第３４卷增刊１ ２ ０ １ ５年７月 四川水力发电 Ｖｏ１．３４，Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔｌ Ｊｕ１．．２ ０ １ ５ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 掘进机机头与护盾被破碎围岩塌方卡机脱困技术 郑道明， 李 强 （中国水利水电第十工程局有限公司，四川成都６１００７２） 摘要：掘进机在施工过程中，由于地质原因使掘进机在经过断层、裂隙带、渗水带、喀斯特岩层等复杂不良地质地段过程中 因遭遇塌方、卡机等停机事故，给工程和工期造成不可预见的影响。通过对厄瓜多尔ＣＣＳ项目掘进机施工中出现的机头塌 方和护盾被压实施的脱困处理技术进行了分析与探讨，可为今后掘进机施工中出现类似问题提供借鉴。 关键词：长隧洞；护盾式掘进机；机头；破碎围岩；断层；塌方卡机；厄瓜多尔ＣＣＳ项目 中图分类号：ＴＶ５２；ＴＶ５５４ ，２ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１－２１８４（２０１５）增１－００８３－０４ １概述 施工时塌方卡住刀盘造成停机；③掘进机掘进 在长隧洞施工中，掘进机是一项技术先进的 施工时，涌水和强渗漏给施工造成了很大危害，水 量较大时也会造成掘进机停机；④掘进机在喀斯 特（石灰岩）地区掘进时，由于隧洞前方、下部或 开挖机械，具备边开挖、边出渣、边衬砌等作业功 能。掘进机开挖速度快，从而使隧洞的超挖得到 了有效控制，不会出现欠挖问题。然而，在掘进机 上部出现溶洞等原因造成停机。 ３ ＣＣＳ项目掘进机机头塌方采用的处理技术 ３．１ 机头前塌方停机采用的处理技术 施工中，由于设计所提供的地质条件有限，掘进机 在经过破碎软弱地层、断层、裂隙、渗水等复杂地 段时会因各种塌方、卡机、围岩压在护盾上等而造 成停机事故的发生，从而给工程和工期造成不可 预见的影响。我局在南美州厄瓜多尔ＣＣＳ水电 对于掘进机机头前塌方和围岩收敛变形造成 的停机，其被困部位为掘进机刀盘和护盾。在处 理停机的掘进机时，为确保设备在安全的前提下 尽快解除刀盘前的塌方，处理时采用开挖左、右旁 洞和上导洞的方案尽快进入到掘进机刀盘处，并 在距刀盘３～５ Ｉｎ处进行上导洞顶拱部位的扩挖， 扩挖后采取钢拱架、喷混凝土、锚杆与挂钢筋网联 站项目施工的长引水隧洞直径为９ ｉｎ，采用掘进 机进行掘进。２０１３年１２月９日，当掘进机掘进 到桩号１６＋１２７．４１处，掘进机刀盘前方突遇塌 方，出渣量瞬间超过３＃皮带机的正常输送能力， 大量的岩渣溢出皮带机并导致输渣皮带机系统故 合支护。同时，由于掘进机刀盘前破碎围岩坍塌 后挤压在刀盘前而导致刀盘无法转动、掘进机护 障被迫停机。项目部立即组织人员对掘进机内外 溢出的岩渣进行清理，恢复了皮带机运行，但掘进 机仍然无法启动。经现场检查，发现在掘进机刀 盘前方１１：００一ｌ５：００点方向位置出现了严重塌 盾被压而不能前进，因此，若要使掘进机脱困，就 需要挖除和支护好刀盘前顶部松散的岩石或爆除 压在护盾上的围岩，其处理方法介绍如下。 ３．１．１施工准备 （１）搭设平台。采用Ｉ １６工字钢搭设刚性保 方并拌有少量渗水，刀盘被大量的塌方岩渣卡住 而使掘进机无法启动，从而出现掘进机机头卡机 状态。 护平台并兼做作业平台，平台高度同旁洞底板一 致。平台顶部满铺１０ ｃｍ×１０ ｃｍ木枋并用铁丝 进行固定，平台左右两端用钢管搭设高１．５ ｉｎ的 围栏，并用木板或铁板封闭，防止施工时人员坠落 ２造成塌方的原因 护盾式掘进机在施工过程中造成卡机、停机 的原因有以下几种：①在采用护盾式掘进机对 偏软围岩隧洞实施开挖后，围岩在二次应力状态 下发生了较大的变形，围岩压在护盾上造成停机； 受伤以及旁洞开挖爆破时石渣掉落损伤设备。在 平台中间设１ ｉｎ×１ ｒｎ的溜渣孔，溜渣孔上方采用 （ｐ２５的钢筋按２０ ｃｍ×２０ ｃｍ孔径设置过滤网，防 ②由于掘进机在开挖时机头前方围岩软弱破碎， 收稿日期：２０１５－０１－０８ 止卸渣时大块的渣料损伤皮带，溜渣孔不使用时 Ｓｉｃｈｕａｎ ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ圈 郑道明等：掘进机机头与护盾被破碎围岩塌方卡机脱困技术 ２０１５年增刊１ 用盖子封盖。 并露出旁洞开挖的岩面。 ３．１．２旁洞的开挖 （１）旁洞开挖采用的方法。旁洞开挖采用人 工手风钻造孔，第一和第二槽炮先进行掏槽孔开 挖，掏槽形成后再对旁洞进行扩挖并逐步形成旁 洞开挖工作面。旁洞开挖采取浅孔弱爆破、多循 （２）加固管片。在确定旁洞开挖位置后，对 旁洞左、右、上、下的混凝土管片进行加固。采用 在管片上钻孔或利用管片操作孔进行钻孔，尽量 减少对管片的损坏。采用‘ｐ２５、Ｌ＝３ ｍ的药卷或 砂浆锚杆对上半部分的管片进行锁定，对于其它 部分则采用螺栓加垫板的方式锁定管片，并对所 环、短进尺、强支护方式进行施工。旁洞开挖时， 将每循环钻孔深度控制在１～１．２ ｍ，旁洞周边孔 采取光面爆破，光爆孔孔距为３５～４０ ｃｍ。在靠 近刀盘部位另加一排减震孔，旁洞开挖爆破参数 见表１。 有已安装好的管片填充豆石并灌浆固结。 （３）拆除管片。旁洞开挖前，对旁洞位置的 管片采用风镐与电镐进行部分拆除，折除管片时， 应预留２—３片管片不折除。拆除管片时，对露出 的钢筋采用火焊或砂轮机切断钢筋，管片拆除完 （２）旁洞开挖的要求与方向。旁洞开挖时， 表１ 旁洞开挖爆破参数表 由测量人员标示出钻孔位置，人工持手风钻钻孔 和爆破并逐步形成左、右旁洞开挖工作面。旁洞 个循环进行一次超前固结灌浆。每循环开挖后先 喷５ ｃｍ厚的混凝土封闭围岩，再挂钢筋网并安装 钢拱架，最后施工系统锚杆并补喷１０ ｃｍ厚的混 凝土。 朝掘进机刀头方向延伸。为便于排水，旁洞延伸 时保持约１％的纵坡，除渣采用人工手推车将岩 渣运到作业平台的溜渣孔，利用掘进机皮带系统 ３．１．３固结灌浆 运渣至洞外。旁洞施工情况见图１。 上导洞开挖前，因刀盘前为破碎断层带且因 岩石裂隙发育、稳定性极差，故导洞的开挖先采用 ６ ｍ长的自进式锚杆作管棚，并利用锚杆的特殊 功能施作围岩超前固结灌浆，灌浆材料选用双液灌 浆（水泥＋水玻璃），灌浆顺序为：掌子面斜向孔、顶 拱径向孔，采用高压泵灌注。同时，注浆时应控制 压力，确保灌浆不破坏支护结构和固结刀盘。 ３．１．４上导洞开挖 在旁洞开挖过程中，根据旁洞揭露出的围岩具 体情况，及时确定旁洞的转弯点，在确定左、右旁洞 的转弯点后进行径向开挖，形成上导洞开挖掌子面 图１旁洞施工不意图 （３）旁洞开挖的支护类型与顺序。旁洞开挖 时，在Ⅲ、Ⅳ类围岩开挖前，根据需要采用自进式 并尽快形成处理刀盘前破碎围岩的工作面。 （１）上导洞的开挖方法。当第一径向开挖完 超前锚杆进行锚固和灌浆，将循环进尺控制在 ０．８—１．２ ｍ，开挖完成后，喷５ ｃｍ厚混凝土封闭 围岩，随即施工长２．５～３ ｍ的安全支护锚杆并挂 钢筋网，挂网后再喷１０ ｅｍ厚的混凝土进行加强 成后，进行顺洞轴线主洞的开挖处理，开挖时分３ 区施工，左、右拱角为Ｉ区和Ⅱ区，Ⅲ区为导洞顶 部核心土，先施工开挖左、右拱角处，在开挖Ｉ区 和施工Ⅱ区时Ⅲ区作为核心土支撑区。最后开挖 支护。Ｖ类围岩采用自进式锚杆进行超前锚固， 将每循环开挖进尺控制在０．６～０．８ ｍ，每开挖三 核心土部分，开挖后按支护程序及时进行支护。 上导洞开挖方法见图２。 Ｉｎ Ｓ￣ｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ 第３４卷总第１７５期 四川水力发电 ２０１５年７月 图２上导洞开挖方法示意图 （２）当旁洞开挖到规定的上导洞顶拱施工部 位时，若开挖旁洞出现破碎岩体，则不能随意进行 上导洞的开挖，以防出现塌方而影响下一步钢拱 架与管棚施工时无坚固的基脚。应退后到围岩较 好的部位进行上导洞顶拱的开挖。 （３）左、右旁洞在不同切面上的上导洞顶拱 开挖后，首先进行Ｉ区、Ⅱ区半榀钢拱架的安装， 钢拱架的一端支撑于距离护盾２ ｍ的基岩上，另 一端ｌ临时支撑于护盾上，随即进行系统锚杆及喷 混凝土施工。当把起核心支撑作用的顶部岩体开 挖后，应尽快完成钢拱架最后的连接，形成完整的 钢拱架支撑体系，依托钢拱架进行超前自钻式锚 杆施工，自钻式锚杆（管棚）间距按２０ ｃｌｎ控制， 以使隧洞顶部形成有效的支撑棚架。 ３．１．５机头处塌腔的处理 （１）塌方空腔的处理。对于塌方空腔，当采 用管棚、钢拱架进行封闭时，应及时检查空腔现 状，若空腔较高、较长、宽度较大时，对空腔采取的 处理方法是：喷混凝土支护一打锚杆一挂钢筋网 一复喷混凝土（喷混凝土厚度达到１５ ｃｍ）。当坍 塌空腔较高时，采用双层钢拱架，钢拱架架立后用 ‘ｐ２５，Ｌ＝２．５—３ ｍ的锁脚锚杆固定。 ３．１．６机头前方破碎带的处理 （１）在对掘进机刀盘前的塌腔和塌方体进行 处理后，对其前方４７．６ ｍ的破碎围岩区域先进行 超前的固结灌浆，采用水泥浆对破碎围岩进行预 固结，并在超前固结灌浆孔内加入钢筋束，对围岩 实施加固处理。 （２）超前管棚的施工。用一排‘ｐ２５的自进式 锚杆作管棚，管棚长Ｌ＝４．５～６ ｍ，间距２０ ｃｍ，锚 杆深入围岩４～５．５ ｍ，利用自进式锚杆进行水泥 灌浆。 （３）上导洞开挖。开挖采用松动爆破结合人 工风镐半侧开挖，将一次管棚开挖长度控制在管 棚长度的２／３位置，开挖后的顶拱采用喷混凝土 与半边钢拱架支护。之后开挖另一侧洞顶，使之 形成大拱，将钢拱架间距控制在５０～６０ ｃｍ一榀。 破碎带上导洞处理完成后，隧洞的下半部分采用 掘进机掘进。 ３．２安全措施 （１）在掘进机机头塌方处理过程中，现场配 备２名专职安全工程师监督现场施工，并在爆破 后立即检测有害气体。隧洞爆破后，应持续通风 散烟，直到有害烟尘含量满足要求时，施工人员方 可进行下一步施工。 （２）左、右旁洞施工时，应完成其它管片的锚 固工作，工作平台的搭设、防护栏封闭、全部施工 准备工作完成后，经专职安全员检查合格后方可 开始钻孔爆破施工。 （３）旁洞钻孔完成后，爆破装药由专业炮工 实施，安全员现场监督。爆破前，安全员对所有安 全防护进行确认检查并鸣哨、放出警戒人员，这 时，现场所有的施工人员撤离到掘进机的救生舱 内，或撤离至掘进机尾部之后５０ ｍ以外。 （４）在旁洞、顶拱导洞施工时，应配置专职救 生员，配足劳保用品及相关急救药品。爆破时，在 掘进机尾部停放一台小火车待命，以便紧急情况 下及时撤离施工人员。 （５）为防止放炮时的冲击波和飞石损伤到洞内 设备，用木枋和旧皮带制作柔性保护帘，爆破前将此 保护帘吊挂于旁洞进口，用以减缓爆破的冲击。 ４针对掘进机护盾被压采取的脱困技术 甘肃省引大人秦主干渠３８＃引水隧洞洞长 ５．８ ｋｍ，开挖直径为５．５８ ｍ，隧洞的工程地质条 件为：岩体为砂岩与砾岩，围岩级别主要以１１Ｉ２类 与Ⅳ类为主，围岩岩体较软弱。隧洞采用美国罗 宾斯公司生产的双护盾掘进机开挖。隧洞开挖 前，岩体初始应力是平衡的，隧洞开挖后打破了围 岩的应力平衡，在围岩应力重新分布过程中隧洞 断面缩小，使围岩紧紧压在掘进机的护盾上，造成 掘进机停机。在处理压在护盾上的围岩时，采用 在隧洞腰线以下左、右边的护盾上割开一个“窗 口”，利用“窗口”对压在护盾上的围岩打浅孔进 行松动爆破。钻孔爆破按一天三班进行作业，经 过７ ｄ连续作业，把压在护盾上的围岩全部爆除， ｒ Ｓｉｃｈｕａｎ Ｗａｔｅｒ Ｐｏｗｅｒ圈 郑道明等：掘进机机头与护盾被破碎围岩塌方卡机脱困技术 ２０１５年增刊１ 从而使掘进机恢复掘进开始挖掘，并为在复杂地 质条件下掘进机脱困积累了施工经验。笔者对该 镐）协助撬出；而在爆破护盾顶部上的围岩时，爆 破后围岩并没有全部离开护盾顶部，必须用人工 类停机脱困处理方法简述如下。 ４．１左、右护盾开“窗口” 将其清除到边墙，然后由“窗口”运出。 ５ 结语 为解决隧洞围岩由于应力重分布过程中围岩 紧紧压在护盾上造成的掘进机停机事故，采用在 由于在隧洞掘进中所采取的掘进机类型不同、 地质条件千差万别，在掘进机施工过程中会遇到各 掘进机操作室前的护盾左、右开窗口，利用窗口进 行打孔以爆除围岩。“窗口”的尺寸控制在１ ｍ× ０．８ ｍ（高×宽），保证了施钻人员有一定的活动 种不同的破碎地层和卡机状况，如何选择最佳的处 理措施是掘进机施工过程中的一大难题。厄瓜多 尔ＣＣＳ水电站引水隧洞掘进机机头卡机经过４个 空间。 ４．２钻孔爆破要求 利用在护盾上开出的“窗口”清除压在护盾 上的围岩，首先对“窗口”处的围岩进行爆除。钻 孔深度控制在５０ ｃｍ范围，孔距为４５ ｃｍ，同时设 置４个楔形掏槽孔使“窗口”爆破时获得较好的 效果。“窗口”爆破出来后，向上、向前钻孔和爆 破施工以创造工作面，钻孔布在离护盾２５ ｅｍ的 位置，以保证爆孔和护盾之间有一定的保护层。 “窗口”爆破时，严格控制装药量，控制一次 起爆炮孔，以减小爆破冲击波对ＴＢＭ造成的损 伤。采用松动爆破，将单耗药量控制在０．３—０．４ ｋｇ／ｍ 内。雷管采用非电雷管，段别为１段、３段、 ５段、７段等，起爆采用火雷管与导火索。 ４．３爆破时的防护 在进行“窗口”爆破施工时，由于爆破时爆口 直接对着掘进机内部且距ＴＢＭ操作室较近，在爆 破时，除严格控制药量和雷管分段外，还应加强爆 破时的有效防护。 （１）“窗口”爆破时采取双层防护以确保爆破 时不产生飞石而对设备造成损害。第一层防护采 用有弹性和柔性的材料（旧输送带、橡胶带）做成 炮被，并将其牢固地固定在“窗口”部位，炮被大 于“窗口”左右各１００ ｃｍ，以防止爆破时飞石从 左、右边墙抛出。 （２）在采用柔性炮被进行防护后，为确保万无 一失，在距柔性炮被１００ ｃｍ处再设置一道木板防 护墙。防护墙的木板厚度为４—５ ｃｍ，木板用木枋 固定。木板防护墙起到的是最后拦截飞石的作用。 ４．４ 出渣方式 压在护盾上的围岩经爆破后并不像其它爆破 那样出现抛掷，而是在爆破后出现裂缝且松散，因 此，在边墙初次爆破后需采用其它手段（钢钎、风 圈Ｓ＆ｈｕａｎ ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ 月时间处理，解除了掘进机机头卡机停工问题，同 时对５１ ｍ长破碎带顶拱进行了加固处理，确保了 掘进机对隧洞的正常掘进并保证了工期。笔者认 为：掘进机在施工过程中应充分注意以下几点。 （１）在掘进机施工前，必须制定出针对多种 不良地质段和其它卡机原因的紧急处理预案，并 对处理预案中需要的特殊设备（手风钻、管棚机、 喷射机等）、特殊材料（自钻式锚杆、３６Ｂｅ水玻璃、 速凝剂、钢管、工字钢）等支护材料做到随用随 到。因为塌方的发展在前期是可以做到人为控制 的，随着处理滞后，塌方发展，会出现掉块、卡机等 严重现象，并将错过最佳的处理时机。 （２）在解除掘进机机头被卡施工时，施工现场 采用左、右旁洞、大型操作平台、上导洞、自进式锚 杆、超前固结灌浆、钢拱架与喷混凝土等施工方法， 能够有效地解除掘进机机头卡机与塌方。掘进机 在复杂地质条件下施工时，应首先考虑人员、设备 的安全，确保在掘进机安全的前提下考虑进度。 （３）ＣＣＳ项目在顶部上导洞开挖时，采取先 打超前自进式锚杆作棚架、短进尺开挖配合钢拱 架支护，有效控制了破碎带。 （４）在复杂地质情况下，为了解掘进机前方 的地质状况，可在旁洞中采用钻孔取芯的方式进 一步查明前方的地质情况，为不良地质段施工方 案的制定提供可靠的依据。同时，对掘进机刀盘 前不良地质段进行施工前，根据地质状况，可采取 固结灌浆的方式用以提高围岩强度和稳定性，灌 浆时应避免刀盘被水泥灌浆凝死。 作者简介： 郑道明（１９５５一），男，重庆市人，调研员，教授级高级工程师，从事 水电工程施工技术与管理工作； 李强（１９８２．），男，重庆市人，三分局副分，工程师，从事水 电工程施工技术与管理工作． （责任编辑：李燕辉）
