用有机化学浆液使其护盾及刀盘周边松散及裂隙区发泡膨胀胶凝固化，对顶拱固结注浆起
封堵作用，同时可保护刀盘，防止下一步高强注浆材料浆液进入刀盘[3]。

1)刀盘周围：掌子面右上方坍塌导致TBM刀盘被卡，刀盘前方3-5m、刀盘上部
3-7m范围内为松散体，根据刀盘前面围岩破碎情况，在机头架和刀盘衔接处开口，采用YT-28手风钻打φ32自进式锚杆进行注浆，注浆孔与岩面角度为10°-45°，锚杆长度按现场围岩破碎松散厚度而定。

2)护盾顶部：采取化学注浆的方式，在护盾上方松散体形成一个密封的壳体，形成一定强度具有自稳能力的隔层，为下一步用用高强注浆材料固结加固护盾上方松散体做准备。

采用YT-28手风钻打φ32自进式锚杆进行注浆，注浆孔与岩面角度为10°-15°，环向间距1.5m，锚杆长度根据围岩破碎松散程度为而定，见图3。

图3 护盾顶部注浆示意图
化学材料主要为封闭刀盘及护盾。

使得进行上方岩体固结注浆时，对刀盘和护盾起到保护作用。

材料技术参数见表2。

表2 材料技术参数产品特性性能指标A组分B组分外观淡黄色或无色透明液体深
褐色液态使用配比/体积比1∶1膨胀倍数≥10发泡特性两种材料混合自然发泡抗
压强度/MPa≥10抗拉强度/MPa≥1.0抗剪强度/MPa≥1.0黏结强度/MPa≥1.0阻燃特性满足矿井下用聚合物制品MT113-1995技术标准
化学注浆施工过程：①现场安装好气动注浆泵后，先进行试运行，检查气动二联件、空气凝结器、油雾化器等是否工作正常，检查进风软管是否干净，待各系统正常工作后方可开始注浆；②双液注浆管路做好A、B料标记，始终做到每次管路与泵出浆口对应连接；③分别把A料缸和B料缸的进料管和出料管置于各自的料桶内；
④慢慢开启气动注浆泵进风控制阀，开始工作，此时A，B(1∶1)两种液料分别在
2个料桶中循环，尽量使A、B进料管中的气泡排净，检查进料系统和进料配比，确保整个系统正常；⑤系统正常后，停泵，按规定的连接方式组装枪头，管路连接混合器到，开始注浆。

注浆先低速，工作面未出现跑、漏浆等异常情况时根据实际
情况提高注浆速度，达到闭浆条件时再放低速度，直至闭浆停泵；⑥为防止浆液过度扩散，注浆结束标准以注浆压力控制，注浆终压控制在0.5MPa，并保持压力
5min。

3.2.3 刀盘前方及护盾尾部固结注浆
1)刀盘前面：根据围岩破碎情况，在机头架和刀盘衔接开口处，采用YT-28手风
钻打φ32自进式锚杆做注浆管，注浆管与注浆孔之间用HC无机堵漏局固结，防
止跑浆。

注浆孔与岩面角度为10°-45°，注浆孔深度根据围岩破碎程度而定，采用HC高强注浆材料进行固结注浆，由于此前化学注浆料注浆已经使得护盾及刀盘周边松散及裂隙区发泡膨胀胶凝固化，对顶拱固结注浆起封堵作用，同时可保护了刀盘，不让HC高强注浆材料浆液进入刀盘。

2)护盾尾部：在尾盾超前掌子面方向(120°)进行单液高强注浆料注浆。

采用用YT-28手风钻打φ32自进式锚杆进行注浆，注浆孔与岩面角度为10°-15°，环向间距0.5m，纵向间距0.9m(往洞口方向)。

有的部位需加密布孔，注浆孔长度超过护盾及刀盘。

单液高强水泥注浆渗漏时，采用双液(高强水泥浆+水玻璃)进行堵漏，使
整个护盾及刀盘顶部松散区固结成高强壳体，整体围岩趋于结构稳定，具有完整的自稳能力。

3)HC高强注浆材料施工参数：①注浆材料根据使用用途的不同，可以选择W/C：0.3-0.5的水灰比范围；②根据使用注浆环境中缝隙大小，调整浆液的稠度，可以在20-50s的范围内调整，也就是调整水灰比及搅拌速度及搅拌时间，一般搅拌时间在60-150s。

HC注浆材料技术参数见表4。

表4 HC高强注浆材料技术参数序号项目名称性能指标备注1比表面积
≥480m2/kg2初凝时间12h≥h≥10min3456净浆强度
1d≥25MPa3d≥35MPa7d≥42MPa28d≥55MPa78微膨胀1d≤0.02%28d≤0.03% 3.3 TBM脱困
准备工作：检查出渣皮带机(确保出渣能力)→清理刀盘周边(减小刀盘瞬间启动阻力，降低刀盘驱动扭矩)→组织骨干维修人员对TBM机组进行系统维护(使机组状
态保持最佳)。

TBM刀盘脱困步骤：①启动刀盘，尝试后退刀盘10cm，查看护盾是否卡住，尝
试转动刀盘；②若护盾及刀盘后退10cm，刀盘仍不能顺利启动，则拆除靠近盾尾的第一榀拱架，继续后退刀盘，边后退边尝试转动刀盘；③刀盘启动后，掘进速度控制在10mm/min，刀盘转速控制在2转/min，贯入度控制在5mm/转，其余
掘进参数按现场情况灵活调整。

3.4 TBM脱困过程中预计出现的各种状况及处理措施
具体处理措施如下：
1)刀盘卡死：说明刀盘周边松动不到位，由于经过灌浆处理，围岩相对稳定，可继续采用人工撬挖、风镐扩挖等措施进行松动。

2)护盾卡死：由于塌方岩石顶侧向挤压，造成护盾卡死，遇到该情况，可以从护盾后开孔，在护盾外人工采用风镐进行扩挖(前提是灌浆效果必须使围岩稳定)，边扩挖边用槽钢与角钢对围岩体进行支护，扩挖高度在30-50cm之间，扩挖长度从盾尾到机头架前，扩挖宽度视现场情况而定。

3)再次发现塌方量大：停止推进，适当降低刀盘转速，如果渣量逐步减小，且扭矩亦减小，则继续降低刀盘转速，但必须保持在2转/min以上。

如果在短时间内渣量不减少，遇到较大规模塌方，此间刀盘不能停转，且转速不能降低。

如停止推进，渣量减少，且大块不是太多，5min后几乎无渣，开始低推力推进，刀盘转速保持
2转/min以上。

如推进时发现渣量增加在30%以内继续推进，如渣量超过30%，从护盾观察两侧情况，如两侧塌方很严重，则TBM可能在左右方向上存在较大偏差。

4 结语
经过以上处理方案TBM安全的实现脱困，目前此段隧洞整体稳定性较好，TBM 正常掘进。

隧道施工中难免遇到不良地质状况，通过本工程采用预灌浆加固处理措施来看效能还是很明显的，而且TBM成果脱困，它通过一定的压力将浆液注入岩体起到了加固松散岩体提高围岩整体高强等作用，防止塌方、卡机事故再次发生。

通过此案例的施工经验，对今后TBM在遇到类似情况能有一定的借鉴作用。

参考文献：
【相关文献】
[1]岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例编委会.岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M].中国铁道出版社，2004：27-31.
[2]杜士斌.开敞式TBM的应用[M].中国水利水电出版社，2011：54-67.
[3]中华人民共和国水利部.SL642-2013水利水电地下工程施工组织设计规范[S].北京：中华人民共和国水利部，2013.。