西北某山岭隧道双护盾TBM花岗岩地层卡机分析及脱困技术

陈 浩 王 龙 李子洲

西北某山岭隧道双护盾TBM花岗岩地层卡机分析及脱困技术

陈 浩 王 龙 李子洲

（中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450000）

文中对西北某山岭引水隧道在使用双护盾TBM施工过程中发生盾体右上方大块状楔形岩石塌落造成的卡前盾情况进行了原因分析，对采用的盾体脱困措施进行了详细说明及归纳。根据现场情况，有针对性地提出对盾体顶部及右上方进行人工凿挖导洞的方案，从事故发生到TBM恢复掘进仅用13.5天时间，较为快速地完成TBM脱困，为以后TBM施工中解决类似事故提供了宝贵经验。

山岭隧道；双护盾TBM；卡机；导洞

卡机是TBM施工过程中较为常见的一类事故，对施工进度以及设备安全造成很大隐患。例如，昆明上公山引水隧道施工过程中发生数次卡机事故，开挖旁侧支洞时设备后护盾出现严重挤压变形［1］。引大济湟总干渠引水隧洞采用硬岩双护盾TBM施工，在穿越大阪山南缘断裂带时发生了严重的围岩大变形，导致掘进中断并卡机在桩号CH16+775处［2］。王江对不良地质条件下双护盾TBM施工中3种常见的卡机类型进行原因归纳与分析，总结出5种卡机脱困技术，并提出双护盾TBM卡机预防措施［3］。西北某山岭隧道某标段施工总长度13 254m，均采用TBM施工，TBM开挖直径5.48m，断面为圆形，管片衬砌内径4.6m。掘进至桩号T9+199.5m处时，TBM发生卡机。相比割开盾体或管片进行导洞开挖的作业方式，本次导洞从伸缩盾与支撑盾拉开的空隙中进行，大大减少了工程量，保护了设备以及管片。本文对本次卡机事故进行了详细的分析及说明，根据现场实践情况，本次卡机所采用的脱困措施对此类事故的处理效果明显。

1 TBM卡机情况综述

1.1 事件经过概述

2017年3月22日早上，西北某山岭隧道在使用双护盾TBM掘进4 199环至1m（1.5m/环）时推力开始下降至4500kN，发现岩石节理较发育，围岩不稳定，立即停机汇报。经研究决定，安装B型管片，同时告知操作手采取低推力，低扭矩，低刀盘转速，连续掘进的方式进行操作，告知测量人员做好VMT姿态监控。掘进至4 206环，岩石逐步稳定，推力上升至5 000kN以上。一直到4 220环停机之前，推力、刀盘转速、扭矩及贯入度等参数未出现异常。

3月23日凌晨5∶45左右，TBM掘进至4 220环1.2m处（1.5m/环）时出现异常，在13分钟之内总推力从6 600kN左右上升至9 000kN左右，贯入度从8.3mm/r降至0mm/r，掘进速度由3.13m/h降为0m/h。退刀盘检查时，发现退刀盘困难，只能退出10mm。立即检查刀盘，发现6#中心刀挡圈脱落，刀圈移位，需要进行更换，30#边刀磨损量为14mm，37#边刀（最外侧）磨损量为5mm，其余边刀磨损量均在10mm内。

1.2 试推进措施

①3月23日13∶30检查完刀盘继续掘进，推力11 000kN，刀盘扭矩60～70kNm，无法推进。

②14∶30左右进行换步，换步（伸缩盾前行）正常，换步后主推油缸行程为300mm左右，辅推A组油缸行程为1 769mm。单护盾模式推进推力11 000kN时，无法推进。

③16∶00左右，改单护盾模式推力上限为13 000kN，仍然无法推进。

④16∶40进洞检查掌子面及刀盘切口环处，判断前盾顶部塌陷，卡住前盾；程序上将单护盾的总推力上限调至20 000kN进行推进，还是无法脱困。

⑤晚上进行辅推高压脱困模式的切换，脱困泵出口压力调至330bar，总推力约达到30 000kN。

⑥3月24日早上，单护盾高压脱困模式下推进约30min，推进距离为27mm，推进未达到脱困效果。

⑦21∶30完成切口环前盾体底部岩壁凿松工作，再次用辅推脱困高压模式推进约20min，左侧位移增大1mm，右侧增大3mm，无法脱困。

1.3 分析确定卡机情况

1.3.1 排除设备故障原因。现场人员第一时间对TBM各个阀组、线路、油路等关键部位进行全面检查，确定油缸实际推力与显示推力一致，排除因设备原因而导致TBM无法推进。

1.3.2 排除开挖直径小导致卡机。刀盘开挖直径与盾体直径如图1所示。

设计盾体与刀盘开挖间隙H=50mm；37号边刀磨损量l=5mm；实际盾体与刀盘开挖间隙约为h=H-l=50mm-5mm=45mm。因此，排除因刀具磨损造成开挖直径变小而导致卡机。

1.3.3 确定卡机情况。①现场勘测。现场将伸缩内盾与支撑盾脱开20cm，从缝隙观察到右侧岩壁与盾体有明显剐蹭痕迹；观察掌子面，中心刀下部有明显塌方情况。②做地质超前预报。采用三维地震法对地质情况进行超前预报。地质预报结论：在桩号T9+199-T9+239的40m之内，三维反射图像出现较大范围正负反射，平均波速在2250m/s，推断该段落围岩破碎，裂隙发育，易发生掉块或塌腔。

图1 刀盘开挖直径与盾体直径关系图

1.3.4 确定卡机情况。通过现场勘查，左侧盾体与岩壁之间有缝隙，右侧盾体与岩壁之间紧密贴合，上方盾体与岩壁之间紧密贴合，伸缩内盾与支撑盾能移动，分析盾体被压范围大概为11点钟方向到3点钟方向，前盾到伸缩外盾4 600mm的距离。

主机重量W为600t，后配套拉力f为2 500kN，估算塌方岩石体积V为4 000m3。

假设塌方岩石对盾体压力为竖直向下：

Wf为总阻力；ρ为花岗岩密度（2.6-3t/m3），取2.6t/m3；μ为摩擦系数，参考机械设计手册取0.3［4］。

在脱困模式下，最大推力30 000kN，小于34 840kN，无法推进，确定卡机。

1.4 卡机原因分析

通过现场查看、地质预报、估算结果及咨询TBM专家顾问团队，对卡机情况进行分析，认为卡机洞段围岩是裂隙发育的花岗岩，由于发育两组顺隧洞向裂隙及一组垂直洞向裂隙，形成楔形体。受掘进扰动影响，加上地应力释放，岩体裂隙张开，强度降低，发生失稳现象，楔形体塌落压住盾体，对盾体前进产生大于TBM总推力的巨大阻力，造成卡机。

2 脱困措施

2.1 伸缩盾区域内施工平台搭设

为保证TBM设备防护、危岩清理、围岩支护、掏渣清理足够的施工空间，在伸缩盾区域内搭设施工平台。施工平台采用脚手架+木板的基本形式，脚手架利用主机皮带机焊接。脚手架形成支撑并稳固后铺设木板，同时将木板固定在脚手架上，主要受力区加厚铺设木板。

2.2 TBM设备防护

在伸缩内盾回缩缝隙内进行围岩开挖前，对附近油缸、管路及电缆等设备进行防护，防护材料选用厚50mm的木板、皮带及钢筋网。当伸缩盾打开600mm时，除底拱90°范围做钢筋网防护外，伸缩护盾与支撑盾之间其他部位焊接扁铁，防止裸露石块掉落砸伤设备和施工人员。在伸缩护盾底部180°范围铺设皮带和木板，在已搭好的清渣平台上部铺设木板，以保证平台附近施工人员和设备的安全。

2.3 围岩清理

通过调整油缸行程，将外伸缩盾与支撑盾之间的切口环处拉开，露出围岩。拉开20cm，观察围岩的完整性，围岩比较松散，不构成涌渣现象，先将顶部的松散岩石掏出，直至能看见节理发育完整的岩石，在清理完破碎岩石后，用风镐清除塌落体，之后继续清理两侧的岩渣。边拉开边清理，直至拉开至600mm时，在裸露岩石600mm范围内进行支护后，顺着掘进方向边支护边开挖，直至脱困。围岩清理由人工持钢钎及风镐自上而下进行，清理渣料由人工从盾体上搬运至施工平台上，再将石渣溜渣至主机皮带上，输送至洞外渣场。

2.4 导洞开挖

导洞开挖采取先导洞、再扩挖的方式实施。为确保挑口处施工安全，导坑开挖采用自拱顶向两侧分部开挖。

上半断面导洞分部开挖图如图2所示。

图2 断面导坑分部开挖图

第一步开挖如图中①所示，即拱顶段挑口施工。挑口前，依托主机皮带处搭设简易台架，为后续上半断面导坑施工提供作业平台。人工手持风镐自下而上分部开挖。首先在伸缩内盾缝隙口，进行挑口施工；拱顶四周对称开挖形成1m（纵向）×0.8m（环宽）×1m（高）左右的空间，并采用200mm×300mm方木、50mm厚木板进行支护，搭设平台作为临时支撑落脚点。平台铺设紧密、平顺、稳固，方木与方木、方木与木板之间采用扒钉连接固定方式。然后人工进入伸缩外盾顶部进行①号断面开挖。向掌子面方向继续开挖，边开挖边支护，每开挖50cm，进行一次支护，直至挖通。

第二步扩挖图中右侧②区域，开挖与临时支护方式与第一步开挖一致。

2.5 恢复掘进

①拆出伸缩盾与支撑之间的焊接扁铁；②撤走伸缩内盾下发设备及管路的防护措施；③清理盾体内遗留的掉渣；④伸缩盾与支撑盾闭合；⑤恢复掘进。

3 处理结果

本次TBM卡机事故从3月23日发生到4月5日晚上恢复掘进，总共历时13.5天。其中，前期的现场勘查及方案制定用时4天，准备工作用时1天，实际脱困仅用时8.5天，大大减小了对施工进度的影响。本次脱困中，导洞开挖在伸缩盾与支撑盾拉开的间隙中进行作业，相比从管片处打开通道的施工方式［5］，本次脱困最大程度上保护了设备及管片的完整性，减小了工程量。本次实践验证了本次脱困作业的成功，对以后TBM施工过程中遇到类似事故提供了宝贵经验。

本次能够快速脱困，归纳总结优点及建议如下，以期对以后TBM施工中遇到类似事故提供一定参考：①TBM掘进中随时注意地质情况，若出现推力突然大幅变化、出水量突然增大等情况，需要考虑是否遇到破碎带等地质不良情况；②在不良地质掘进时，尽可能减少维保等停机时间，为避免对岩层的扰动，建议采用单护盾模式，采用对岩壁注入润滑物质等方式快速通过；③脱困方案应按照现场的实际脱困情况及时进行调整；④TBM卡机发生后，在进行脱困的同时，必须严格执行对TBM设备的维保工作，确保在脱困后设备能以最好状态快速通过不良地质段；⑤破碎带等不良地质段往往伴随着出水量增大，脱困时需考虑抽水措施是否完善，是否能做好出水量突然增大时的抽水工作，避免设备脱困后因出水量增大导致在不良地质段被迫停机。

［1］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（21）：60-65.

［2］张超.青海“引大济湟”工程TBM卡机段围岩大变形特性及扩挖洞室支护方案研究［D］.成都：成都理工大学，2012.

［3］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（3）：364-368.

［4］成大先.机械设计手册第五版［M］.北京：化学工业出版社，2008.

［5］刘志华，李清文，边野，等.引洮供水工程双护盾TBM卡机事故分析与解决［J］.建筑机械化，2013（6）：77-79.

An Analysis for Stagnation of a Telescope TBM and Techniques for Breakthrough in a Mountain Tunnel Through Granite Strata in Northwest of China

Chen Hao Wang Long Li Zizhou
（China Railway Engineering Equipment Group Technical Service Co.,Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

In this paper,in a construction of a mountain water supply tunnel in Northwest of China,the analysis for causes of a telescope TBM in stagnation by slumping of a large-size and wedge-shaped stone in the upper right of the shield,and detailed description and induction for breakout of shield body are provided.According to the specific situation of the jobsite,a technical proposal,which suggests manual excavation for pilot tunnel on top and upper right of TBM,is generated.From the accident of stagnation to recovery of tunneling,it took only 13.5 days,shorter than expectation of time for completion of breakout.This case provides valuable experience for solving similar accidents in the future TBM construction.

mountain tunnel；telescope TBM；stagnation of TBM；pilot tunnel

TV554

A

1003-5168（2017）09-0029-03

2017-08-02

陈浩（1994-），男，本科，研究方向：机械设计制造。