花岗岩地层双护盾TBM卡机原因分析及处理措施

郭卫新,杨继华,齐三红,杨风威

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

花岗岩地层双护盾TBM卡机原因分析及处理措施

郭卫新,杨继华,齐三红,杨风威

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州 450003)

兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM在花岗岩地层中掘进时,由于软弱破碎围岩的挤压变形作用,造成了TBM前盾被卡的卡机事件。在工程地质条件分析的基础上,结合开挖洞径、管片衬砌、围岩变形及TBM设备特征,采用了在前盾上方开挖导洞,解除围岩对护盾上的压力,使TBM脱困的处理方法,该方法可为类似工程的卡机脱困提供参考。

水源地建设工程;输水隧洞;花岗岩地层;双护盾TBM;卡机

双护盾TBM是岩石全断面隧洞掘进机常用的一种机型,其掘进和管片衬砌同步进行,具有成洞速度快、施工质量好、人员安全性好、对地质条件适应性较好的技术特点,且已在国内、外的隧洞施工中得到广泛应用[1]。

双护盾TBM的护盾由前盾、伸缩外盾、伸缩内盾、支撑盾和尾盾组成,其盾体总体较长,一般长度11～13 m。盾体与开挖洞壁之间的间隙较小,一般约5～10 cm。当双护盾TBM在强膨胀岩、塑性变形围岩、软弱破碎围岩中掘进时,如果发生围岩快速变形,则变形的围岩会填满洞壁与护盾之间的间隙,围岩与护盾产生接触;由于双护盾TBM的护盾较长,当围岩与护盾接触范围大、接触压力大时,围岩与护盾之间的摩擦力会大于TBM的推进力,此时,TBM无法前进,即发生卡机事件。

在国内、外的双护盾TBM施工中,发生过多次的TBM卡机事件,如厄瓜多尔CCS水电站工程引水隧洞[2]、甘肃引洮供水9#隧洞[3]、昆明上公山引水隧洞[4]、山西引黄入晋工程隧洞[5-7]、陕西引红济石调水工程隧洞[8]、新疆大坂引水工程隧洞[9]及青海引大济湟工程输水隧洞[10]等。这些卡机事件的处理需要的时间为20—200 d不等,造成较严重的经济损失和工期延误。

花岗岩地层具有风化程度不均、围岩变化规律难以把握的特点,在花岗岩地层中进行隧洞施工时,常遇到破碎带围岩塌方、软岩变形、涌水、涌砂等隧洞地质灾害。本文以在建的兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM卡机事件为背景,在工程地质条件分析的基础上,提出脱困处理措施,相关方法可为类似工程的双护盾TBM卡机脱困提供参考。

1 工程概况

兰州市水源地建设工程将刘家峡水库作为引水水源地,向兰州市供水。工程包括取水口、输水隧洞主洞、分水井、芦家坪输水支线、彭家坪输水支线及其调流调压站、芦家坪水厂和彭家坪水厂,以及现有供水管网的输水管线等。其中输水隧洞主洞是其控制性工程,隧洞全长31.57 km,采用钻爆法和两台双护盾TBM联合施工。TBM隧洞设计开挖洞径5.46 m,采用预制钢筋混凝土管片衬砌,衬砌后洞径4.60 m。

TBM1施工段由5#施工支洞进洞,5#施工支洞全长3 544 m,前558 m采用钻爆法开挖,TBM1在洞外组装,滑行至桩号K0+558 m处掘进。5#施工支洞末端与输水隧洞主洞相交于桩号T5+860 m后,TBM1开始向主洞下游方向掘进,掘进至T11+221 m后,滑行通过1 496 m钻爆段,在桩号T12+717 m处再次开始掘进,至T15+300 m处掘进完成,进行洞内拆解。TBM1施工段全长12.426 km,其中掘进段长10.93 km,滑行安装管片段长1.496 km,具体施工布置见图1。

图1 TBM1掘进段示意图Fig.1 TBM1 excavation section

2 工程地质条件

TBM1施工段沿线穿越的地形地貌为中低山向黄土塬及梁峁区过渡,最高海拔约2 300 m,5#施工支洞隧洞埋深100～400 m,主洞段埋深300～600 m。隧洞沿线穿越的地层依次为加里东中期石英闪长岩(δο32),前震旦系马衔山群(AnZMx4)灰黑色、青灰色黑云石英片岩和角闪石英片岩,加里东中期花岗岩(γ32),白垩系下统河口群(K1Hk1)互层砂泥岩。

TBM1施工段未见有区域性断层通过,但闪长岩和花岗岩侵入体内及与其他地质的接触部位发育有多处破碎带及节理密集带。石英闪长岩单轴饱和抗压强度为11～147 MPa,石英片岩单轴饱和抗压强度为16.5～175 MPa,花岗岩单轴饱和抗压强度为127～134 MPa,砂岩、砂砾岩、泥岩单轴饱和抗压强度为11～85 MPa。按照水利水电工程地质勘察规范(GB 50487—2008)的围岩分类方法,对TBM1施工段进行围岩分类,Ⅱ类围岩占48%,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩分别占25%、23%、4%。

隧洞区地应力场的三向应力特征为σH>σh>σV,最大主应力方向NE40°～70°,与输水隧洞主洞方向近平行。钻孔地应力测试结果显示最大水平应力与自重应力之比为1.5～2.9。

隧洞沿线的地下水类型主要为第四系孔隙潜水、基岩孔隙潜水,隧洞总体位于地下水位以下。

3 卡机事件过程

TBM1进入花岗岩层中,围岩坚硬完整,围岩稳定性好,总体为Ⅱ类围岩。当掘进至桩号T9+160 m后,岩体破碎、岩石强度低,总体为Ⅳ类围岩,掘进时采用降低推力、降低转速及连续掘进的措施通过破碎围岩洞段。当掘进至T9+190 m时,围岩条件变好,总体为Ⅲ类围岩。2017年3月23日早上5:50左右,TBM掘进至桩号T9+199.5 m时,掘进参数出现异常,刀盘推力由6 000 kN增加到9 000 kN,刀盘扭矩维持在200～300 kNm,而贯入速度却从6 mm/r逐渐降低,至5:57,推力增加到10 000 kN,贯入速度降到0,此时TBM刀盘可以正常转动,可以换步,后盾可以向前移动也可以倒退,但刀盘和前盾无法前进。

随后停机进行检查,首先检查边刀的磨损情况,发现边刀的磨损量在最大允许磨损值以内,结合刀盘可以正常转动的情况,可以排除边刀磨损量过大引起开挖洞径缩小导致的卡机事故;随后检查了刀盘、前盾、后盾姿态,发现TBM姿态也在正常范围之内,可以排除由于姿态偏差引起的卡机;最后通过护盾窗口、刀盘刀孔等检查围岩情况,发现在前盾顶部11点钟到3点钟方向围岩与护盾发生接触。初步判断TBM无法前进的原因是围岩与护盾的摩擦力大于TBM的推进力。

根据目前的情况,在双护盾模式下使主推进油缸的推力增大到14 000 kN,前盾无法前进。鉴于主推进油缸的推力基本用到了极限,随后收回支撑靴,使伸缩护盾处于收缩状态,采用单护盾模式的辅助推进油缸推进,辅助推进油缸的推力达到了30 000 kN,前盾仍无法前进。为减少围岩与护盾之间的摩擦力,沿护盾注入孔向护盾和围岩间注入润滑油后,再次启动TBM,前盾还是无法前进。此时结合多方的意见,判定本次TBM无法前进为前盾被卡。

4 卡机原因分析

卡机段桩号T9+194.5m～T9+199.5 m段埋深约470 m,出露的地层岩性为加里东中期花岗岩(γ32),受构造影响明显,岩体呈碎裂—镶嵌结构,节理密集发育,产状杂乱无规律,节理面风化蚀变严重,多泥质充填,少量节理张开,多处发育有1～2 cm宽的泥质条带,延伸1～2 m。岩石强度低,软硬相间,多处节理面附近存在松散的软弱带,手掰易碎,局部呈砂状、泥状,风化程度较高的岩石单轴抗压强度范围为10～30 MPa,风化程度低的岩石单轴抗压强度范围为40～70 MPa。隧洞右上方发育一条10～15 cm宽的长石脉,呈现黄色,表面风化为泥质。围岩多处渗水—滴水,总体为Ⅳ类围岩,围岩情况如图2所示。

图2 卡机处围岩情况示意图Fig.2 The surrounding rock situation of TBM blocked

卡机段围岩软硬不均,节理裂隙发育,岩体破碎,节理面风化程度高并夹泥,在应力集中条件下,受挤压应力的作用,围岩发生碎胀变形。以1.1的体积膨胀率计算(岩石碎胀系数一般为1.1～1.5),0.8 m范围的岩体碎胀足以将8 cm的空间填满,并将围岩应力传递到护盾表面,在护盾抵抗变形的情况下,围岩对护盾产生较大的压应力,压力在护盾上产生的摩擦力大于辅推油缸的最大推力,使得护盾被卡。

综上所述,本次卡机事件是由软硬相间的破碎围岩产生的挤压变形所致。

5 卡机脱困措施

在卡机原因及工程地质条件分析的基础上,结合开挖洞径、管片衬砌、围岩变形及TBM设备特征,采用在前盾上方开挖导洞,解除围岩对护盾上的压力,使TBM脱困的处理方法,具体措施如下:

(1) 后退支撑护盾,将内伸缩盾与支撑护盾拉开550 mm的间隙,提供人员、设备及材料的进出通道。

(2) 在护盾顶部向掌子面方向开挖中导洞,直至刀盘处,开挖方式为人工手持风镐开挖。中导洞开挖高度为1.5 m(支护完成后1.3 m),开挖宽度为1.6 m(支护完成后1.2 m),开挖长度约4.5 m,中导洞的洞壁和顶拱采用方木支护,如图3所示。

(3) 中导洞开挖完成后,进行右导洞开挖,直至刀盘处,右导洞开挖高度为1.3 m(支护后1.1 m),宽度为1.5 m(支护后1.1 m),长度约4.5 m,右导洞的洞壁和顶拱采用方木支护,如图4所示。

图3 中导洞开挖示意图(单位:mm)Fig.3 Excavation diagram of the middle heading tunnel

图4 右导洞开挖示意图(单位:mm)Fig.4 Excavation diagram of the right heading tunnel

(4) 右导洞开挖完成后,在确认中导洞左侧及右导洞右侧围岩与护盾脱离接触后,检查设备正常后尝试启动TBM掘进。

中导洞及右导洞开挖完成后,经检查,确认在护盾顶部11点钟到3点钟方向的围岩与护盾基本脱离接触后,清除导洞内的岩渣及杂物后,人员及设备撤出。收回收缩护盾,启动TBM采用单护盾模式推进,当辅推油缸的推力达到17 000 kN时,前盾开始向前移动,此时TBM成功脱困。

在脱困处理过程中,采用地震法对掌子面前方进行超前地质预报,发现掌子面前方30 m范围内围岩仍较破碎,故采用了低推力、低转速及连续掘进的方法通过破碎带。考虑到卡机段顶拱存在人工开挖的空腔,在空腔段安装重型管片,并对空腔及时进行回填处理。

6 结语

兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM在花岗岩地层中卡机事件表明,花岗岩地层具有复杂性、多变性及难以预测性的特点,TBM卡机后,应在分析卡机原因的基础上,采取有针对性的处理措施;另外,在花岗岩地层中掘进时,应根据围岩变化的特点,及时调整掘进参数,可有效预防卡机事件的发生。

[1] 李仕森,茅承觉,叶定海.护盾式全断面岩石掘进机——全断面岩石掘进机技术讲座之四[J].建筑机械,1998(12):29-33.

[2] 杨继华,苗栋,杨风威,等.CCS水电站输水隧洞双护盾TBM穿越不良地质段的处理技术[J].资源环境与工程,2016,30(3):539-542.

[3] 郎发来,路静.甘肃引洮供水超长隧洞双护盾TBM卡机处理措施[J].水利水电施工,2013(1):55-57.

[4] 尚彦军,史永跃,曾庆利,等.昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3858-3863.

[5] 尚彦军,王思敬,薛继洪,等.万家寨引黄工程泥灰岩段隧洞岩石掘进机(TBM)卡机事故工程地质分析和事故处理[J].工程地质学报,2002,10(3):293-298.

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[8] 谷婷,卢松,李苍松.引红济石调水工程双护盾TBM施工段卡机脱困地质分析[J].工程地质学报,2011,19(S):428-432.

[9] 范以田,王晓全,陈艳会.大坂泥岩隧洞TBM脱困综合技术方案[J].土工基础,2010,24(2):24-26.

[10] 王江.引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术[J].隧道建设,2011,31(3):364-368.

(责任编辑：费雯丽)

Cause Analysis and Treatment Measures of Double Shield TBMBlocked in Granite Stratum

GUO Weixin,YANG Jihua,QI Sanhong,YANG Fengwei

(YellowRiverEngineeringConsultingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003)

When excavating water conveyance tunnel in granite stratum by double shield TBM of Lanzhou City Water Source Construction Project,the anterior shield TBM was blocked due to the extrusion deformation of the weakly broken surrounding rock Based on the analysis of the engineering geological conditions,combined with excavation diameter,tube lining,surrounding rock deformation and TBM equipment characteristics,the TBM unblocked treatment measures were used by excavating the guide hole above the anterior shield which to relieve pressure on the shield of the surrounding rock.Relevant treatment measures can provide reference for similar projects.

Water Source Construction Project; water conveyance tunnel; granite stratum; double shield TBM; TBM blocked

TV554; TV672+.1

A

1671-1211(2017)05-0610-04

2017-07-20;改回日期2017-09-04

郭卫新(1972-),男,高级工程师,水文地质与工程地质专业,从事工程地质勘察、设计及研究工作。E-mail:yrccgwx@163.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.P.20170824.1743.002.html数字出版日期2017-08-24 17:43

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.05.022