深长隧道TBM卡机致灾原因分析及脱困措施

深长隧道TBM卡机致灾原因分析及脱困措施

任力强

山西省中部引黄水务开发有限公司

摘要：山西省中部引黄工程总干3号隧洞采用TBM施工，隧洞埋深大、地应力高、地质条件复杂，TBM在不良地质段极易发生卡机灾害。本文以山西中部引黄工程TBM2标的卡机问题为例，对现场卡机类型及原因进行了分析，并提出了针对不同卡机形式的脱困措施，最后又给出了预防卡机灾害的建议。

关键词：深长隧道；TBM；卡机类型；脱困措施

1引言

全断面隧道掘进机（TunnelBoringMachine，TBM）工法掘进施工在工期、造价、技术等方面具有显著优势，无论从缩短建设周期、保护环境，还是从控制造价考虑，TBM都是修建深长隧道的最佳选择。然而当深长隧道TBM掘进施工遭遇断层破碎带和软弱岩体等不良地质时，由于隧道开挖引起围岩应力重分布作用导致围岩承载失效而发生塑性挤压变形，极易导致TBM发生卡机灾害，威胁到TBM设备和施工安全，造成重大经济损失[1]。

本文在查阅国内大量资料后，分析了TBM卡机类型，并以山西中部引黄工程TBM2标卡机事故为例，给出现场卡机类型，并对卡机后的处理措施进行分析研究，结合隧道卡机段治理方案方案，对预防治理卡机提出自己的建议。

2工程概况

中部引黄工程是山西大水网建设重要骨干工程之一，位于黄河流域吕梁山境内，隧洞总长385km，自黄河取水，设计取水流量23.55m3/s，年供水量6.02亿m3[2]。其中总干渠3号隧洞穿越黑茶山自然保护区，最大埋深610m，分别设置进洞支洞与通风洞，其中TBM1标进洞支洞长5.3km，主洞掘进长度为21km；TBM2标进洞支洞长3.6km，主洞掘进长度为20.3km。采用两台双护盾TBM对向掘进，TBM设备由美国Robbins公司设计制造，直径5.06m，最大推力20826kN，最大操作压力34500kPa，配有超前钻机，最大钻孔深度达80m，可实现360°范围内的超前钻孔及注浆工作[3]。

3现场卡机类型及原因分析

3.1卡机类型

2017年10月26日，在TBM2标，当掘进至里程106+402.8和106+391.8处时TBM发生卡机事故，经分析得出现场主要卡机类型为：

（1）卡刀盘：TBM在施工中由于刀盘被卡住，不能转动，进而导致TBM无法前进直至被卡死。在TBM掘进至106+391.8掌子面时，围岩稳定性较差，岩体较破碎，掘进过程已出现边墙或顶拱局部掉块及塌方，大块岩体与刀盘之间的摩擦力远大于TBM刀盘的脱困扭矩，将刀盘卡死并造成卡机。其中，TBM主机（掌子面至撑靴护盾）十点到十一点方向破碎严重，发生坍塌，塌方空腔深5m左右，八点到十点方位松散破碎。十一点到两点方向膨胀岩石突入护盾内；两点到三点方位围岩较完整，紧贴护盾；三点到五点间护盾与围岩间有1cm间隙。

（2）卡护盾：TBM通过软弱断层带时由于地应力较大，围岩塑性收敛变形过快，在TBM护盾还没有通过该段围岩时将盾壳抱死现象。当TBM掘进至106+420.8掌子面时，发生了前盾被困。前盾外部围岩与护盾接触位置多、范围广，岩石收敛挤压严重。同样情况存在于伸缩盾区域。

3.3卡机原因分析

此次连续卡机分别发生于里程106+402.8和106+391.8处，通过分析前期勘察和设计资料，得知其位于向斜轴部附近，隧洞埋深444m，里程106+100~106+400地段电阻率较小，从而推测该段岩体较为破碎。

对于刀盘被卡问题，是由于TBM在开挖过程中会对围岩进行扰动，掌子面围岩进行应力重分布，围岩由稳定转变为不稳定状态，破碎围岩坍塌，但TBM出碴速度是固定的，导致堆积在掌子面的破碎岩体越来越多，刀盘脱困扭矩无法克服破碎岩体与刀盘之间的摩擦力，造成TBM刀盘被卡，进而TBM整体卡机。

对于护盾被卡问题，首先是由于隧道围岩稳定性较差，TBM在工作过程中护盾区围岩出现塌方，TBM出渣速度远远小于破碎围岩堆积速度，围岩堆积直至在护盾上方形成自由拱（或护盾上方岩体破碎，受到刀盘扰动后出现大范围坍塌直至形成自由拱），最终由于盾壳上方堆积大量岩体，其与盾壳之间的摩擦力大于TBM最大推力进而将盾壳卡死。另外由于双护盾TBM护盾长度较大、围岩受到开挖扰动发生快速的塑性变形，在较短时间内，TBM通过破碎带之前，围岩收敛值大于隧洞开挖轮廓与盾壳间距，将盾壳抱死。

综合以上分析可以看出，TBM卡机不是某一种原因造成的，而是以上几种原因的综合作用结果。

4脱困措施

目前，在TBM卡机脱困实践中，较常用的方法有扩挖侧导洞法、预注灌浆法、设备改造法等，可根据不同的卡机位置、成因予以单一或组合选用[5]。扩挖侧导洞法是根据TBM护盾被卡位置，从伸缩盾或尾盾进入护盾外侧进行人工扩挖，从而减小围岩压力对盾体的挤压及因此产生的掘进摩擦阻力；预注灌浆法是针对掌子面塌方、围岩破碎等原因，采用超前地质钻机、人工钻孔等方式对破碎岩体进行水泥灌浆或化学灌浆，从而提高岩体的完整性及强度，防止导坑及掌子面开挖过程中的进一步塌方收敛变形；设备改造法主要在设计阶段进行，如扩大边刀行程、改变护盾锥度、提高刀盘扭矩及推力等，需要根据地质资料综合分析卡机发生的风险，并结合经济分析统一考虑。

在山西中部引黄工程中，针对里程106+402.8处卡护盾问题，最终从伸缩盾进入，采用扩挖左侧导洞法实现脱困。针对里程106+391.8处卡刀盘问题，最终联合采用扩挖侧导洞法和预注灌浆法进行脱困。

5卡机预防建议

（1）进行详细的地质勘察和地质预报

使用双护盾TBM施工必须从设计规划、选型、施工阶段对隧址区开展详细的勘察工作。提高前期勘察的准确性可以使施工、设计、监理人员对隧址区的地质情况有初步了解。由于TBM对复杂地质条件适应性较差，详细的勘察能够尽可能的避免TBM卡机风险。

超前地质预报工作可对隧道掌子面前方的工程及水文地质条件、不良地质的性质、规模以及影响范围进行较为准确的预报，从而为隧道塌方、突涌水及岩爆等灾害防治提供预测预警，及时反馈给施工单位，提前调整施工方案，降低地质灾害的危害程度和发生机率，保证施工安全[6-8]。

（2）优化设计

①设备设计优化：通过对地质资料的研究，结合施工经验，在隧道设计阶段对TBM进行机械参数的调整。通过一系列的设备优化，能够使制定的TBM适应隧道地质环境，有效地降低TBM施工卡机的风险。针对围岩变形造成的卡机事故，可以根据地质条件，适当调整护盾的长度和超挖量。

②土建设计优化：工程前期采集详尽的资料，选用合适工法，通过土建设计优化提前做好预案，有效降低双护盾TBM施工风险。

③治理措施优化：治理过程中，在保证施工安全的条件下，应分析卡机原因、针对不同类型的卡机事故，有不同的治理措施。

（3）快速掘进

TBM的一重要优点为施工高效。但由于洞段围岩坍塌和塑性变形具有一定的时效性，因此保持设备能够快速掘进可以在一定程度上降低卡机风险。

参考文献：

[1]王占生，王梦恕.TBM在不良地质地段的安全通过技术[J].中国安全科学学报，2002，12（04）：55-59.

[2]杜立杰.中国TBM施工技术进展、挑战及对策[J].隧道建设，2017（09）：14-26.

[3]田志斌.山西中部引黄工程TBM卡机成因分析及脱困技术[J].水利水电快报，2018，39（05）：33-36.

[4]山西省万家寨引黄工程管理局.双护盾TBM的应用与研究[M].中国水利水电出版社，2011.

[5]赵桦.高地应力隧道TBM卡机机理分析及防治措施研究[D].2018.

[6]李术才，许振浩，黄鑫，等.隧道突水突泥致灾构造分类、地质判识、孕灾模式与典型案例分析[J].岩石力学与工程学报，2018，37（05）：1041-1069.

[7]许振浩，李术才，李利平，等.基于层次分析法的岩溶隧道突水突泥风险评估.岩土力学，2011，32（6）：1756-1766.

[8]许振浩，李术才，张庆松，等.TSP超前地质预报地震波反射特性研究[J].地下空间与工程学报，2008（04）：640-644.