TBM掘進(jìn)技術(shù)在軟巖隧洞中的應(yīng)用

高燕芳

(山西省水利水電工程建設(shè)監(jiān)理公司,山西 太原 030002)

當(dāng)前,全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)在隧道施工中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。TBM掘進(jìn)技術(shù)在硬巖掘進(jìn)中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性;對(duì)軟巖,盾構(gòu)的優(yōu)勢(shì)則較為明顯。設(shè)備的選型往往依據(jù)巖體的特征確定。對(duì)于長(zhǎng)距離隧洞,圍巖條件復(fù)雜多變,在對(duì)巖體情況超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上,選擇適用的掘進(jìn)設(shè)備,對(duì)確保工程順利進(jìn)行非常重要。

1 7#隧洞單護(hù)盾TBM施工

1.1 7#隧洞圍巖情況

甘肅引洮工程7#隧洞全長(zhǎng)17.286 km,洞線NE62°布置,隧洞最大埋深368.00 m。隧洞圍巖類別主要為Ⅳ類圍巖和Ⅴ類圍巖。其中,Ⅳ類圍巖分布于隧洞前段,圍巖巖性主要由白堊系K1hk3巖層構(gòu)成,局部段為上第三系N2L3砂巖、砂礫巖?？傮w由較軟巖組成,為軟硬互層的中厚層結(jié)構(gòu),單斜構(gòu)造,裂隙較發(fā)育,圍巖中有少量的基巖裂隙水,呈滴滲狀態(tài),不整合界面附近呈線狀流水。Ⅴ類圍巖分布于隧洞后段,圍巖巖性主要由上第三系N2L3及白堊系K1hk4的巖層構(gòu)成。巖性為K1hk4泥質(zhì)膠結(jié)的粉細(xì)砂巖,局部夾薄層泥巖,巖性軟弱;巖性為上第三系N2L3磚紅色,砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖,局部為砂巖、砂礫巖,泥質(zhì)膠結(jié)為主,膠結(jié)程度差,屬極軟巖,遇水易膨脹,飽水后崩解,失水干縮,具弱膨脹性。

1.2 TBM在不同圍巖情況下的掘進(jìn)方案

1.2.1 上第三系紅層地段

由于泥巖本身不富水或者不透水,為防止刀盤和刀具被糊,掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)控制刀盤噴水或者不用刀盤噴水,可減少刀盤和刀具被糊;刀盤噴水減少或者不用后會(huì)造成掘進(jìn)過(guò)程中粉塵大量增加,因此需在刀盤出渣口、皮帶機(jī)以及與皮帶連接處設(shè)置噴水(最好形成水簾或霧狀)裝置,配合使用除塵風(fēng)機(jī),可減少粉塵。同時(shí)增設(shè)2～3道皮帶刮渣裝置,防止皮帶被糊打滑,在皮帶出渣口處加強(qiáng)渣土清理,防止出渣口被堵。

優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),特別是TBM掘進(jìn)的主推力、刀盤轉(zhuǎn)速、刀具貫入度、掘進(jìn)速度等主要參數(shù)的協(xié)調(diào)優(yōu)化,防止刀具懸磨,刀盤糊住。在該種地層條件下,在能控制盾體滾動(dòng)和管片滾動(dòng)的前提下,盡量增大推力,降低刀盤轉(zhuǎn)速,降低刀具消耗,減少換刀頻率,提高掘進(jìn)效率。

冬季加強(qiáng)防寒工作,加強(qiáng)運(yùn)輸組織,出現(xiàn)渣土受凍沾粘在礦車上時(shí)及時(shí)采用風(fēng)鎬清除。

1.2.2 上第三系含礫砂巖

加強(qiáng)TBM設(shè)備保養(yǎng)、維修,防止TBM異常停機(jī)時(shí)間過(guò)長(zhǎng),導(dǎo)致圍巖收斂抱死TBM主機(jī)。在TBM異常停機(jī)且判斷停機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)時(shí),一是派專人觀察和測(cè)量盾體與圍巖間隙,二是可通過(guò)盾體上的預(yù)留孔洞注入油脂或者膨潤(rùn)土漿液。

針對(duì)含礫砂巖段TBM掘進(jìn),優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù),采取大推力,低刀盤轉(zhuǎn)速,減少圍巖擾動(dòng),防止掌子面塌方;嚴(yán)格控制出渣量,必要時(shí)可增加刮渣口封堵裝置,減少刀盤開(kāi)口率,同時(shí)配合進(jìn)行掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化。

在尾盾處增加排水泵,加強(qiáng)隧道清渣、排水,快速安裝管片,達(dá)到掘進(jìn)速度均勻,TBM連續(xù)、快速地通過(guò)此地層。

管片無(wú)法回填豆礫石時(shí),應(yīng)從工作孔內(nèi)插入小導(dǎo)管進(jìn)行注漿加固,使管片背部形成固結(jié)圈保證管片穩(wěn)定,如管片漏水嚴(yán)重時(shí),可灌注雙液漿進(jìn)行封堵。

1.2.3 不整合接觸面

由于TBM是反坡施工,TBM在經(jīng)過(guò)不整合接觸面時(shí)特別加強(qiáng)隧道排水,擬洞內(nèi)增設(shè)一趟Φ 100鋼管排污管路,同時(shí)TBM后配套上增設(shè)排水水管卷筒,隨掘進(jìn)向前延伸,后配套上增設(shè)污水箱進(jìn)行污水沉淀,隧洞增設(shè)沉淀水箱,定期清理,防止管道內(nèi)泥沙沉積。TBM通過(guò)豎井工作面后,擬從豎井處排水,利用豎井井架和吊泵進(jìn)行抽排。同時(shí)編組上增設(shè)水箱,可利用水箱將污水運(yùn)出洞外。

1.2.4 含水疏松砂巖洞段支護(hù)問(wèn)題

豎井工作面處理主洞不良地質(zhì)洞段僅進(jìn)行初期支護(hù),由于含水疏松砂巖結(jié)構(gòu)疏松,基本無(wú)自穩(wěn)能力,初支結(jié)構(gòu)將承受較大周邊圍巖壓力。為保證TBM能順利空推通過(guò),含水疏松砂巖洞段應(yīng)考慮較大的預(yù)留變形量。另外需根據(jù)施工過(guò)程中監(jiān)控量測(cè)情況,對(duì)初期支護(hù)參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,確保隧洞結(jié)構(gòu)安全。

1.2.5 滑行軌道床底部圍巖換填問(wèn)題

隧洞開(kāi)挖后,底部滑行軌道床無(wú)法及時(shí)施做,底部圍巖在開(kāi)挖后可能出現(xiàn)涌沙現(xiàn)象,可能導(dǎo)致無(wú)法向前開(kāi)挖。鑒于可能存在的該種問(wèn)題,在對(duì)底拱66°范圍進(jìn)行換填,換填層為開(kāi)挖輪廓線以下50cm,換填料為C15干硬性混凝土,換填完成后立即封閉底拱,同時(shí)掛網(wǎng)噴射10cm～15cm厚C20混凝土,保證底拱不出現(xiàn)涌沙。同時(shí)換填后可顯著提高承載力,滑行軌道床施做后可滿足TBM順利滑行通過(guò)。

1.3 7#隧洞TBM掘進(jìn)進(jìn)展情況

引洮工程7#隧洞于2009年12月始掘進(jìn)。2010年4月,TBM遇到含水疏松砂巖,掌子面坍塌較嚴(yán)重,掘進(jìn)速度大幅下降。2010年7月至9月,對(duì)TBM進(jìn)行了前盾延伸改造,并封堵了部分刮渣口,出渣量和刀盤扭矩均得到有效控制。2011年1月,該工程進(jìn)行了方案調(diào)整:嚴(yán)重不良地質(zhì)洞段通過(guò)斜井,采取鉆爆法處理。2011年8月TBM移至進(jìn)口掘進(jìn),目前,工程進(jìn)展順利。

2 9#隧洞雙護(hù)盾TBM施工

2.1 9#隧洞圍巖情況

9#隧洞全長(zhǎng)18.275 km,穿薄層黃土覆蓋的中低山峁梁區(qū),最大埋深444 m,最淺埋深僅為10 m～15 m,且橫穿溝道。洞身段長(zhǎng)度18175 m,其中,屬于IV、V類圍巖的洞段長(zhǎng)度約13800 m左右,其余洞段圍巖較好,為Ⅱ、Ⅲ類圍巖。巖性較差洞段圍巖主要為粘土質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、夾砂巖、砂礫巖、含漂石的礫巖等,以泥質(zhì)膠結(jié)為主,膠結(jié)程度差,結(jié)構(gòu)疏松,屬極軟巖。地下水具微承壓性,隧洞開(kāi)挖中局部呈滲-線狀流水。Ⅴ類圍巖,極不穩(wěn)定,不能自穩(wěn),變形破壞嚴(yán)重,圍巖中地下水水質(zhì)較差,對(duì)普通混凝土具硫酸鹽結(jié)晶型強(qiáng)侵蝕性。

2.2 TBM通過(guò)不良地質(zhì)洞段的預(yù)案

2.2.1 裂隙和斷層發(fā)育洞段

采取如下措施[2]:減少刀頭噴水,降低刀盤轉(zhuǎn)速及TBM推力,減少單位時(shí)間出渣量。不停機(jī)快速通過(guò),防止塌方壓住機(jī)頭。在該區(qū)域安裝配筋量大的重型管片。等TBM通過(guò)后,再對(duì)該區(qū)域的圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。

如塌方量巨大,壓住機(jī)頭,需拆除TBM尾部管片,開(kāi)挖上導(dǎo)洞并進(jìn)行噴錨支護(hù),通過(guò)該導(dǎo)洞對(duì)圍巖進(jìn)行固結(jié)灌漿。有必要對(duì)TBM機(jī)頭部巖石進(jìn)行擴(kuò)挖減負(fù),以便TBM重新啟動(dòng),向前推進(jìn)。TBM通過(guò)后,將導(dǎo)洞用素混凝土回填或按相關(guān)要求進(jìn)行回填處理[3]。

2.2.2 極軟巖、不穩(wěn)定圍巖洞段

一旦發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象,必須馬上作出處理措施,防止TBM變形受損。到達(dá)此段時(shí),首先用擴(kuò)挖刀加大開(kāi)挖直徑,加強(qiáng)觀測(cè),每進(jìn)2～3個(gè)行程,通過(guò)伸縮護(hù)盾的窗口對(duì)開(kāi)挖直徑進(jìn)行測(cè)量,盡量減少刀頭噴水。發(fā)現(xiàn)有膨脹現(xiàn)象,立即停止噴水,并加快速度盡快通過(guò)。

如機(jī)頭被卡死,處理措施為:加大推進(jìn)力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤(rùn)滑劑,減少機(jī)身與圍巖間的磨擦力;如果上述方法仍不能解困,則需要拆除TBM尾部管片,開(kāi)幾個(gè)窗口,通過(guò)此窗口對(duì)TBM機(jī)身前后、上下進(jìn)行擴(kuò)挖;對(duì)擴(kuò)挖區(qū)進(jìn)行有效支護(hù),并對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

加固已襯砌管片,使用配筋量大的重型管片。解困后迅速回填,防止圍巖繼續(xù)變形,影響隧洞質(zhì)量。

2.2.3 含水洞段

當(dāng)TBM掘進(jìn)到此段時(shí)首先在機(jī)頭或管片安裝區(qū)域設(shè)排水設(shè)施[4],同時(shí)加強(qiáng)對(duì)水量的監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)大量涌水時(shí)立即采取積極的應(yīng)對(duì)措施。

2.2.4 含漂石洞段

采取如下措施:降低刀盤轉(zhuǎn)速及TBM推力,TBM不停機(jī)緩慢通過(guò),在該區(qū)域安裝配筋量大的重型管片,TBM通過(guò)后,對(duì)該區(qū)域的圍巖進(jìn)行灌漿處理。

如果遇到的漂石巨大,TBM無(wú)法通過(guò)時(shí),只能拆除TBM尾部管片,開(kāi)挖導(dǎo)洞并進(jìn)行噴錨支護(hù),通過(guò)該導(dǎo)洞對(duì)漂石進(jìn)行爆破排除處理后,重新啟動(dòng)TBM,向前推進(jìn)。TBM通過(guò)后,將導(dǎo)洞用素混凝土回填或按要求進(jìn)行回填處理。

2.3 9#隧洞TBM掘進(jìn)進(jìn)展情況

引洮工程9#隧洞于2007年9月開(kāi)工,至2011年9月初,累計(jì)完成掘進(jìn)17 km左右,最高日進(jìn)尺77 m,最高月進(jìn)尺1228m。除個(gè)別圍巖條件極差外,其余洞段掘進(jìn)正常。掘進(jìn)過(guò)程中,除900 m左右?guī)r性極差的洞段通過(guò)斜井用鉆爆法通過(guò)外,其余洞段全部由雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)。

3 TBM在軟巖掘進(jìn)中的可行性分析

3.1 圍巖自穩(wěn)能力對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

甘肅引洮7#隧洞TBM掘進(jìn)的實(shí)踐表明,在圍巖幾乎沒(méi)有自穩(wěn)能力,且地下水含量較大的情況下,TBM的使用受到了限制。從甘肅引洮工程7#、9#隧洞的掘進(jìn)情況看,無(wú)論是單護(hù)盾TBM還是雙護(hù)盾TBM,在圍巖開(kāi)挖后的自穩(wěn)時(shí)間可以滿足隨后盾體通過(guò)的情況下,掘進(jìn)正常。

由此可知:TBM在幾乎沒(méi)有自穩(wěn)能力的圍巖條件下不適用;只要圍巖能夠自穩(wěn),可基本實(shí)現(xiàn)TBM平穩(wěn)掘進(jìn)。

3.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)在TBM軟巖掘進(jìn)中非常重要

利用先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)[5],查清前方的地質(zhì)情況。對(duì)不良地質(zhì)洞段,事先做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,確保TBM在隧洞施工中安全、高效的運(yùn)行非常重要。

3.3 合理選擇注漿技術(shù)對(duì)TBM脫困效果顯著

只要圍巖具備一定的可灌注性,通過(guò)對(duì)刀盤前方圍巖實(shí)施灌漿,對(duì)實(shí)現(xiàn)TBM脫困非常有效。甘肅引洮工程9#隧洞在解決TBM卡機(jī)過(guò)程中,在刀盤前方成功地實(shí)施了注漿,發(fā)揮了很重要的作用。

3.4 自穩(wěn)能力較差的圍巖有必要適當(dāng)改進(jìn)設(shè)備

考慮到圍巖自穩(wěn)能力較差,難以在刀盤前方形成穩(wěn)定的掌子面,借鑒盾構(gòu)掘進(jìn)穩(wěn)定圍巖理論,在前盾頂部預(yù)留可安裝延伸鋼板的裝置,對(duì)邊刀進(jìn)行合理設(shè)計(jì),掘進(jìn)中實(shí)現(xiàn)增大開(kāi)挖半徑、調(diào)整出渣口。必要時(shí)可以控制出渣量,對(duì)TBM在自穩(wěn)能力較差的圍巖中掘進(jìn)是有利的。

4 結(jié) 論

通過(guò)TBM掘進(jìn)機(jī)在甘肅引洮工程中的成功應(yīng)用,證明了TBM掘進(jìn)技術(shù)在軟巖中應(yīng)用是可行的。對(duì)于隧洞TBM 施工,應(yīng)選用技術(shù)先進(jìn),質(zhì)量可靠,能適用于不利地質(zhì)條件的掘進(jìn)機(jī);利用先進(jìn)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng),查清施工前方的地質(zhì)情況;對(duì)不良地質(zhì)洞段,做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,確保TBM在隧洞施工中安全、高效的運(yùn)行。

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