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深埋复杂地质洞段TBM脱困处理技术及措施

2021-08-16 255 上传者：管理员

摘要：文章结合新疆某隧洞工程敞开式TBM施工实例,TBM在施工深埋复杂地质洞段时出现卡机,通过对TBM被困地质情况、塌方及TBM设备受损情况做出的详细分析,采取有针对性的TBM脱困处理措施,以实现TBM快速脱困,为类似敞开式TBM遇到卡机等施工难题提供脱困处理经验。

关键词：
TBM卡机
复杂地质洞段
脱困处理
高地应力
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1、工程概况

新疆某输水隧洞全长41.823km,最大埋深为2268m,设计内径为5.3m,纵坡为1/565,隧洞设计为无压洞，采取钻爆法和两台敞开式硬岩掘进机(简称TBM)联合施工。隧洞进口10km软岩洞段采用人工钻爆法施工，其后32km洞段，采用2台敞开式TBM从隧洞进、出口相向掘进。TBM施工遇到“四大三高两强一害”十大复杂地质世界级难题。其中隧洞施工进口段TBM单向掘进施工段长17.6km, TBM实际平均月进尺458.67m,最高月进尺达803m,最高日进尺达55.75m,达到国内类似工程领先水平。

2、TBM被困地质情况

2018年9月5日TBM掘进至桩号14+233.2时，受围岩挤压，顶护盾压力骤增，且不断下沉，TBM被迫停机。TBM被困洞段掌子面桩号14+234.9,该段隧洞埋深约为812.0m,具备大埋深、高地应力条件。被困的TBM护盾附近地层岩性为志留系上统库茹尔组(S3k1)石英砂岩和变泥质硅质粉砂岩。该段处于断层破碎带及影响带，岩体整体完整性差。根据断层引发的主要工程地质问题及规模综合判断，其断裂构造分级属中型断层。该断层主断裂面产状：NW300°NE∠55°～65°,向前方倾斜，至桩号14+228左底拱处该断层向护盾底部延伸，产状稍变缓；破碎带宽度：顶拱约为2.0m,右壁约为0.5m,左壁为1.0～2.0m,断层面夹2～3cm的断层泥，带内主要由断层角砾岩、碎裂岩、糜棱岩及断层泥构成，其中碎屑物粗颗粒以角砾和碎石为主，块石次之，细颗粒主要为岩屑和断层泥；在左边墙发育较多的是断层泥，与碎石混杂。破碎带及断层上盘影响带内派生的构造裂隙很发育，开挖揭露TBM护盾外侧的左壁岩体内发育一组近平行洞壁的裂隙，产状为NW355°～NE12°SW/NW∠60°,与其它缓倾裂隙组合易形成滑落体，有利于产生收敛变形。上盘影响带岩体内断续发育挤压破碎带，其产状与断层产状相近，宽度为30～50cm,由片状碎裂岩、构造霹雳等组成。断层附近的岩体结构：断层下盘岩体较完整，呈次块状及块状，断层带内围岩以碎裂结构及散体结构为主，断层上盘影响带内以块裂结构及镶嵌结构为主。

不良地质段的掌子面至护盾尾部已揭露段多处出现线状和股状流水及密集滴水，经量测，流量约为18m3/h。在断层带工程处理过程中，经过化学灌浆，断层带内的涌水量减少，但地下水从护盾后部向掌子面转移，总体上水量始终变化不大，据此推测该断层带地下水储量丰富，具高水头。

3、塌方及TBM设备受损情况

3.1塌方情况

已开挖洞壁左侧拱肩部位的塌腔沿隧洞方向的最大长度约为3.4m,最大高度约为3.7m,最大深度约为7m,且该塌腔不稳定，呈持续扩大状态。

3.2钢拱架及TBM设备受损情况

已安装的紧邻护盾尾部范围内的五榀钢拱架间距均为0.9m,前两榀钢拱架的型号为HW150,后三榀钢拱架的型号为HW125。受围岩挤压，紧邻护盾尾部的五榀钢拱架发生了不同程度的挤压变形，紧邻护盾尾部的第四榀钢拱架左侧拱肩部位朝隧洞中心方向变形(变形量为28.3 cm),紧邻护盾的第二榀钢拱架的环间距发生移位(第二榀向后移位20cm);左侧护盾钢板(厚60mm)的端部与底护盾相邻部位发生翘曲变形，最大翘曲高度为63 cm。

4、TBM脱困处理措施

4.1不良地质段处理措施

不良地质段的加固主要措施由已变形的钢拱架临时加固、加密钢拱架、塌腔回填混凝土及喷射混凝土四部分组成。加固处理完成后对变形护盾进行修复。

(1)已变形的钢拱架临时加固

为了快速抑制钢拱架的进一步变形，同时为后续塌腔混凝土回填提供有利的支撑体系，在不良地质段加固前，对已变形的钢拱架进行临时加固，其主要措施为在已安装的钢拱架间增加水平连接结构，将变形的钢拱架连接支撑到主梁、钻机齿圈上。

为增加已安装钢拱架的整体刚度，在已安装的钢拱架间增加水平槽钢。槽钢的规格为[10,环向间距为1m,采用梅花状布置，焊接连接。

为防止已安装钢拱架的径向变形，采用型钢将钢拱架分别支撑到主梁和钻机齿圈上，型钢的规格为HW125,环向间距为2m,焊接连接。为防止TBM主梁受力变形，采用钢管将主梁支撑于隧洞底部，钢管型号为DN400,共3根，分布在主梁受力的较大部位。

临时加固措施完成后，对钢拱架进行变形监测，监测结果显示，钢拱架未发生变形，表明临时加固措施满足了安全要求。

(2)加密钢拱架

为了加强该段围岩的支撑强度，在已安装的钢拱架间增立钢拱架。增立钢拱架的型号为HW150,共三榀。采用逐榀增立的方法完成三榀钢拱架的安装。在增立各拱架前，分段拆除既有钢拱架间的水平连接槽钢，在增立的钢拱架安装完成之后，恢复相应的连接槽钢。

(3)塌腔回填混凝土

在塌腔混凝土回填之前，在钢拱圈外侧安装模板。模板采用厚度为3mm的花纹钢板，模板基本覆盖塌腔表面。回填混凝土标号为C30,利用TBM搭载的混凝土输送泵泵送入仓。

(4)喷射混凝土

利用TBM应急喷混系统，对已支护和加固的钢拱架的全部范围进行支护。混凝土标号为C30,厚度与钢拱架的高度相同。

4.2加固处理完成后对变形护盾进行修复

采用火焰矫正法对加固处理完成后对变形护盾进行修复。

4.3 TBM脱困操作

现场操作人员多次进行脱困尝试后，进一步开挖护盾左侧顶拱270°至右侧顶拱135°以上的围岩握裹力释放槽(开挖深度为0.8～2.4m,开挖面积达14m2),再次进行试推进。将推进油缸泵的压力调整至348 bar,相应的掘进机推进力达到了20650 kN,护盾有明显的推动现象，贯入度为2.0～3.2mm/r,共推进约58 cm, TBM脱困成功。

5、结语

在深埋复杂地质洞段同时存在褶皱、断层和软弱围岩的地质条件下，围岩的大变形和持续挤压作用加剧了应力集中程度，成为卡机事故易发区。通过本工程实践表明，当TBM从破碎带中间穿过时，洞顶、洞底以及两侧的围岩向洞内发生较大的位移，超过了护盾与围岩之间预留的超挖量。若不事先进行加固处理，在施工高地应力区和软弱围岩段，TBM被围岩抱死卡机，侧向扩挖应力释放槽使TBM受力解决了护盾不均匀的塑性变形这一问题。

现有TBM隧道开挖技术对复杂地质条件有一定的不适应性，是隧道设计和施工方案选择中首要考虑的技术问题。本工程在对已变形的钢拱架临时加固、加密钢拱架、塌腔回填混凝土以确保安全的前提下，开挖TBM护盾应力释放槽释放应力，成功解决了敞开式TBM脱困施工难题。

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文章来源：马骋,刘进.深埋复杂地质洞段TBM脱困处理技术[J].水利技术监督,2021(08):109-111.