北疆长距离输水隧洞TBM卡机快速解脱措施探析

北疆长距离输水隧洞 TBM 卡机快速解脱措施探析
陈勃文，魏 波
（ 新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）
摘 要： 新疆某工程深埋隧洞采用敞开式 TBM 进行施工，该工程地质情况非常复杂，在隧洞挖掘时，
TBM 掘进中遇到不良地质区域时，很容易造成 TBM 掘进机卡机。为使 TBM 掘进机能快速脱困，不影
陈勃文，等∥北疆长距离输水隧洞 TBM 卡机快速解脱等因素，造成 TBM 卡机被困的现象［8］，从而影响整个工期。现有 工程 TBM 脱困技术，大多数比较单一或者不能采用 大型机械设备进行现场施工。如： 董泗龙［2］以某供 水工程为例，介绍了固结灌浆的脱困处理方法和超前 管棚预 注 浆； 宋 天 田 等［9］ 以 上 公 山 隧 洞 工 程 为 例， 提出了超前地质加强、改变 TBM 施工参数等方法解 决卡机问题； 范以田等［10］采用 LW 水溶性聚氨酯类 灌浆材料加固隧洞塌方洞段解决卡机问题； 马聘［11］ 以达坂隧洞工程为例，采用侧面导坑法进入 TBM 刀 盘前方清理塌方松散体； 邓青力［12］以中天山隧道为 例，采用自进式锚杆和化学注浆方法处理卡机问题； 杨晓迎等［13］以 辽 宁 大 伙 房 输 水 隧 洞 为 例， 介 绍 了 超 前锚杆及固结灌浆方法处理脱困问题； 徐虎城［14］以 新疆某工程为例，介绍了超前地质预报及化学灌浆方 法处理脱困问题。本工程采用开挖导洞、扩挖工作 间、塌腔处理、自进式锚杆、超前地质预报、超前管 棚、化学灌浆等综合措施处理 TBM 卡机现象，从卡 机到脱困历时 6 d，大大提高了脱困时间。
水利水电技术 第 51 卷 2020 年增刊 2
陈勃文，魏波． 北疆长距离输水隧洞 TBM 卡机快速解脱措施探析［J］. 水利水电技术，2020，51（ 增刊 2） ： 298-305. CHEN Bowen，WEI Bo． Exploration and analysis on quick releasing measures of TBM jamming for construction of long distance water conveyance tunnel in Northern Xinjiang［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51（ S2） ： 298-305.
响整个工期，采用开挖导洞、扩挖工作间、塌腔处理、自进式锚杆、超前地质预报、超前管棚、化学
灌浆等综合措施处理 TBM 卡机现象，实现了 TBM 快速脱困，这种脱困方法所需要脱困的时间比传统
的方法所需要的时间更短，此脱困方法用时仅 6 d。
关键词： 输水隧洞； TBM； 卡机； 快速解脱
doi： 10. 13928 / j. cnki. wrahe. 2020. S2. 055
中图分类号： TV 672. 1
文献标识码： A
文章编号： 1000-0860（ 2020） 增刊 2-0298-08
Exploration and analysis on quick releasing measures of TBM jamming for construction of long distance water conveyance tunnel in Northern Xinjiang CHEN Bowen，WEI Bo
探测时掘进掌子面桩号为 49 + 681，结合探测区 域的地质情况分析地震波反射成像图，对地震波数据 处理反演推断如下：
桩号 49+681—49+721 段，反射图像呈现出强烈 正负反射，反推出该段落围岩破碎，容易出现塌腔和 掉块，应及时加强支护。
桩号 49+721—49+781 段，反射图像呈现出局部 出现明显的正负反射，这也表明了该区域内岩石的完 整度低，裂隙数量多，很容易出现岩石掉块的现象， 其中 49 + 731—490 + 751 位置可能出现塌腔，应及时 支护。
利用已完成的工作间对掌子面拱部破碎围岩进行 化学灌浆固结。 3. 3 恢复掘进，利用工作间超前支护
掌子面拱部破碎围岩固结完成后恢复掘进，掘进 至工作室内露出盾尾，停止掘进，按照超前地质相关 数据预测结果，同步采取超前钻孔对地质情况进行验 证，确定前方围岩破碎段落长度，合理选择超前支护 形式（ 管棚、超前小导管、超前锚杆） ，利用工作间 超前支护后恢复正常掘进。工艺流程如图 1 所示。
（ Xinjiang Irtysh Ｒiver Basin Development Administrative Bureau，Urumchi 830000，Xinjiang，China）
Abstract： The deep-buried tunnel of a project in Xinjiang is constructed with open TBM，for which the geological condition is quite complicated． During the excavation of the tunnel，TBM jamming accident is prone to be caused when poor geological area is encountered． In order to quickly release the TBM from the jamming without any impacts on the whole construction period，the TBM jamming is dealt with the comprehensive measures，i． e． excavation of pilot tunnel，expanding excavation of working space， treatment of collapse cavity，self-advancing anchor bolt，advanced geological prediction，advanced pipe-shed，chemical grouting， etc．，and then the quick releasing of TBM jamming is realized． The time necessary for the method of releasing TBM from jamming is shorter than that of the conventional method with only 6 days． Keywords： conveyance tunnel； TBM jamming； quick releasing
1 工程概况
新疆工程项目是在阿勒泰山区实施，全路段长达 148 km，隧道最大埋深可达 700 m，隧洞向东沿阿尔 泰山南坡中山区及低山丘陵区布置。该工程为无压水 工 隧 洞， 设 计 过 水 流 量 65 m3 / s， 洞 底 纵 坡 为 1 /2 500。隧洞区间的地质复杂多变，共有 4 种围岩 类别及二十多种岩性。对于隧洞全路段，都是通过 TBM 全断面掘进结合钻爆法完成施工。根据工程施 工要求，该 输 水 隧 洞 沿 线 共 布 置 有 11 条 施 工 支 洞 （ 均为缓斜井） 。TBM 区段施工时都采用圆形断面， 开挖直径为 7. 83 m； 钻爆法施工区段采用城门洞形 断面或马蹄形断面。
3 总体方案
3. 1 开挖导洞，扩挖工作间 刀盘致 困 桩 号 49 + 680. 07，护 盾 尾 部 桩 号 49 +
674. 57。为掌握更多的掌子面围岩相关信息，在护盾 上方开挖一导洞至刀盘前方，根据探明的地质情况对 导洞两侧进行扩挖作为下一步超前支护的工作间。 3. 2 固结掌子面破碎围岩
2 TBM 致困情况
2. 1 致困情况 2020 年 5 月 8 日凌晨，TBM3－1 主机 1#皮带硫化
完成后恢复掘进，掘进 50 cm 完成支护一榀 HW150 型钢拱架，间距 45 cm。进行下一循环掘进时，施工 人员发现刀盘扭矩增大，有泥浆和碎石从刀盘出渣口 流出，通过主梁通道入口涌至主梁后方，并将主梁通 道入口处堵塞，涌出渣石方量约 200 m3，掌子面出 水量约 50 m3 / h。 2. 2 致困区围岩地质情况
开始施工前，注意检查钻头、钻杆的通透性。将 锚杆与钻头相连，然后再将钻头钎尾、钻机连接套、 凿岩机等施工设备连接。在钻进过程中保持通风，防 止钻头上的钻孔堵塞，要控制好钻进速度，增加回转 次数，降低冲击力，实时观察钻孔的出水情况。注意 锚杆的外露长度在要求的范围内。使用钢管对外露的 锚杆进行打孔，打孔直径控制在 0. 1 m 左右。最后， 对外露锚杆中的钻孔进行注浆，注意控制注浆压力。 4. 1. 1. 2 锚杆的注浆
桩号 49+673—下游段，隧洞埋深 425 m，该区域
的地质岩性为变质花岗岩，颜色表现为肉红色，碎块 状—次块状结构，岩石受风化变质等作用影响，局部 岩块及裂隙面呈糜棱岩化和高岭土化，岩石局部酥 软，强度低。该区段的岩石节理裂隙发育，主要发育 为 四 组 节 理， 产 状： ① 275° ～ 280° NE ∠55° ～ 60°、 ②5°SE∠15° ～ 25°、③ 325° NE ∠55° ～ 60°、④ 52° ～ 55° NW∠60°。其中： ①组节理沿左侧边墙发育，节 理面平直、起伏，微张 0. 5 ～ 1 cm，夹泥膜； ②组节 理沿左 侧 边 顶 拱 发 育，缓 倾 下 游，面 平 直，微 张 0. 5 ～ 1 cm，夹高岭土化薄膜，平行发育 3 ～ 5 条，间 距 0. 2 ～ 0. 3 m； ③ 组节理面粗糙、略起伏，张开度 1 ～ 2 cm，面夹有 0. 2 ～ 0. 5 cm 的泥膜，节理在左侧顶 拱发育，向掌子面延伸，延伸长度 3 ～ 5 m； ④组节理 面多平直、光滑，微张 0. 8 ～ 1. 5 cm，平行发育 3 条， 间距 0. 2 ～ 0. 3 m。 2. 3 超前地质预报情况
0引言
在经济高速发展的背景下，本着保护环境、节约 土地的目的，水利工程施工也由地上施工转为地下施 工的方 向 发 展［1－2］。目 前，对 于 地 下 隧 洞 工 程 的 施
工，最常用的方法为 TBM 工法，该方法能够确保施 工的高效、低污染、安全、稳定、可靠［3－4］，被广泛 应用于我国各类隧洞工程施工中［5－7］。尽管 TBM 施 工有 很 多 优 势 之 处，但 也 有 一 定 的 短 板 存 在。当 TBM 施工时穿越长、大、深埋以及地质条件复杂的
收稿日期： 2020-08-03 基金项目： 国家重点研发计划（ 2017YFC0405105） ； 水利部技术示范项目（ SE-201704） 作者简介： 陈勃文（ 1979—） ，男，高级工程师，硕士，主要从事水利工程建设与运行管理工作。E-mail： 45321939@ qq. com
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图 1 工艺流程
4 施工步骤与方法
4. 1 开挖导洞、扩挖工作间 4. 1. 1 护盾上方破碎围岩固结
施工参数： 为保障开挖导洞的安全性，对桩号 49+673—49+674. 5 段落拱部 140°范围打设两环 25 自进式锚杆，两环锚杆纵向间距 45 cm，斜向护盾上 方实施且与护盾水平夹角 15° /30°，锚杆长度 6 m， 环间排距 30 cm。自进式锚杆采用手风钻或小型地质 钻机钻孔，利用钻机安装连接套与自进式锚杆连接， 锚杆钻孔完成后与钻机脱离，锚杆实施完成后进行化 学灌浆（ 化灌材料采用 AB 组份混合料，A 组为硅酸 钠水溶液，B 组为聚合 MDI 预聚体，化学灌浆注浆 压力 3 ～ 8 MPa） 。自进式锚杆布置如图 2 所示。 4. 1. 1. 1 锚杆安装