长距离输水隧洞TBM卡机原因及其解脱措施探析_李东东.pdf

随着隧道工程的建设发展，其面临的地质条件也越来越复杂。对于TBM隧道，当穿越断层带时，极易发生由于围岩大变形导致的卡机现象，危及施工安全。为保证施工质量与安全，一些学者1-13对TBM收稿日期：2022-11-09作者简介：李东东，男，工程师，学士，主要从事隧道施工方面的工作。引文格式：李东东.长距离输水隧洞 TBM 卡机原因及其解脱措施探析 J.市政技术，2023，41（3）：70-74.（LI D D.Analysis on causes andsolution of TBM jamming in long distance water conveyance tunnel J.Journal of municipal technology，2023，41（3）：70-74.）文章编号：1009-7767（2023）03-0070-05第41卷第3期2023年3月Vol.41，No.3Mar.2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.03.070Journal of Municipal Technology长距离输水隧洞 TBM 卡机原因及其解脱措施探析李东东（中铁十八局集团 隧道工程有限公司，重庆 400707）摘要：依托新疆阿勒泰输水隧洞工程，结合施工工法和数值模拟分析了 TBM 卡机成因，并对解脱措施进行了研究。研究结果表明：沿隧道纵向，在距离断层上盘和断层带越近，围岩变形就越大，在断层上盘与断层带交界处就会发生突变，变形显著增大并在进入断层带 4 m 左右时达到峰值，随后显著减小，在进入断层下盘后变形不再显著；拱顶、拱底和拱腰变形历时曲线变化节点主要位于前盾盾尾，断面在前盾盾尾之前的围岩变形缓慢增大或者趋于稳定，前盾盾尾脱空后变形迅速增大，这是造成卡机的主要原因。因此在施工过程中，提出了刀盘回退、碎石清理、注浆回填、地层加固等措施并加以运用，快速解脱了 TBM 卡机问题。该案例可为同类工程提供参考。关键词：输水隧洞；断层破碎带；TBM 卡机；成因分析；解脱措施中图分类号：U 455文献标志码：BAnalysis on Causes and Solution of TBM Jamming in Long DistanceWater Conveyance TunnelLi Dongdong（China Railway 18 Bureau Group Tunnel Engineering Co.，Ltd.，Chongqing 400707，China）Abstract：Based on Altay water conveyance tunnel in Xinjiang，the causes and relief measures of tunnel boring ma-chine（TBM）jamming was analyzed by combining construction method and numerical simulation.The results showthat the closer to the fault zone，the greater the deformation of surrounding rock along the longitudinal direction ofthe tunnel；That abrupt changes occur at the junction of the hanging wall and the fault zone.The deformation increasessignificantly and reaches a peak at about 4 m into the fault and then significantly reduced.Deformation is no longersignificant after entering the footwall of the fault；The change nodes of deformation duration curves of vault，archbottom and hance are mainly located at the tail of the front shield；The deformation of surrounding rock increasesslowly or tends to be stable in the front shield tail.After the front shield tail disengaging，the deformation increasesrapidly which is the main reason for the jamming.Therefore，in the construction process，the measures of cutter-head retreating，gravel cleaning，grouting backfilling and stratum reinforcement were applied to quickly solve theproblem of TBM jamming.This case can provide reference for similar projects.Key words：water conveyance tunnel；fault zone；tunnel boring machine（TBM）jamming；cause analysis；reliefmeasures第3期卡机成因进行了分析，并提出了合理有效的脱困措施，甚至风险预测方法。笔者则针对长距离输水隧洞TBM卡机问题，依托新疆阿勒泰输水隧洞工程，通过数值模拟结合施工工法和地质条件对卡机成因进行了详细分析，并提出一种高效快速脱困措施，以期为同类工程提供参考。1工程概况新疆阿勒泰输水隧洞工程，线路长度为43.753km，包括43.703km的主洞段TBM2、开挖洞段TBM3和钻爆法开挖洞段。其中，TBM2分为1个施工段，TBM3分为2个施工段，分段方式如图1所示。TBM2设备掘进洞段长度为15.150 km；TBM3设备掘进洞段长度分别为11.800km和11.750km；开挖洞径为7.83m，i=1/3 000。该工程地层位于阿勒泰褶皱系（I）中部的克兰地槽褶皱带（I3）内，由一系列以NWW向的压性断裂和以NWNNW向的压扭性断裂为主。经统计：隧道段通过的21条断层带累计长度为124.3 m，在隧道段延伸总长度为320.6 m。2卡机成因分析2.1卡机过程分析卡机发生前，洞室上部围岩发生小规模塌落。TBM继续向前推进，刀盘转动异常，扭矩以及顶推力增大，致使卡机。通过对围岩探孔检测发现，处于断层带的掌子面前方、洞室上方发生大规模塌落，挤压了刀盘、护盾，超出了扭矩极限值，致使刀盘抱死而无法转动。此外，护盾与开挖轮廓线存在510cm的空隙，大规模塌落的围岩挤压护盾，巨大的摩阻力限制了护盾向前推进。因此，穿越断层带时，若刀盘扭矩增大、顶推力增大，可能是破碎围岩塌落导致的刀盘抱死、挤压护盾，并产生巨大摩阻力，以至于卡机事故发生。因此，工程中应重点注意刀盘扭矩和推力的异常变化，以此预测卡机事故的风险。2.2数值模拟分析2.2.1分析模型为明确卡机原因，采用数值模拟方法对卡机位置围岩状态进行分析，模型如图2所示。模型中，地层采用实体单元，常规地层密度2 973 kg/m3，弹 性 模 量1030 GPa，断 层 密 度2 616 kg/m3，弹性模量0.110 GPa；TBM护盾采用壳体单元，密度9 750 kg/m3，弹性模量2.061011GPa。模型开挖洞径7.83 m，通过循环开挖实现掘进。隧道埋深约为300 m。为便于计算，在模型上部施加均布力以模拟上部岩体地层的应力；为便于分析，在断层上盘、断层带以及断层下盘分别选取S1、S2、S3典型断面进行分析。2.2.2结果分析洞室开挖后，受扰动后的隧道纵向地层竖向位移如图3所示。图2数值模型Fig.2 Numerical model图1施工分段图示（m）Fig.1 Construction section diagram李东东：长距离输水隧洞TBM卡机原因及其解脱措施探析71Journal of Municipal Technology第41卷由图3可知，无论断层上盘、断层带还是断层下盘，洞室上半断面围岩竖向位移主要为沉降，下半断面围岩竖向位移主要为隆起。具体而言，在断层上盘刚进入断层带之前，拱底隆起和拱顶沉降均开始显著增大，且距离断层带越近，增大速度就越快。断层带对断层上盘拱底隆起的影响距离约为10 m，对拱顶沉降的影响距离为15 m。进入断层带之后，拱顶沉降发生突变，增大幅度显著增加。由于开挖轮廓线与护盾存在510 cm空隙，所以意味着围岩变形大于5cm时便存在卡机风险。断层上盘与断层带交界处拱顶沉降约为0.03 m，开挖到27.9 m，即护盾顶部进入断层0.6 m时，围岩拱顶沉降迅速达到0.064 m。深入断层带4 m左右时达到拱顶沉降峰值，约为0.092 m，即3倍交界处拱顶沉降，随后拱顶沉降迅速减小。开挖到36.4 m时，拱顶沉降下降到0.046 m，意味着断层带中约8.5 m范围拱顶沉降大于5 cm，即存在卡机风险。拱底隆起最大值约为0.037 m，且始终小于5cm。进入断层下盘后，拱顶沉降和拱底隆起变化幅度均不再显著。由此可以看出，围岩变形主要发生在断层带处，且显著大于断层上盘和断层下盘的围岩变形。围岩变形峰值出现在洞室进入断层带一定距离处，表明围岩最大变形处即为卡机风险最大处，且不在断层上盘与断层带交界处，而是在深入断层带一段距离处。该工程中，卡机发生前发生小规模地层塌落，继续推进一定距离后发生卡机，与模拟结论一致，即小规模塌落出现于断层带边界处，继续深入后变形迅速增大，导致卡机事故发生。洞室开挖后，隧道纵向地层拱腰水平位移如图4所示。由图4可知，左右两侧拱腰水平位移均是向着洞室方向，且沿隧道轴向近乎对称分布，变化规律也近乎一致。因此，以左侧拱腰水平位移为例分析如下：开挖到约8 m处时，断层上盘洞室拱腰水平位移开始逐渐增大；22.4 m即距离断层带约1.8 m时，位移迅速增大；25.5 m时位移达到5.4 cm，并进入断层带4 m左右达到峰值（7.3 cm），随后减小；33.9 m时位移小于5 cm，为4.8 cm。这意味着断层带中存在约8.4 m的卡机风险区段。因此，除了拱顶竖向变形挤压护盾外，拱腰水平方向也有可能因过大变形而挤压护盾，导致卡机事故发生。洞室开挖后，典型断面拱顶和拱底竖向变形历时曲线如图5所示。由图5可知，拱顶沉降和拱底隆起历时曲线均呈台阶状变化，拱顶沉降和拱底隆起变化节点基本一致。其中：S1断面在11 000时步时开始变形，且逐渐增大，为第1阶段；到16 000时步时拱底隆起开始稳定，拱顶沉降变形速率减缓，为第2阶段；24 000左右时步时拱底隆起和拱顶沉降均突然增大，为第3阶段；在34 000时步时开始稳定，为第4阶段。S2断面变形历时曲线规律与S1断面基本一致，区别主要在于拱顶沉降在第2阶段变形速率未出现减缓的情况，在第4阶段拱顶沉降速率下降，但变化幅度仍然较大。S3断面仅有第1、2阶段，而未出现明显的第3、4阶段。结合施工工序可知，第1阶段与第2阶段分界处应为掌子面达到典型断面处。掌子面到达前，由于图3纵向地层竖向位移Fig.3 Longitudinal displacement of vertical strata图4纵向地层拱腰水平位移Fig.4 Horizontal displacement of vertical strata haunch72第3期施工扰动，前方围岩发生先行沉降，距离掌子面越近沉降越大。因此，第1阶段围岩变形先持续增大，但由于围岩自身承载性能较强，所以变形相对较小。进入第2阶段，典型断面位于TBM前盾范围内，由于围岩与前盾直接接触，且前盾支撑能力较强，故围岩变形幅度相对减小，但在断层带前盾对拱顶沉降的约束作用不显著。第2、3阶段交界处为前盾盾尾处，随后进入尾盾范围内。由于尾盾与围岩之间存在明显空隙，因此进入尾盾后变形存在突变，并在短时间内迅速增大。继续向前推进，围岩变形速率逐渐减小并趋于稳定，即进入变形第4阶段。对于断层下盘，由于围岩岩性较好，自身承载力较强，故不存在明显的第3、4阶段。由此可知，围岩变形突变主要存在于TBM前盾脱空时，其变形显著增大，且拱顶最为显著。对于断层带，过大的变形极易对盾体造成挤压，使得机身无法推进，造成卡机。洞室开挖后，典型断面拱腰水平变形历时曲线如图6所示。由图6可知，拱腰水平变形主要存在3个阶段：第1阶段变形持续增大，但增大幅度相对较小；第2阶段围岩变形迅速增大，增大幅度显著大于第1阶段；第3阶段变形幅度持续减小，并趋于稳定。结合施工工序可知，第1阶段应为掌子面到达断面前以及断面位于前盾范围内的阶段。由于围岩水平向应力小于竖向应力，洞室开挖后应力调整幅度相对较小，使得拱腰水平变形稍小于拱顶沉降。但在断层带，前盾脱空后拱腰仍发生了较大位移，意味着在拱腰也存在较大的围岩变形进而挤压盾体的风险。3卡机快速解脱措施由于断层带地层岩体松散破碎，TBM在卡机状态下无法继续推进，若继续转动刀盘，极易引起更大范围的围岩塌落，甚至塌陷成穴，增大事故处理难度，所以为保证工程安全，结合卡机原因分析结果，提出了解脱措施，即：1）刀盘向后退少许，试启动刀盘，刀盘如不能启动，则开始在刀盘后方利用清碴皮带机向外清除刀盘和轴承之间的松散石碴，间断试启动刀盘，直到刀盘可以启动，利用刀盘旋转清理刀盘前方以及刀盘和轴承之间的石碴。2）刀盘启动后向前缓慢推进，及时对出露的断层带进行支护。3）及时喷射混凝土封闭出露的围岩，以防止围岩变形过大甚至塌落。喷射混凝土厚度需根据具体地质条件而定，但应确保可以提供足够的支撑能力，保证围岩变形在可控范围内，且围岩不会在TBM主机撑靴的挤压下受到严重破坏。加强监控量测，及时为支护设计提供参考，以保证支护体系的安全合理。4）为有效控制塌落区域不再扩大，及时采用喷射混凝土封闭围岩，采用混凝土进行灌注填充塌落腔体，必要时在混凝土中加入速凝剂，使混凝土及早具有一定的支护强度。注：S1断面位于断层上盘，S2断面位于断层带，S3断面位于断层下盘；绿色虚线为断面开始变形的时间，红色虚线为变形突变的时间。图5典型断面拱顶和拱底竖向变形历时曲线Fig.5 Vertical deformation duration curves of vault and archbottom in typical sections图6典型断面拱腰水平变形历时曲线Fig.6 Horizontal deformation duration curves of typical sectionhaunch李东东：长距离输水隧洞TBM卡机原因及其解脱措施探析73Journal of Municipal Technology第41卷5）根据监控量测结果，及时对施工参数进行优化，以减少对围岩的扰动，避免破碎围岩过大变形甚至塌落，以防对护盾产生强烈挤压。6）对断层带进行加固处理，及时向地层注浆加固，以增强地层强度，提高围岩稳定性。该工程采用刀盘回退、碎石清理、注浆回填、地层加固联合处治措施，成功实现了TBM卡机的快速解脱，在安全施工的前提下，确保了工期的正常推进。4结论1）沿隧道纵向，以断层带与断层上盘、断层下盘的交界处为界限，将拱顶沉降、拱底隆起和拱腰水平变形分为3个阶段，即：第1阶段，断层上盘距离断层带越近，变形越大；第2阶段，到达断层上盘与断层带交界处，变形显著增大，且在进入断层4 m左右达到峰值，随后迅速减小；第3阶段，进入断层下盘后变形逐渐趋于稳定。2）对于断层上盘和断层带，在掌子面到达前，拱顶和拱底发生较小变形。在前盾范围内，拱顶持续变形，拱底变形逐渐稳定。前盾脱空后，拱顶和拱底变形均显著增大，这是卡机发生的主要阶段。继续推进一定距离，拱顶和拱底变形幅度逐渐减小并趋于稳定。3）无论断层上盘、断层带还是断层下盘，在掌子面到达以及前盾范围内，拱腰水平位移持续小幅度增大；前盾脱空后，变形显著增大；继续推进一定距离，变形幅度逐渐减小并趋于稳定。4）提出并成功采用了刀盘回退、碎石清理、注浆回填、地层加固的TBM卡机联合处治措施，可为同类工程提供参考。参考文献1温森，贾书耀，高星璞.侧压系数及回填材料对双护盾TBM卡机控制的影响分析J.郑州大学学报（工学版），2020，41（2）：91-96.（WEN S，JIA S Y，GAO X P.Impact of lateral pressurecoefficient and backfilling material on double shield TBM jam-ming 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