崔忠

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某調(diào)水工程輸水隧洞單洞長283.300 km，為國內(nèi)單洞最長的輸水隧洞。輸水隧洞為無壓洞，平均埋深428.00 m，最大埋深774.00 m，設(shè)計流量40.00 m3/s，縱坡1/2 583。全線采用11 臺敞開式TBM[1]，布置6 條緩斜井為TBM 進入洞，在較大的斷裂構(gòu)造帶和軟巖地層洞段布置6 條施工支洞和5 條施工豎井。TBM 掘進段的開挖直徑為7.00 m，TBM3 段長度為20.670 km，其中TBM3-1段長度為9.267 km，TBM3-2 段長度為8.403 km，檢修洞及通過洞段長度為3.000 km，檢修洞及通過洞段采用鉆爆法施工。TBM3 布置見圖1。

圖1 TBM3 布置平面圖

2 TBM3 段地質(zhì)描述

TBM3 段沿線地形為剝蝕丘陵地貌，地形起伏小，平坦、開闊，多發(fā)育丘陵、小沖溝。隧洞埋深在170.00～270.00 m，洞身處在新鮮基巖內(nèi)，屬中硬巖，巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、石炭系鈣質(zhì)粉砂巖、石炭系碳質(zhì)粉砂巖，沿線共發(fā)育11 條斷層，TBM3-1 段5 條斷層、TBM3-2 段6 條斷層，斷層走向與洞線方向夾角多為42°～87°，破碎帶寬度一般3.00～37.00 m。隧洞施工中洞壁會有滲水、滴水現(xiàn)象，地下水中含SO42-離子、Cl-離子，對普通混凝土和鋼筋混凝土一定的腐蝕性。

TBM3 圍巖長度比例統(tǒng)計詳見表1。

表1 圍巖長度統(tǒng)計表

3 TBM3-1 施工中存在問題

TBM3-1于2018年3月開始至2021年3月累計掘進10 624.00 m，最大月進尺704.98 m。TBM3-1施工掘進進尺見圖2。

3.1 撐靴部位圍巖破碎

TBM3-1 掘進至樁號64+432.00 m 后，圍巖為Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系的凝灰質(zhì)砂巖，圍巖強度較低，撐靴部位圍巖軟弱破碎，無法為撐靴提供反支撐力，致使TBM無法掘進[2]。施工單位采取人工鑿除撐靴部位破碎圍巖，鑿除深度為0.30～0.60 m，人工支模板后回填混凝土，等混凝土達到一定強度，能夠為撐靴提供足夠反力后繼續(xù)掘進，如此往復(fù)循環(huán)，掘進效率明顯下降。

圖2 TBM3-1 掘進進尺圖

3.2 TBM 卡機及處理

TBM3-1 發(fā)生2 次卡機，TBM 刀盤無法轉(zhuǎn)動，TBM 設(shè)備操作手采取脫困模式，仍無法啟動刀盤。施工單位采取停機處理，用時長達數(shù)月。

2019 年4 月發(fā)生第一次卡機。TBM3-1 掘進至KS63+813.82 m 樁號處，拱頂上方出現(xiàn)塌腔，圍巖較破碎，皮帶上的渣量較大。立即調(diào)整掘進參數(shù)，降低刀盤轉(zhuǎn)速和推進速度。同時加強支護，拱架間距加密，間距調(diào)整為0.60 m，拱架橫向加焊連接槽鋼，支立拱架兩榀，共掘進1.12 m。停機處理撐靴部位軟巖，清渣，綁鋼筋，支模澆筑早強混凝土。撐靴混凝土具備強度條件，準備掘進時仍無法正常啟動。發(fā)生卡機洞段圍巖類別為Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系的凝灰砂巖和炭質(zhì)粉砂巖，圍巖軟弱、完整性差、裂隙密集發(fā)育無水，且前方塌方情況和空腔大小不明。多次嘗試清理堆滿刀盤的渣料進行脫困，隨著刀盤內(nèi)部渣料的清理，掌子面前方坍塌持續(xù)升高；掌子面前方形成縱向長度約7.00 m、在刀盤頂部上高度為7.00～9.00 m、寬度為7.00～8.00 m的空腔。為防止塌腔進一步擴大，停止清理刀盤渣料，采取整機后退，加固前方后，緩慢掘進通過塌腔段[3]。此次卡機處理用時3個月。

2019 年9 月發(fā)生第二次卡機。TBM3-1 在KS64+410.00 m處出現(xiàn)突涌水，涌水量為50.00 m3/h，涌泥攜帶前方斷裂中軟弱夾層形成的泥漿從刀盤檢查口涌出，同時頂拱處形成超過4.00 m 的空腔。TBM3-1 在當班清淤工作結(jié)束后開始正常掘進，掘進了0.17 m 后開始支護拱架，拱架支護完成后再次掘進時發(fā)現(xiàn)刀盤無法轉(zhuǎn)動，使用脫困模式后仍無法啟動，確認TBM3-1 卡機。卡機洞段圍巖類別為Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系的凝灰砂巖，圍巖軟弱。采取整機后退，加固前方后，緩慢掘進通過塌腔段。此次卡機處理用時4.5 個月。

4 TBM 設(shè)備升級改造

4.1 必要性

TBM3-2 段長度為8.403 km，該段圍巖類別為Ⅲ，Ⅳ類圍巖，巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、石炭系鈣質(zhì)粉砂巖、石炭系碳質(zhì)粉砂巖。對比TBM3-1 圍巖類別進行分析，TBM3-2 段在掘進過程中存在撐靴部位圍巖軟弱，無法為撐靴提供反支撐力，需進行處理，通過極軟巖破碎帶時也存在卡機風險。為提高TBM3-2 的掘進效率，避免遇到不良地質(zhì)段發(fā)生卡機事件，對TBM 進行升級改造，使其具有更好的地層適應(yīng)性，是保證TBM3-2 段順利掘進，按期完工的必要條件。

4.2 可行性

TBM3-1 掘進段施工完成后，TBM3 進入檢修洞段進行檢修，具備對設(shè)備進行升級改造的條件[4]。配置輔助推進、鋼管片拼裝、渣土改良、超前加固等系統(tǒng)，增加單護盾模式，使改造后的TBM 具有敞開式單護盾雙模式TBM。TBM3-2 段Ⅵ～Ⅴ類圍巖破碎洞段，采用單護盾模式，拼裝鋼管片；圍巖轉(zhuǎn)好后，恢復(fù)敞開式TBM 模式，采用噴錨支護，使升級改造后TBM 更好地適應(yīng)地層巖性。

4.3 總體方案

1）隧洞斷層破碎帶易出現(xiàn)塌方卡機問題。設(shè)備廠家通過改造刀盤驅(qū)動減速器，增加減速比，使TBM 刀盤的脫困扭矩增加到9 130 kN/m，脫困能力比改造前提升38%。

2）掘進前方掌子面圍巖軟弱需進行超前處理的問題。增加鉆注一體機及注漿設(shè)備，并在護盾預(yù)留超前孔，不擴挖管棚作業(yè)倉即可方便超前作業(yè)。

3）軟弱圍巖掘進效率低的問題[5]。采用單護盾模式掘進，在護盾內(nèi)部拼裝鋼管片，通過鋼管片提供推進反力，對護盾進行針對性改造設(shè)計，增加TBM輔助推進系統(tǒng)，并對管片安裝器、護盾、支撐推進系統(tǒng)等進行改造，在盾殼內(nèi)封板拼裝鋼管片，撐靴不撐或小壓力撐緊即可實現(xiàn)破碎軟弱圍巖掘進。

4.4 鋼管片設(shè)計

鋼管片與隧洞壁之間間隙為105 mm，TBM 橋架及后配套安全輪廓為6 140 mm，單邊有200 mm安全間隙，滿足TBM 正常掘進需求。鋼管片與二襯內(nèi)徑間距350 mm，鋼管片厚200 mm，管片環(huán)寬450 mm，管片內(nèi)徑6 540 mm，管片外徑6 940 mm。管片采用7分塊形式，2個標準A塊、2個標準B塊、2個鄰接塊、1 個K 塊，底部采用整塊牛腿設(shè)計，確保底塊受力情況良好。

5 結(jié)語

新疆某調(diào)水工程TBM3-1 施工掘進，因圍巖破碎洞段發(fā)生2 次卡機事故，每次處理卡機時間都需要數(shù)月。為提高TBM3-2 掘進效率，保證其按期完工，對敞開式TBM 進行了升級改造，使其既具有敞開式TBM 模式又具有單護盾TBM 模式功能，降低TBM3-2 掘進段復(fù)雜地質(zhì)的施工風險。敞開式單護盾多功能雙模式TBM 在新疆某調(diào)水工程中的成功應(yīng)用，為TBM 通過強巖爆、長大破碎帶等不良地層提供了強有力的技術(shù)保障。