双护盾TBM在复杂地质条件下的卡机处理措施

双护盾TBM在复杂地质条件下的卡机处理措施

周未未

形斌

i

苹孩

甘肃临夏

731699)

(中国水利水电第四工程局有限公司兰州市水源地建设工程项目部

内容提要

兰州市水源地建设工程TBM1自2016年4月开始掘进以来，因受不可预见的塌方、围岩收敛变

形等不良地质条件影响，经历了三次卡机，针对造成卡机的不同原因采取了围岩清理、开挖导洞等处理措施,保证了 TBM及时脱困，为类似工程提供了借鉴经验。

1工程概述

兰州市水源地建设工程将刘家峡水库作为引水

砾岩和第四系（Q)风成黄土及松散堆积物，侵人岩 主要为加里东期花岗岩、石英闪长岩。输水隧洞沿线 分布地层较多，岩性不一，构造较发育，工程地质条 件较复杂，根据本阶段勘测成果，TBM施工洞段围岩 类别以n、m类为主，局部洞段为iv、v类，其中n 类围岩约占总长度的40.6%，EI类围岩约占42%, IV 类围岩约占16.2%, V类围岩约占1.2%。根据TBM 掘进完成结果，tbm施工洞段围岩类别以n、in类 为主，局部洞段为IV类，其中n类围岩约占总长度的 70%, m类围岩约占14%，IV类围岩约占16%。

卡机主要发生在围岩局部稳定性差的m类围岩 和节理密集发育的IV类围岩。

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及至现有供 水管网得输水管线等。工程涉及临夏回族自治州、东 乡族自治县、永靖县和兰州市。

5#施工支洞（TBM进洞支洞）长度3535.04m, 纵坡-2.37% ; TBM在5#支洞洞口外的TBM工业广 场组装，步进滑行通过支洞558m钻爆施工段后，洞 内始发进行支洞掘进至主支洞交叉处（桩号T5+860) 转弯进人主洞，掘进长度2977m。

主洞 Tll+218 ~ T12+715,总长 1497m,属不良 地质地段，为确保施工安全，利用接触带竖井和通气 井，采用钻爆法提前处理，TBM滑行通过，滑行过 程中全断面安装管片，TBM在洞内拆卸后出洞（桩 号T16+110处通气井）。

桩号T5+860 ~ T10+700段，围岩类别为II类、 局部1E类，桩号T10+700 ~T13+800段，围岩类别 为IV类为主，局部V类，T13+800 ~ T15+100段，围 岩类别为m类为主，局部F类。

3卡机处理技术及脱困措施

3.1.1卡机经过

3.1桩号T9+199.5处卡机处理

兰州水源地TBM1自3月9日（桩号T8+836.2)

掘进由前震旦系马衔山群石英片岩进入加里东期花岗 岩段，已在花岗岩段平稳掘进363.2m,期间经历了岩 石完整节理不发育的n类围岩（硬岩段），围岩局部 稳定性差的DI类围岩和节理密集发育的IV类围岩（软

2工程地质概述

沿线地层岩性复杂多样，出露的地层主要有前震

收稿日期：2018-1-30作者简介：周永永男（1987-)助理工程师中国水电四局兰

州市水源地建设工程项目部

彭斌男（1992-)助理工程师中国水电四局兰 州市水源地建设工程项目部王军强男（19-)助理工程师中国水电四局兰 州市水源地建设工程项目部

旦系马衔山群（AnZmx4)黑云石英片岩、角闪片岩， 奥陶系上中统雾宿山群（〇2-3wx2)变质安山岩、玄 武岩，白垩系下统河口群（Klhkl)砂岩、泥岩、砂

39

青海水力发电

1/2018

岩段)。在3月23日凌晨5时57分掘进至4220环1.2m 处，即：桩号T9+199.5m处时，TBM掘进出现异常： 刀盘转动正常，但是推力达到8000〜10000KN，贯 入度却急速降低至〇mm/r，掘进速度降为Om/min。现 场拉开内伸缩盾20cm后，在23点〜2点钟范围， 花岗岩岩体塌落压住前盾和伸缩盾，伸缩盾顶部有大 量渣石堆积，判定TBM前盾、伸缩盾被顶部楔形花 岗岩体塌落卡住，导致TBM无法掘进。

3.1.2原因分析

根据收集分析掘进数据资料，现场勘查后，判 定此次卡机属于掘进至节理中等发育，围岩局部稳定 性差的加里东期花岗岩段，由于花岗岩节理较发育， 在沿掘进方向至垂直洞轴线方向存在多组交错节理， TBM在掘进过程中，对围岩扰动较大，导致围岩失 稳塌落，卡住盾体，导致TBM无法掘进。

3.1.3卡机处理技术

为保证快速脱困，采用伸缩盾顶部开挖小导洞， 清除盾体顶部塌落体的脱困方案。

(1) 伸缩盾区域内施工平台搭设

为了保证TBM设备防护、危岩清理、围岩支护、 掏渣清理足够的施工空间，在所有工作开展前，在伸 缩盾区域内搭设好施工平台。

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或者在伸缩盾内部结构件上焊 接，进行横纵布置，脚手架结构要求紧凑，横纵间距 不大于lmx lm。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，木板要求铺设紧密。

(2) TBM设备防护

在伸缩内盾回缩缝隙内进行围岩幵挖前，需要 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，以防止裸露 石块掉落砸伤设备和砸伤施工人员。在伸缩护盾底部 180°范围铺设皮带和木板，已搭好的清渣平台上部 铺设木板，以保证平台附近的施工人员和设备的安全。

(3) 围岩清理

通过调整油缸行程，将外伸缩盾与支撑盾之间40

的切口环处拉开，露出围岩。先拉开20cm，观察围 岩的完整性，如果围岩比较松散，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，用风镐进行塌落体清 除，后继清理两侧岩渣。如果围岩过于松散，构成涌 渣现象，需要尽快将伸缩内盾回收到位。

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用吊桶装运至施工平台上， 再将吊桶里的渣料倒至主机皮带上，输送至洞外渣场。

(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，导洞开挖采用自拱顶向两侧分 部开挖。

当伸缩内盾拉开至600mm时，对于裸露的围岩 进行支护工作，如果围岩相对完整的情况下，使用软 支护方式，用宽度为lm的花纹钢板焊接遮挡进行临 时支护，如果围岩比较破碎，在处理完成碎石后，用 小25的钻杆进行钻孔打锚杆作业，孔深2〜3m，并 用锚固剂进行锁紧处理；或者根据现场实际情况，破 碎面积在11点~ 2点范围，可以进行钢筋网支护， 钢筋网支护注意网片根部用锚杆垫片进行锁紧。上半 断面导洞分部开挖如图1所示。

图

1

断面导洞分部开挖图

第一步开挖如图中所示①，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 断面导洞施工提供作业平台。人工手持风镐自下而上

1/2018青海水力发电

按TBM掘进断面23点〜2点钟方向进行，掏渣清理 厚度1.2〜1.5m〇

掏渣清理采用边幵挖边支护的方式进行，支护 采用20cm x 20cm方木进行支撑，沿开挖断面井字形 布置，纵向间距50cm，必要时采用20#A工字钢支撑。

②施工工艺

施工工艺如下循环：施工通风—凿孔—出渣— 支护—凿孔^出渣—支护。

(6) 支护施工

开挖过程中必须跟进临时支护，支护采用 20cmx20cm方木进行支撑，沿开挖断面井字形 布置，纵向间距50cm，必要时采用20号A工字 钢支撑，顶部钢筋网封闭（f 8钢筋网，网格间 距100mmxl00mm;20#A工字钢支撑，环向间距 500mm )〇

方木支撑施工工艺：直接随开挖进行，现场配 置电锯按照所需规格进行现场裁截。

(7) 施工排水

施工排水采用集水坑法抽排至尾盾或伸缩盾底 部处，利用TBM配套水泵通过后配套配套排水钢管 抽排。上半断面导洞施工所用水、电等均由TBM设 备提供。

(8 )施工通风

在卡机段处理阶段，主洞内通风系统要保持运 转正常。

由于卡机段空间狭小，在该部位通风利用鼓风

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lm (纵向）X〇.8m (环宽） x lm (局）左右空间，并米用200mm x 200mm方木、 50mm厚木板进行支护，搭设平台作为临时支撑落脚 点。平台要求铺设紧密、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。

然后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②、②’区域，即剩余圆弧段 扩挖施工。开挖与临时支护方式与第一步部开挖一致。 完成对临时方木、木板支护。

上半断面导洞开挖施工工艺流程见表U

开挖过程中安排专人监测掏渣区周边水文地质 的变化，发生地下水增大、水质变浑浊及斜塌掉块等 异常情况时立即撤离至安全地带。

如果在处理过程中，遇到洞内大块楔形体，则 利用液压岩石劈裂机，对大体积岩块进行破碎，破碎 成小块，清理至皮带机上，运出洞外。破碎石时优先 找岩块节理、裂隙，提高破碎速度。

(5)掏渣清理

①掏渣清理范围和基本方式

掏渣清理纵向范围按伸缩盾（2.75m) +前盾 (1.73m )进行（先进行伸缩盾范围2.75m清理，以实 现TBM脱困，伸缩盾范围清理完成后仍然无法脱困 时，在进行前盾范围清理），掏渣清理环向断面范围

表

序号

图示 1*

一

、

1

上半断面导洞施工工艺流程

施工步骤及措施

①部开挖支护

1. 施作该断面超前支护（拱顶120〇 —次完成）；

开挖①部围岩，米用20cm x 20cm方木及5cm厚木板进行临时支护;开挖至实际尺寸，取临时支护；

架设木板顶棚。

12. 3. 4.

二、继续向掌子面方向施工，直至打通

三、②部开挖、支护1. 开挖②部围岩，采用20cm X 20cm方木及5cm厚木板进行临时支护;2. 开挖至实际尺寸，采取临时支护；3•架设木板顶棚；

41

青海水力发电

1/2018

机送风，置换狭小环境中的污浊空气。鼓风机放置在 前梁行走平台上，鼓风机选用P=250W,配套蛇皮软 管送风管。

(9) 塌方段后期处理

在桩号T9+199.5区域脱困后，针对该区域的塌 方空腔问题，建议采用回填灌浆施工进行空腔回填。

(10) TBM脱困、恢复掘进

为减小刀盘转动时对围岩的扰动，确保上半断 面支护体系的整体稳定性，TBM刀盘驱动采用变频 器模式，刀盘转速取2 ~ 3r/min。同时掘进以单护盾 模式为主，减少撑靴油缸对围岩的扰动。掘进参数按 照“低转速、低推力、低贯入度、连续掘进”的原则、 结合皮带机出渣情况及时调整。在TBM脱困恢复掘 进后，对TBM卡机区域安装D型管片。

(11) 脱困过程中的技术措施①

恢复掘进之前，在掌子面打锚杆注浆加固围

岩，以免掌子面岩石二次塌陷卡机。

②

开始恢复掘进后，严格控制保持、调整TBM姿态，最大限度的确保TBM在通过时“不低头、 不跑偏”，掘进过程中密切关注轴线轨迹，方向难以 控制时放慢速度、确保导向值符合规定，单循环掘进 完成方向偏差超限时，退回重新掘进。

③

盾体进人围岩后充分利用盾体上的预留对盾体和围岩的接触面注入废油、膨润土等润滑物质 减少盾体和围岩的摩擦力。

④

每掘进一个循环完成后，值班工程师进人刀

盘观察掌子面围岩情况，验证超前探测及地质预报结 果情况。

⑤

关注出渣量，严禁无推进情况下大量出渣,

掘进过程中时刻关注1#皮带机上的出渣情况，循环 掘进完成后，及时核实出渣车数，推算出渣量是否可控。

(12) 变形监测

测量人员对开挖面的围岩收敛变形、作业区域 方木支撑变形和盾体变形进行检测，现场随时量测围 岩出现的不同变形。TBM沉降变形，利用VMT导向 系统的姿态测量；导洞围岩变形及支撑方木变形，采 用两个小导向激光，固定在盾体上，做导向线，在支 撑方木上布设收敛点，用钢尺量取相对位置进行测量。42

3.2桩号T14+652.6处卡机处理

3.2.1卡机经过

2017年12月28日晚上11点，TBM1在掘进至

桩号T14+652.6时，发现推力增大，贯入度降低，推 进困难。经现场勘查发现围岩收敛严重，左侧及上方 区域大面积班塌。

卡机事件发生后，我项目部积极采取措施尝试 脱困：在双护盾最大推力达到18000kN,前后活动脱 困无果；再采取单护盾模式脱困，单护盾达到最大推 力24000kN, TBM设备仍然无法推动，单护盾脱困 失败；项目部立即采取高压脱困模式，最大推力达到 30000kN,仍然无法推动，高压脱困失败。

3.2.2原因分析

多种方式尝试无果后，项目部立即启动卡机应 急预案，建立了卡机脱困小组，及时召开卡机应急处

置专题会。(1) 地质情况

桩号T14+583.5 ~ T14+662.9段露出地层岩性为

白垩系河口群（Klhk1)泥质粉砂岩夹砂栎岩，泥质 粉砂岩呈红褐色-暗红色，砂砾岩呈红褐色-灰白色。 该段岩体呈泥沙质结构，层状构造，局部地段夹有砂 砾岩条带，中厚层。该段围岩节理裂隙发育，受挤压

力作用，， 易破碎。掌子面整体较完整，洞壁干燥、无水,

岩性软弱、强度低，遇水软化、泥化，易崩解。岩碴 以粉末状、砂砾状为主，含量约55%,片状岩渣直径

5 ~ 20cm,含量约25%;块状含量约20% 〇根据开挖 揭露的地质情况，根据本段的地层岩性、岩碴情况及 TBM掘进参数，综合判断段围岩局部不稳定，围岩

类别为I类。桩号T14+652.9 ~ T14+662.9段围岩不 稳定，围岩类别为IV类。

(2) 现状查勘①

TBM1刀盘转动正常，掌子面岩石平整，刀痕

清晰，无岩石塌方现象；

②

从刀孔向尾盾方向观察，TBM1前盾与刀盘连

接部位，左右两侧岩壁、顶部岩壁与前盾、支撑盾均 无间隙；

③

伸缩盾部位拉开50cm观察：右侧腰部~右方，伸缩内盾、支撑盾与岩壁均有4cm间隙，但是 有明显擦痕，判断擦痕来自于前盾、支撑外盾与岩壁

好孔上

1/2018青海水力发电

的挤压摩擦；顶部靠近左侧有大块岩石塌落，左上方 泥质细砂岩、砂砾岩呈互层接触，接触面解理发育, 沿接触面有明显的断口，岩壁凹凸不平，岩石较破碎; 左侧下腰部积满渣石，岩壁与支撑盾、伸缩内盾紧贴， 上腰部略有间隙。

根据地质情况和现状查勘结果，确认了此次卡 机事件是由于围岩收敛变形及班塌引起，明确采取从 伸缩盾外侧向刀盘方向开挖导洞的方式进行处理，并 立即组织实施。

3.2.3卡机处理技术

结合兰州水源地TBM1现状，确定了拉开伸缩盾 清渣，清除包裹盾体围岩的脱困处理措施。首先，进 行设备防护，搭设施工平台；其次，拉开伸缩护盾宽 度50cm左右，作为施工工作面；再采用风镐破碎, 洛阳铲清理虚渣的方法，间隔清理包裹盾体顶部、左 上方及前方的围岩；完成虚渣清理后采用单护盾模式 尝试脱困；在脱困失败的情况下，继续以拉开的伸缩 护盾为工作面，采取开挖导洞的方式，把围岩与盾体 紧贴的全部范围开挖；在处理过程中，加强围岩变形 监测；及时排除盾体部位施工积水。

施工顺序：TBM设备防护^搭设平台—围岩清 理与防护（导洞开挖）—掏渣清理—TBM脱困—后 期处理。

(1 ) TBM设备防护

为防止TBM盾体外部塌方掉块，确保搭设平台、 危岩清理、围岩支护、掏渣清理工作施工时TBM设 备及施工人员安全，首先进行TBM设备防护工作。 防护施工前搭设好施工平台’防护主要内容：①间距 10cm扁铁(5mm厚、50mm宽財闭伸缩盾打开的间隙, 腰线及上部270〇范围内；②用橡胶皮带遮盖伸缩盾 内部油缸、液压管路，电器管路等。

(2)搭设平台

搭设平台前，做好TBM设备防护工作。在TBM 前盾~伸缩盾区域，在主机皮带上方用脚手架搭设作 业平台，铺好马道板，为凿岩做好平台准备，同时做 好安全保护措施。

(3 )围岩清理与防护

人工持钢钎及风镐自上而下对包裹盾体外部的

围岩及塌落体破碎清理。

(4)导洞开挖

导洞开挖采取扩挖的方式实施。当伸缩内盾拉 开至500mm时，对于裸露的围岩进行支护工作，挑 口前，依托主机皮带处搭设简易台架，为后续上半 断面施工提供作业平台。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； 再对9点至12点圆弧段范围扩挖，导洞开挖尺寸为 1.5m X 1.5m 为宜，采用 200mm X 200mm 方木、14# 工 字钢、50mm厚木板进行支护，搭设平台作为临时支 撑落脚点。平台要求铺设紧密、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 后人工进人伸缩外盾与岩壁之间向掌子面方向进行 开挖。边开挖边支护，每开挖50cm,进行一次支护， 枕木一头支撑应垂直盾体中心，另一头应与岩石凹面 可靠紧密镶嵌，固定可靠。根据现场开挖实际情况, 每开挖50cm支撑一道枕木或工字钢，工字钢焊接在 盾体上。开挖过程中尽量多支撑枕木，防止围岩坍塌。 直至挖通为止。

开挖过程中安排专人监测掏渣区周边围岩收敛 变形的变化，发生异常情况时立即撤离至安全地带。 如果在处理过程中，对大体积岩块进行破碎，破碎成 小块，清理至皮带机上，运出洞外。破碎石时优先找 岩块节理、裂隙，提高破碎速度。

(5 ) TBM设备维保及其他工作

在开展掏渣工作的同时进行TBM设备维保工作, 确保TBM脱困后设备处于性能良好状态。安排好回 填灌浆、固结灌浆试验等其他工作。

4结论

近年来，TBM (隧道硬岩掘进机）因其掘进速度

快，预制构件衬砌工效高，在国内隧洞施工中被广泛 应用，而TBM能否正常掘进是体现其价值的关键因 素。兰州市水源地建设工程受不可预见的塌方、围岩 收敛变形等不良地质条件影响，TBM1经历了三次卡 机造成停机，三次涉险通过断层破碎带。施工过程中 针对卡机的不同原因进行分析，采取有效的处理措施， 使TBM成功脱困。卡机处理技术的成功应用可为类 似工程施工提供参考。

43