蔡文華 劉長(zhǎng)喜
(甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 甘肅蘭州 730000)
甘肅引洮供水一期工程總干渠 9#隧洞是本工程最長(zhǎng)的一條隧洞,全長(zhǎng)18275m(樁號(hào)67+369~85+644),設(shè)計(jì)橫斷面型式為圓型。TBM設(shè)備開(kāi)挖直徑5.75m,由4片管片襯砌拼裝組成一個(gè)整體封閉環(huán),管片設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C45預(yù)制鋼筋混凝土、設(shè)計(jì)寬度1600mm、設(shè)計(jì)厚度280mm,襯砌后凈斷面尺寸(直徑)D=4.96m。開(kāi)挖圍巖與管片背部間隙采用5~10mm豆礫石回填并灌漿。設(shè)計(jì)縱坡為1/1650,設(shè)計(jì)流量32m3/s,加大流量36m3/s。隧洞軸線方向NE35°,穿越薄層黃土覆蓋的中低山峁梁區(qū),最大埋深444m。
9#隧洞工程圍巖類別為~ⅡⅤ類,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖長(zhǎng)度為8240m,Ⅳ、Ⅴ類圍巖長(zhǎng)度為10035m,Ⅳ、Ⅴ類圍巖占隧洞總長(zhǎng)的54.91%。
從前期勘探及施工揭示的工程地質(zhì)條件看,隧洞地層巖性非常復(fù)雜,巖相變化頻繁。隧洞進(jìn)口位于白土坡溝道左側(cè)的基巖坡腳處,洞口部位為較疏松的洪積含礫黃土狀土。樁號(hào) 67+419.00~68+252.00段(長(zhǎng)度833m)圍巖巖性為上第三系(N2L3)磚紅色互層狀的黏土質(zhì)粉砂巖、含礫砂巖、夾砂巖、砂礫巖,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;樁號(hào)68+252.00~72+571.00段(長(zhǎng)度4219m)圍巖為前震旦系(AnZmx3)的大理巖,部分段夾石榴子片巖,層中多有前寒武系輝綠巖(V1-2)、花崗閃長(zhǎng)巖(δ1-2)侵入體,斷層破碎帶及其影響帶寬度一般在 16~20m;樁號(hào) 72+571.00~73+317.00段(長(zhǎng)度 746m)圍巖巖性為前震旦系(AnZmx3)花崗片麻巖, 部分段夾有片巖、大理巖,層中多有前寒武系的輝綠巖(V1-2)、花崗閃長(zhǎng)巖(δ1-2)侵入體;樁號(hào)73+317.00~77+261.00段(長(zhǎng)度3944m)圍巖為下第三系固原群(Egy)中厚層泥鈣質(zhì)膠結(jié)的砂巖、含礫砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖,圍巖巖相復(fù)雜、巖性多變,軟巖為主,遇水易軟化,強(qiáng)度較低;樁號(hào)77+261.00~80+837.00段(長(zhǎng)度3576m)為下第三系固原群(Egy)巨厚至厚層狀含漂石的礫巖,夾泥質(zhì)粉砂巖、砂礫巖,泥鈣質(zhì)膠結(jié),膠結(jié)程度差,礫巖中漂石含量在10%左右,最大粒徑大于 2m,礫及砂含量在 70%~80%,泥含量約10%~15%,含少量孔隙水,強(qiáng)度較低;樁號(hào)80+837.00~84+112.00段(長(zhǎng)度 3275m)圍巖為前震旦系(AnZmx3)花崗片麻巖、 片巖、大理巖,層中多有太古代至元古代的輝綠巖(V1-2)、花崗閃長(zhǎng)巖(δ1-2)侵入體;樁號(hào)84+112.00~85+594.00段(長(zhǎng)度1482m)圍巖巖性為N2L3磚紅色互層狀泥質(zhì)粉細(xì)砂巖、砂質(zhì)泥巖,局部夾砂礫巖及薄層泥巖;隧洞出口位于陽(yáng)陰峽溝道左岸的黃土斜坡段,洞口部位覆蓋有7~10m坡洪積黃土狀土。
在TBM設(shè)備選型確定后,TBM設(shè)備施工掘進(jìn)過(guò)程中,結(jié)合地層巖性、圍巖的完整性、強(qiáng)度、TBM設(shè)備施工特點(diǎn)等條件選擇施工參數(shù)至關(guān)重要。
TBM設(shè)備的掘進(jìn)參數(shù),主要是指TBM設(shè)備施工掘進(jìn)時(shí),刀盤推進(jìn)時(shí)的推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)電流、主推進(jìn)油缸壓力、支撐油缸壓力、出渣量、豆礫石回填量及灌漿等指標(biāo)。同時(shí),開(kāi)挖斷面設(shè)備掘進(jìn)軸線、高程、TBM盾體姿態(tài)、測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)(TBM配置的PPS系統(tǒng))也作為主要控制指標(biāo),為TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)的選擇提供支持性依據(jù)。
施工過(guò)程選擇有代表性的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,成果見(jiàn)表 1。表中最大值、最小值分別按時(shí)間段和掘進(jìn)段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,平均值為所統(tǒng)計(jì)參數(shù)的算術(shù)平均值。
表1 TBM設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表
正常施工掘進(jìn)時(shí)TBM設(shè)備掘進(jìn)施工采用的是雙護(hù)盾掘進(jìn)模式,其掘進(jìn)參數(shù)需隨地層巖性的圍巖類別、強(qiáng)度、巖性的變化而進(jìn)行相應(yīng)的施工調(diào)整,以使TBM設(shè)備能夠保持掘進(jìn)時(shí)推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力的相對(duì)平穩(wěn),易破巖,使掘進(jìn)開(kāi)挖軸線、管片安裝軸線與設(shè)計(jì)軸線的偏差控制精度得到保證,為管片拼裝創(chuàng)造良好的條件。同時(shí),合理選擇刀盤推力等掘進(jìn)參數(shù),可進(jìn)一步降低刀具(正常和非正常)損耗、節(jié)省成本投入、提高破巖效果、減少停機(jī)時(shí)間,進(jìn)行正常、均衡生產(chǎn)。
從表1統(tǒng)計(jì)分析可以看出,TBM設(shè)備掘進(jìn)隨地層巖性、圍巖條件不同,其掘進(jìn)參數(shù)指標(biāo)是不相同的,具體分析如下:
(1)刀盤推進(jìn)速度。刀盤推進(jìn)速度起伏較大,說(shuō)明巖石軟硬強(qiáng)度變化范圍較大、完整性變化速率較快,圍巖巖性沿開(kāi)挖軸線凹凸起伏變化。當(dāng)圍巖巖石強(qiáng)度較軟、巖石結(jié)構(gòu)分布較均勻,主推油缸推力相對(duì)較小時(shí),刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)速度較快。當(dāng)圍巖巖石強(qiáng)度突然變硬,推進(jìn)油缸壓力較大,刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)速度迅速降低,一般控制刀盤推進(jìn)速度為100~120mm/min。 施工作業(yè)掘進(jìn)視圍巖強(qiáng)度、完整性隨時(shí)需調(diào)整主推油缸壓力,以保證刀盤的正常轉(zhuǎn)速。表中部分洞段刀盤推進(jìn)速度最大值為 222 mm/min,說(shuō)明已超出TBM設(shè)備設(shè)定的最大允許值120 mm/min,將使刀盤和刀具的磨損加劇,開(kāi)挖過(guò)程易引起設(shè)備盾體的劇烈振動(dòng),對(duì)設(shè)備整體運(yùn)行工況造成不利和風(fēng)險(xiǎn)影響,故應(yīng)加強(qiáng)施工操作的控制,杜絕此類情況的發(fā)生。
(2)馬達(dá)工作電流。馬達(dá)工作電流的變化區(qū)間也直接反映著設(shè)備掘進(jìn)圍巖巖石的強(qiáng)度、完整性變化范圍,其電流值越大,說(shuō)明刀盤驅(qū)動(dòng)電機(jī)的工作負(fù)荷越大、巖石越堅(jiān)硬,反之亦然。表中統(tǒng)計(jì)與地質(zhì)勘察的結(jié)果基本一致,但遇具體地層時(shí)圍巖巖性也有區(qū)別,這與圍巖巖性化學(xué)、物理力學(xué)指標(biāo)反映的巖石飽和抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)相關(guān)。
(3)主推油缸壓力。刀盤的推進(jìn)速度、馬達(dá)工作電流參數(shù)與主推油缸的壓力有直接關(guān)系,油缸推力大,刀盤轉(zhuǎn)速下降,而馬達(dá)工作電流將上升。三者之間參數(shù)選擇必須統(tǒng)籌選擇,達(dá)到破巖的效果。在TBM設(shè)備掘進(jìn)時(shí),保持刀盤轉(zhuǎn)速指標(biāo)適應(yīng)圍巖巖性,在正常的轉(zhuǎn)速、推進(jìn)范圍之內(nèi)保持馬達(dá)工作電流的相對(duì)穩(wěn)定,保持主推油缸出力均恒和行程相對(duì)穩(wěn)定。同時(shí)要求作業(yè)操作手具備一定的技能和豐富的設(shè)備操作經(jīng)驗(yàn),隨時(shí)根據(jù)圍巖巖性的變化適應(yīng)性的調(diào)整主推油缸壓力,以保證三項(xiàng)參數(shù)的相對(duì)穩(wěn)定和設(shè)備掘進(jìn)正常推進(jìn)。值得一提的是,在掘進(jìn)中如果主推油缸壓力突然大幅度下降,并伴有出渣量增大、渣塊粒徑大小不均勻等現(xiàn)象時(shí),應(yīng)考慮是否遇到不良地質(zhì)條件、地質(zhì)斷層或破碎帶(包括極不穩(wěn)定巖體),應(yīng)及時(shí)進(jìn)行分析研判,調(diào)整參數(shù),確保設(shè)備安全掘進(jìn)。
(4)支撐油缸壓力。支撐油缸主要是穩(wěn)固TBM伸縮盾及尾盾,給刀盤及前盾盾體提供掘進(jìn)支撐和反推力。設(shè)備掘進(jìn)時(shí)支撐油缸壓力過(guò)大(即接地比壓過(guò)大),將使支撐靴破壞接觸圍巖的整體結(jié)構(gòu)和巖石的穩(wěn)定性(軟巖或不良地質(zhì)),使受擠壓巖石塌落和引起掘進(jìn)圈的圍巖坍塌,導(dǎo)致部分尾盾體不均勻擠壓、盾體脫盾困難,同時(shí)使底拱管片安裝間隙變小,管片環(huán)與圍巖間的空腔無(wú)法正?;靥疃沟[石等。支撐油缸壓力過(guò)小將不能起到固定盾體和支撐的作用,在TBM設(shè)備掘進(jìn)時(shí)會(huì)引起盾體滾動(dòng)和管片安裝環(huán)滾動(dòng)的問(wèn)題,使管片安裝水平度、垂直度難以控制,甚至給后續(xù)工作(如軌道偏差、大車?yán)住⑦\(yùn)輸?shù)龋?lái)影響,易造成管片受扭、大偏心受壓,導(dǎo)致管片裂縫、破壞。施工中,應(yīng)根據(jù)圍巖條件計(jì)算接地比壓,確定支撐油缸壓力,并隨巖石變化情況進(jìn)行修正,確定合理的支撐油缸壓力。
(5)單循環(huán)進(jìn)尺用時(shí)。單循環(huán)進(jìn)尺用時(shí)是指TBM設(shè)備每掘進(jìn)一個(gè)行程(0.8m)所使用的時(shí)間。單循環(huán)進(jìn)尺用時(shí)能夠反映出刀盤刀頭切割當(dāng)前巖石的速度,也能間接反映出巖石軟硬強(qiáng)度的變化。
(6)PPS測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)。PPS測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)是通過(guò)導(dǎo)線控制網(wǎng)將洞外平面坐標(biāo)與高程傳遞到TBM設(shè)備PPS系統(tǒng)。PPS系統(tǒng)反映出的是刀盤中心線掘進(jìn)時(shí)的高程及軸線偏差數(shù)值及TBM盾體姿態(tài)(盾體滾動(dòng)、仰俯角)。當(dāng)圍巖較完整、巖石分布較均勻時(shí),設(shè)備掘進(jìn)軸線及高程控制、盾體姿態(tài)偏差相對(duì)較小;當(dāng)圍巖較破碎、掘進(jìn)斷面內(nèi)巖石軟硬差別較大時(shí),設(shè)備掘進(jìn)PPS參數(shù)控制難度加大,導(dǎo)致控制偏差較大的問(wèn)題。在TBM控制中心的人機(jī)操作界面中,對(duì)設(shè)備掘進(jìn)PPS參數(shù)分別設(shè)定了限值。正常情況下,控制界面顯示為綠色,說(shuō)明當(dāng)前掘進(jìn)PPS參數(shù)控制正常;當(dāng)限值超出規(guī)定值時(shí),控制界面將顯示黃色,提醒操作手注意糾偏;當(dāng)控制界面顯示紅色時(shí),說(shuō)明當(dāng)前PPS控制參數(shù)已達(dá)到設(shè)備允許的極限值,應(yīng)注意調(diào)整、糾偏的幅度和方式,避免造成設(shè)備卡機(jī)以及后續(xù)管片安裝困難等問(wèn)題的發(fā)生。
(7)出渣量。通過(guò)觀察掘進(jìn)開(kāi)挖的出渣量及巖塊的大小,可判斷當(dāng)前掘進(jìn)圍巖的巖性條件和變化情況,在相同的圍巖下掘進(jìn)所開(kāi)挖的渣量應(yīng)該基本保持不變。當(dāng)掘進(jìn)斷面圍巖較完整、巖層結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定的情況下,刀盤破巖后的巖塊相對(duì)較均一,粒徑大小所占比例比較穩(wěn)定。當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速較快,但刀盤推進(jìn)速度卻較慢、刀盤切割后的巖塊粒徑較小時(shí),說(shuō)明巖石較完整和堅(jiān)硬,此時(shí)的出渣量相對(duì)穩(wěn)定;當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速很快且刀盤推進(jìn)速度較快,出渣巖塊粒徑大小偏差較大時(shí),說(shuō)明當(dāng)前掘進(jìn)巖石較破碎,完整性較差,出渣量將有所增大;當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速較快但刀盤推進(jìn)速度很慢,且出渣量很大,巖塊中大粒徑塊石不規(guī)則出現(xiàn)時(shí),應(yīng)結(jié)合其他條件進(jìn)一步判斷是否為不良地質(zhì)區(qū)或斷層破碎帶等情況。
(8)對(duì)斷層破碎帶的判斷。斷層帶及斷層影響帶的判斷主要從設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)、巖渣成分、渣塊顏色、塊體大小、地下水出露、出渣量及豆礫石回填量等的變化進(jìn)行綜合分析判斷。在遇到斷層破碎帶和影響帶時(shí),其設(shè)備主推油缸壓力驟降,馬達(dá)工作電流、支撐油缸壓力明顯下降。從巖渣情況分析,巖渣內(nèi)含有斷層泥、巖相成分多、破碎巖、開(kāi)挖巖渣塊體表現(xiàn)出大小不均和懸殊現(xiàn)象、巖體內(nèi)有地下水、出渣量有所增加,同時(shí)圍巖掉快、塌方量明顯加大,豆礫石充填區(qū)被坍塌巖塊充填等。此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換管片安裝類型或進(jìn)行必要的預(yù)加固,施工過(guò)程遵循“低推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度”原則快速連續(xù)掘進(jìn)通過(guò)。坍塌區(qū)采用固結(jié)灌漿處理。
TBM 設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)的確定必須適應(yīng)工程地質(zhì)條件及地層圍巖巖性特點(diǎn),要依據(jù)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)、區(qū)域地質(zhì)巖性、埋深、地應(yīng)力等判斷圍巖的穩(wěn)定性,同時(shí)結(jié)合施工設(shè)備監(jiān)控指標(biāo)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)一步調(diào)整和完善。合理選擇掘進(jìn)參數(shù)是TBM設(shè)備施工非常重要的一項(xiàng)工作,在施工過(guò)程中要求技術(shù)、生產(chǎn)和工程地質(zhì)人員全面配合,提出明確的施工工作程序和技術(shù)運(yùn)行控制要求,編制施工作業(yè)操作手冊(cè),建立設(shè)備檢修和維護(hù)制度,并配備具有豐富施工經(jīng)驗(yàn)和技能的操作手,全面掌握設(shè)備操作手冊(cè)和領(lǐng)會(huì)操作要領(lǐng),通過(guò)施工過(guò)程的準(zhǔn)確研判控制,進(jìn)而保證TBM設(shè)備掘進(jìn)安全、穩(wěn)定、有序、高效施工。