浅谈TBM卡机高效脱困技术

(辽宁省水资源管理集团，辽宁 沈阳 110000)

TBM卡机现象，主要表现为掌子面前方或护盾顶部出现严重坍塌，导致刀盘无法转动或护盾抱死无法正常掘进。现场通过退刀盘、启动脱困电机、刀盘反转、增大刀盘扭矩等方法脱困都无法使刀盘转动，护盾无法正常换步，根据现场实际情况判断TBM机器被卡住，TBM需要进行卡机脱困处理。

1 工程概况

桓清输水工程TBM8-2施工段位于辽宁省清源满族自治县境内。TBM掘进段设计长度15.90km，掘进成洞洞径8.50m，各类围岩占比分别为Ⅱ类围岩21%、Ⅲ类围岩68%、Ⅳ类围岩7%、Ⅴ类围岩4%。

2 地质情况分析

TBM掘进机通过F64断层围岩破碎带施工时，发生卡机事故。

F64断层破碎带长40m，围岩岩性为断层角砾岩及断层泥，岩石中的风化软岩，手能掰断，断层走向258°～275°，倾角为75°，与洞轴线夹角为40°～56°，断层泥宽1m，受断层影响，岩石受力明显，岩石强度下降，岩体极破碎，地下水呈滴水状，围岩难以自稳，围岩类别为V类。洞室开挖过程中发生严重塌方，桩号78+408.4处11点方向至2点方向出现纵向长度约3m、深度3.50m的空腔。

3 TBM卡机原因分析

由于隧洞洞线穿越地层地质构造复杂，要穿越断层及较大的断层破碎带，TBM进入断层破碎带及影响带，围岩多表现为稳定性差，充填断层泥及糜棱岩等断层构造物，节理密集，这种断层构造内常伴有基岩裂隙水。开挖后出现了临空面，岩体有了变形的空间，围岩初始应力场失去平衡，应力重新分布，岩体强度和变形能力都远远低于围岩二次应力场重新分布速度，在开挖后很短时间内隧洞掌子面失稳，出现坍塌现象，加之断层内丰富的地下水起“催化剂”作用，塌腔越来越大，坍塌渣体在刀盘上方越积越多，最后导致出渣不及，刀盘无法有效转动，随着监空面后移，护盾部分也被下落的坍塌体压死，很快发展为卡机。

4 卡机事故处理方法

4.1 卡机处理

经参建各方研究决定，采用管棚支护掌子面塌方空腔部位，再采用化学灌浆固结刀盘前方堆积的虚渣，清理刀盘前虚渣，转动刀盘试掘进，最后对塌腔回填速凝混凝土。具体施工流程见图1。

图1 卡机处理施工流程

4.2 具体施工方法及处理措施

4.2.1 护盾后方加固及地质预报

采用[10槽钢替代原有横向支撑，环向间距小于1m，以增加钢支撑的整体刚度。对加固后的钢支撑，采用移动式湿喷机喷射C30混凝土进行封闭，厚度10cm。对护盾至喷浆桥段进行径向固结注浆，提升围岩整体自稳能力。加固完成后，采用TSP超前地质预报对前方围岩进行预判。

4.2.2 超前大管棚及注浆

4.2.2.1 超前大管棚

根据塌腔长度和范围，隧道中心线左侧30°至中心线右侧60°拱部范围内施作φ76超前大管棚，大管棚采用L=15m、φ76、δ=6mm无缝钢管，接头采用丝扣连接，丝扣长15cm。在钢管上钻设直径6～8mm注浆孔，梅花形布孔，环向间距30cm，根据管棚尺寸和已支立的拱架间距，管棚外插角控制在10°～15°，第一节管棚前端做成尖锥形，以利于下管。管棚构造如图2所示。

图2 管棚构造示意图(单位：cm)

4.2.2.2 注浆浆液及压力选择

考虑到注浆位置距护盾较近，注普通水泥待凝时间长，容易扩散到护盾上，将护盾与岩体固结在一起。施工时优先选用水泥—水玻璃双液浆。因待注浆体为松散岩泥，不再进行注水试验，防止松散体泥化。

注浆前用锚固剂将管棚和孔口之间缝隙堵塞牢固，防止注浆时漏浆，管棚口与闸阀焊接牢固，注浆终结时关闭，防止漏浆。

注水泥—水玻璃双液浆时，考虑注浆机在隧道底部，注浆空腔位于拱部位置，注浆时起始压力即将达到0.10MPa，注浆终压控制在0.50MPa。为防止浆液扩散至护盾上，注浆终压控制在0.50MPa，并保持压力5min。图3为水泥—水玻璃双液浆注浆示意图。

图3 水泥—水玻璃双液浆注浆示意图

4.2.2.3 浆液参数

水泥选用普通硅酸盐水泥，水泥浆液W∶C=1∶1。采用30Be水玻璃浆液，注浆时水泥浆与水玻璃体积比选用1∶1，初凝时间为60s。

4.2.3 刀盘前化学灌浆

化学灌浆施工工艺流程见图4。

图4 化学灌浆施工工艺流程

4.2.3.1 灌浆前准备工作

清理刀盘内和滚刀刀孔中的虚渣，搭设好施工用作业平台。

化学灌浆浆液采用PU灌浆止漏胶，由两种材料配置：DH-500亲水型(A)和DH-510疏水型(B)。

4.2.3.2 钻孔

采用YT28风钻造孔，钻杆采用自进式玻璃钢花管钻杆，钻孔深度3～4m(自进式玻璃管即将整根没入为止)，通过滚刀刀孔、刮渣板孔和人孔盘确定孔位，总共布置19个孔，周边孔13个，中心孔6个。注浆孔布置在刀盘全断面范围内，利用边刀刀孔和刮渣板孔在上半断面均匀布置8个周边孔；利用刀盘人孔在11点、1点方向再增设2个孔周边孔；下部约5点、6点和7点钟位置布3个周边孔，周边孔外插角45°。通过中心刀及面刀刀孔沿掌子面前方布置6个中心钻孔。

由TBM配备的空压机和供水系统为钻机提供高压风和水。钻孔按由下往上顺序施工，以自进式玻璃钢钻杆作为注浆管，对其采取保护措施。注浆分两序进行，注浆孔间隔施作。

4.2.3.3 安置注浆管路

采用自进式玻璃钢钻杆浅孔注浆时，底部钻杆预留2m止浆段不设置梅花形注浆孔，2m以上部位梅花形注浆孔间距40cm。

注浆时在距孔口1.50m位置安装孔内封孔器。标记用于A、B组分化学材料的注浆管路，每次灌浆时相应管路与注浆泵出浆口对应连接。

4.2.3.4 灌浆参数与控制

安装好气动注浆泵，并对其进行检查和调试，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灌浆。

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。慢慢开启气动注浆泵进风控制阀，开始工作，此时A、B(1∶1)两种液料分别在两个料桶中循环，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。

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，开始注浆。灌浆先低速，工作面未出现跑、漏浆等异常情况时根据实际情况提高灌浆速度，达到闭浆条件时再放低速度，直至闭浆停泵。

闭浆封孔。出现下列三种情况之一，即停止注浆：堆渣体表面有浆液溢出；注浆压力达到0.6MPa；每延米灌浆量达到0.2t。

注浆结束后，用A组分料冲洗混合器与出料口至洁净无附着物；然后用清质机油清洗气动注浆泵及其配件，检查清点附件数量及其功能。

4.2.3.5 施工记录

注浆过程中做好相应记录，记录应包括以下内容：灌注孔位、单孔深度、单孔灌浆量、灌浆起始压力、灌浆终止压力、灌浆起止时间。

4.2.4 刀盘脱困及塌腔回填

4.2.4.1 刀盘前加固

待围岩加固后，后退刀盘。在刀盘和掌子面形成的空间内，将木板(厚5cm)紧贴掌子面并用扒钉锚固，用方木(15cm×15cm)作为横撑支立在刀盘和模板之间，方木横向间距100cm，纵向间距50cm，视固结后的掌子面情况加密横撑方木。在顶层横撑上满铺木板，并用扒钉固定，以防止顶部围岩掉块。完成安全防护措施，经值班工程师确认支护符合要求后，人员才可进入刀盘前方进行掏渣扩挖作业。

4.2.4.2 刀盘前方清渣

超前加固施工完成后，通过刀孔及人孔对前方积渣进行清理。高处清渣人员需系好安全带，掏渣人员采用铁锹等通过刀孔将渣土刨至隔舱，堆积一定渣土后装袋运出刀盘。

4.2.4.3 转动刀盘及掘进

清渣完成后，转动刀盘，慢速掘进至安装拱架位置安装拱架。保持刀盘持续转动连续出渣状态，以防断层内岩石再次坍塌掩埋刀盘。

4.2.4.4 塌腔回填

待喷浆桥到达塌腔范围内，采用喷射速凝混凝土对塌腔进行回填。在二次衬砌之前，对塌腔部位采用纯水泥浆液进行固结灌浆。

5 总结和体会

此次卡机事故处理，仅用25天时间就实现了TBM脱困。通过管棚支护结合化学灌浆对塌方体的加固，使塌方体能够自稳；再采用人工清除刀盘前方和护盾上面的部分虚渣减轻刀盘启动荷载，恢复了刀盘的启动和皮带出渣；恢复掘进后，调整掘进参数，加强支护强度，保障了TBM顺利通过断层破碎带。该法较上导洞超前处理法、侧导洞绕前开挖处理法、侧支洞超前开挖处理法、绕洞超前开挖处理法等常规TBM卡机处理方式，有着节省工期和成本的巨大优势。需要注意的是，在进行注浆固结塌方体时，要控制好注浆压力，避免将石渣与刀盘和护盾固结在一起。