西秦嶺隧道不良地質(zhì)段TBM施工技術(shù)

歐陽(yáng)艷

(陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 陜西渭南 714000)

1 工程概況

蘭渝鐵路西秦嶺隧道位于新建鐵路蘭渝線中段,地處甘肅省隴南市武都區(qū)境內(nèi)。西秦嶺特長(zhǎng)隧道全長(zhǎng)28.236 km,為左右線分設(shè)的兩條單線隧道,隧道最大埋深約1 400 m。西秦嶺隧道采用TBM掘進(jìn)與鉆爆法混合施工,TBM掘進(jìn)集中在出口，分為左、右線各2段。第一段7 680 m(DIK421+115～DIK413+435),第二段7 840 m(DIK411+430～DIK403+590)。

2 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

秦嶺特長(zhǎng)隧道地層穩(wěn)定,主要為石炭系下統(tǒng)砂質(zhì)千枚巖、泥盆系下統(tǒng)灰?guī)r、千枚巖、下元古界灰?guī)r、變砂巖夾砂質(zhì)千枚巖、變砂巖、砂質(zhì)千枚巖、斷層角礫巖和斷層泥礫。地下水類(lèi)型可分為巖溶裂隙潛水、承壓水及構(gòu)造基巖裂隙潛水、承壓水。在大地構(gòu)造單元上屬秦嶺褶皺系的南秦嶺冒地槽褶皺帶,褶皺、斷裂發(fā)育,多近乎東西向。TBM施工段中，DIK404+305～DIK404+790段地層巖性為下元古界千枚巖夾變砂巖,總體以變砂巖為主,夾有中薄層砂質(zhì)千枚巖。受構(gòu)造影響嚴(yán)重,屬Ⅳ級(jí)圍巖,為節(jié)理密集帶,巖體完整性較差。地下水以基巖裂隙水為主,屬構(gòu)造裂隙弱富水區(qū)(Ⅱ區(qū)),預(yù)測(cè)單位正常涌水量為430～733 m3/d·km,水質(zhì)良好,對(duì)圬工無(wú)侵蝕性。DIK410+995～DIK411+160段地層巖性為下元古界千枚巖夾變砂巖,為節(jié)理密集帶,巖體完整性較差,屬Ⅳ級(jí)圍巖。地下水以基巖裂隙水為主,屬構(gòu)造斷裂中等富水區(qū)(Ⅰ區(qū)),預(yù)測(cè)單位正常涌水量為2 700 m3/d·km,對(duì)圬工無(wú)侵蝕性。如何對(duì)不良地質(zhì)體進(jìn)行預(yù)報(bào),如何安全通過(guò)節(jié)理發(fā)育地帶及斷層破碎帶,遇地下滲水及涌水該如何處理,是本工程中面臨的主要地質(zhì)問(wèn)題。

3 主要技術(shù)措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

為及時(shí)了解掌子面前方的地質(zhì)條件,需要進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的內(nèi)容有：斷層，軟弱夾層，巖溶的位置、規(guī)模和性質(zhì)；不同巖類(lèi)間接觸界面位置；工程地質(zhì)災(zāi)害可能發(fā)生的位置和規(guī)模等。通過(guò)超前預(yù)報(bào)可減少盲目性,便于采取正確的開(kāi)挖方法和支護(hù)措施。尤其在軟弱破碎圍巖掘進(jìn)過(guò)程中,超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是決定TBM能否快速、順利通過(guò)軟巖地段的關(guān)鍵。西秦嶺隧道主要以TRT超前地質(zhì)預(yù)報(bào)儀、HP303紅外線探水儀預(yù)報(bào)為先導(dǎo),探明前方地質(zhì)情況。TRT技術(shù)利用彈性波反射原理發(fā)射信號(hào),當(dāng)遇到聲學(xué)阻抗差異界面時(shí),一部分信號(hào)被反射回來(lái),一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。反射的地震信號(hào)被高靈敏地震信號(hào)傳感器接收,經(jīng)過(guò)分析來(lái)判斷隧道掌子面前方含水區(qū)域的位置與大小，以及掌子面前方的圍巖級(jí)別及其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征等。TRT法具有效率高,操作簡(jiǎn)單,成圖直觀等優(yōu)點(diǎn)。紅外線探水儀的原理是巖體紅外輻射場(chǎng)強(qiáng)會(huì)隨著地下水的活動(dòng)發(fā)生變化,因此通過(guò)探測(cè)掌子面或洞壁四周場(chǎng)強(qiáng)的變化,可以推測(cè)是否有隱伏的含水體。該方法準(zhǔn)確性高,干擾小,測(cè)量快速,施工干擾小。

3.2 軟弱破碎圍巖地段掘進(jìn)

TBM為敞開(kāi)式硬巖掘進(jìn)機(jī)提供了三種工作模式：自動(dòng)扭矩控制、自動(dòng)推力控制和手動(dòng)控制模式。自動(dòng)扭矩控制只適用于均質(zhì)軟巖,自動(dòng)推力控制只適用于均質(zhì)硬巖,手動(dòng)控制模式操作方便、反應(yīng)靈活,適用于各種地質(zhì),因此在掘進(jìn)中通常采用手動(dòng)控制模式進(jìn)行掘進(jìn)。

主要通過(guò)扭矩變化并結(jié)合推進(jìn)力參數(shù)選擇掘進(jìn)參數(shù),控制單機(jī)電流不超過(guò)額定值。以PPS自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)控制TBM掘進(jìn)姿態(tài)；其掘進(jìn)動(dòng)作流程為：撐緊撐靴,收起后支撐→刀盤(pán)旋轉(zhuǎn),開(kāi)始掘進(jìn)推進(jìn)→掘進(jìn)行程完成后,進(jìn)行換步,放下后支撐→收回水平撐靴,前移撐靴,再撐緊水平撐靴→進(jìn)行下一掘進(jìn)循環(huán)。

3.3 軟弱破碎圍巖段處理

(1)超前小導(dǎo)管注漿加固

對(duì)軟弱、構(gòu)造影響破碎段等不良地質(zhì),采用TBM自帶鉆機(jī)鉆孔、清孔,設(shè)計(jì)安設(shè)φ42無(wú)縫鋼管,采用TBM自帶注漿機(jī)注水泥漿,注漿壓力一般為0.2～0.5 MPa。當(dāng)單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量時(shí),或達(dá)到注漿壓力持荷10 min后,即可結(jié)束注漿。

(2)鋼支撐施工

通過(guò)材料運(yùn)輸車(chē)將鋼拱架運(yùn)送到TBM吊機(jī)附近,由吊機(jī)運(yùn)送到拱架安裝器的上方或下方,鋼架安裝器夾住鋼架后,導(dǎo)向軌旋轉(zhuǎn)安裝器,直至下一段拱架可以用螺栓固定在前一段的尾端,重復(fù)這個(gè)過(guò)程直至整環(huán)完成。當(dāng)一環(huán)完成后由拱架安裝器上的張緊機(jī)構(gòu)將鋼拱架向外擴(kuò)張,并與巖面楔緊。鋼架的經(jīng)擴(kuò)張與巖面楔緊后利用錨桿鉆機(jī)鉆孔施做鎖腳錨桿,按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鎖定,然后通過(guò)φ22的螺紋鋼筋與上一榀鋼架縱向焊接相連,環(huán)向間距應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。安裝過(guò)程中鋼拱架須與巖面之間楔緊,相鄰鋼拱架之間的縱向連接筋必須焊接牢靠連接成整體,安裝完畢后用噴射混凝土將其覆蓋；鋼支撐與巖面之間的空隙須用噴混凝土充填密實(shí)。

(3)初噴射混凝土施工

在軟弱破碎圍巖地段,需要在護(hù)盾后初噴混凝土盡快封閉圍巖,此時(shí)將TBM后配套上噴混凝土區(qū)域的混凝土輸送管路接長(zhǎng),延伸至護(hù)盾后(混凝土輸送泵具備相應(yīng)能力),采用人工噴射混凝土方式進(jìn)行初噴作業(yè),其施工工藝與方法與鉆爆段相同。待該段進(jìn)入機(jī)械噴混凝土區(qū)域后,采用機(jī)械噴射方式復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

軟弱破碎圍巖掘進(jìn)工序流程見(jiàn)圖1。

圖1 軟弱破碎圍巖掘進(jìn)施工工序流程

3.4 軟弱破碎圍巖段坍塌處理

(1)坍塌原因及影響分析

圍巖的坍塌和破壞是造成TBM掘進(jìn)停工的主要原因,巖體產(chǎn)生坍塌的原因及影響主要有：

①受斷層影響帶及其次生小斷層的影響,軟弱結(jié)構(gòu)面、寬大節(jié)理及節(jié)理密集帶發(fā)育的影響,以及在TBM施工時(shí)連續(xù)震動(dòng)、地下水、應(yīng)力釋放、重力等綜合作用下開(kāi)挖后易發(fā)生坍塌,造成底部清碴時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

②巖體的自穩(wěn)能力很差,在TBM掘進(jìn)時(shí),常在護(hù)盾上方或刀盤(pán)前方發(fā)生大規(guī)模的坍塌。塌方深度高、塌方量大。因混凝土回填引起支護(hù)作業(yè)時(shí)間加長(zhǎng)。

③隧道開(kāi)挖前,巖體初始應(yīng)力處于相對(duì)平衡狀態(tài),開(kāi)挖隧道后,改變圍巖的受力狀態(tài)。應(yīng)力重分布引起圍巖收斂變形。圍巖收斂、拱頂下沉造成洞室斷面凈空大為縮小,不能滿(mǎn)足二次襯砌凈空,影響到隧道的二次襯砌。

④TBM依靠撐靴對(duì)隧道的反力而獲得向前的推力,在軟弱結(jié)構(gòu)面、節(jié)理發(fā)育地帶,巖體破碎,受撐靴擠壓而發(fā)生滑塌。

(2)坍塌處理措施

在護(hù)盾及前方采用超前小導(dǎo)管或超前錨桿支護(hù),通過(guò)采取超前小導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù),提高圍巖自穩(wěn)能力,能有效控制圍巖出護(hù)盾前的變形,保證二次襯砌凈空。在護(hù)盾后部緊跟掘進(jìn)施作錨、網(wǎng)、鋼拱架、噴混凝土及時(shí)封閉圍巖；在局部圍巖破碎地段,為保證結(jié)構(gòu)安全,在護(hù)盾后平臺(tái)采用自鉆式錨桿加固圍巖；TBM通過(guò)后,后配套上的噴混凝土及復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度,保證支護(hù)強(qiáng)度。

充分利用掘進(jìn)機(jī)的濕噴設(shè)備,在圍巖出護(hù)盾后及時(shí)初噴混凝土,封閉圍巖,將圍巖的收斂變形減少到最低限度。由于圍巖松動(dòng)范圍的擴(kuò)大,而使圍巖的穩(wěn)定性降低,為了保證施工及投入使用后的結(jié)構(gòu)安全,襯砌后需及時(shí)進(jìn)行固結(jié)注漿。

對(duì)剝落和坍腔的處理：由于圍巖軟弱,造成掘進(jìn)機(jī)在行進(jìn)時(shí)撐靴部位打滑,圍巖二次擾動(dòng),出現(xiàn)更大的坍塌,為此采取的措施是：當(dāng)剝落在15 cm以?xún)?nèi)時(shí),采取噴射混凝土封閉并噴平,以便于掘進(jìn)機(jī)撐靴通過(guò)；坍腔在15 cm以上時(shí),首先采用濕噴系統(tǒng)封閉圍巖,然后利用已經(jīng)架立的鋼拱架立模灌注C30細(xì)石混凝土,填平坍腔,可以避免坍腔繼續(xù)向前方延伸而產(chǎn)生過(guò)大變形,有效控制臨空面的繼續(xù)擴(kuò)大而造成更大范圍的坍塌,同時(shí)也可保證掘進(jìn)機(jī)的撐靴順利通過(guò)而不擠壓拱架。

對(duì)撐靴部位由于圍巖抗壓強(qiáng)度不能提供足夠的撐靴反力,而易造成撐靴打滑,撐靴部位二次擾動(dòng),變形過(guò)大,針對(duì)此現(xiàn)象擬采取的對(duì)策如下：①此部位出護(hù)盾后立即對(duì)此部位進(jìn)行鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)、噴射混凝土施工支護(hù)作業(yè),增加此部位的抗壓強(qiáng)度,提高承載力；②調(diào)整撐靴壓力來(lái)減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)。

因圍巖坍塌而產(chǎn)生的巖碴無(wú)法通過(guò)正常的出碴系統(tǒng)排出,可在護(hù)盾后增設(shè)的一套機(jī)械清碴系統(tǒng),縮短清碴工序時(shí)間、提高特殊地段的掘進(jìn)速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

西秦嶺施工過(guò)程中,通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)、根據(jù)不同的地質(zhì)條件合理選用TBM掘進(jìn)參數(shù)、超前加固、及時(shí)封閉圍巖以控制變形、控制坍塌擴(kuò)延采用合理的支護(hù)措施、提高通過(guò)不良地質(zhì)洞段時(shí)的支護(hù)速度等一系列措施,使得TBM掘進(jìn)機(jī)最終順利通過(guò)了斷層破碎帶。

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