T B M在隧洞不良地質(zhì)條件下的施工技術(shù)

孫洪凱，祁海燕，潘 旭，劉錄良，許 晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

T B M在隧洞不良地質(zhì)條件下的施工技術(shù)

孫洪凱，祁海燕，潘 旭，劉錄良，許 晗

（遼寧省水利廳，遼寧沈陽(yáng)110003）

本文結(jié)合T B M在長(zhǎng)大隧洞施工中的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)T B M在不良地質(zhì)條件下的施工技術(shù)進(jìn)行研究，從不良地質(zhì)段的識(shí)別、可能遇到的問(wèn)題及處理措施進(jìn)行分析總結(jié)，成果對(duì)提高T B M掘進(jìn)效率保障起到了良好的效果。

T B M；不良地質(zhì)；掘進(jìn)參數(shù)；貫入度

1 工程概述

遼寧省大伙房輸水工程Ⅰ期工程輸水隧洞全長(zhǎng)為85.3km，開(kāi)挖洞徑8.0m，成洞洞徑7.16m，屬無(wú)壓自流洞。采用鉆爆法和三臺(tái)T B M聯(lián)合施工技術(shù)，三臺(tái)T B M共完成掘進(jìn)58.7km。工程洞線共穿越29條斷層、50座山峰、51條河谷，埋深在52～600m之間。在T B M的掘進(jìn)過(guò)程中遇到了斷層破碎帶、富水帶、節(jié)理密集帶等不良地質(zhì)洞段，產(chǎn)生過(guò)圍巖大面積松動(dòng)、掉塊、剝落、工作面坍塌、甚至出現(xiàn)了刀盤被卡住等現(xiàn)象，而影響到掘進(jìn)速度?？梢哉f(shuō)T B M在不良地質(zhì)條件下的施工決定著整個(gè)工程是否能夠按工期順利完成。在施工中不斷總結(jié)T B M在不良地質(zhì)條件下的施工技術(shù)，利用T B M自身的優(yōu)勢(shì)，穿越了各種不良地質(zhì)洞段，使工程按工期順利完成。

2 T B M施工技術(shù)

2.1 T B M進(jìn)入不良地質(zhì)段的辨別方法

T B M（隧道掘進(jìn)機(jī)）施工具有協(xié)調(diào)性、快速性、連續(xù)性和密集性的特點(diǎn)，但受不良地質(zhì)影響較為顯著。為解決T B M穿越斷層時(shí)可能出現(xiàn)的不良地質(zhì)段問(wèn)題，必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)某暗刭|(zhì)預(yù)報(bào)與預(yù)測(cè)，并采取積極的技術(shù)處理措施。除目前廣泛使用T SP、H SP、B E A M等超前地質(zhì)勘探外，也可以利用出渣及掘進(jìn)時(shí)異常情況、掘進(jìn)參數(shù)等變化進(jìn)行不良地質(zhì)段的綜合分析。

2.1.1 T B M掘進(jìn)時(shí)主要參數(shù)的變化規(guī)律

T B M從優(yōu)良地質(zhì)段進(jìn)入不良地質(zhì)段時(shí)，主要參數(shù)和后配套的出渣量、石渣塊度都會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，根據(jù)這些變化可以大致確定工作面的地質(zhì)情況和圍巖類別，從而由操作人員手動(dòng)控制，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)T B M的安全、快速和高效掘進(jìn)。T B M掘進(jìn)中的主要調(diào)整和控制參數(shù)為：

（1）刀盤轉(zhuǎn)速：在優(yōu)良地質(zhì)段（硬巖）情況下，若刀盤推進(jìn)力較大（大于345ba r），后配套的皮帶上巖渣均勻，大塊較少時(shí)，可以采用高轉(zhuǎn)速（5～6r pm）掘進(jìn)。當(dāng)進(jìn)入不良地質(zhì)過(guò)渡段時(shí)，若刀盤推進(jìn)力較?。ㄐ∮?45ba r），后配套的皮帶上巖渣不均勻，大塊較多時(shí)，可以采用低轉(zhuǎn)速（3r pm）掘進(jìn)。這樣既可以減少刀盤對(duì)圍巖的擾動(dòng)，又能夠控制皮帶機(jī)輸碴量，避免出現(xiàn)皮帶機(jī)被卡、皮帶被拉斷等事故發(fā)生。

（2）刀盤推力：在圍巖良好地質(zhì)段（硬巖）情況下，推進(jìn)速度一般為額定值的75%左右，推進(jìn)壓力一般控制在268ba r左右。當(dāng)進(jìn)入不良地質(zhì)過(guò)渡段時(shí)，推進(jìn)壓力呈反拋物線形態(tài)下降，下降時(shí)間與過(guò)渡段長(zhǎng)度成正比，推進(jìn)速度要隨推進(jìn)壓力的下降而適當(dāng)調(diào)低；當(dāng)完全進(jìn)入不良地質(zhì)段后，推進(jìn)壓力趨于相對(duì)平衡狀態(tài)，一般為104ba r，此時(shí)推進(jìn)速度維持在額定值的40%左右。

（3）推進(jìn)速度（貫入度）：推進(jìn)速度是T B M掘進(jìn)最重要的可控參數(shù)，在硬巖情況下貫入度一般為每轉(zhuǎn)5～7m m；當(dāng)進(jìn)入軟弱巖石過(guò)渡段時(shí)，T B M皮帶機(jī)上的出渣量就會(huì)增多，所以就要降低推進(jìn)速度；當(dāng)完全進(jìn)入軟弱巖石情況時(shí)，貫入度一般保持在3～4m m左右。

（4）撐靴支撐力：在硬巖情況下，T B M的撐靴支撐力一般為27～29MP a；當(dāng)撐靴進(jìn)入軟弱巖石過(guò)渡段時(shí)，撐靴支撐力一般調(diào)整到26MP a左右；當(dāng)撐靴進(jìn)入軟弱圍巖地段時(shí)，撐靴支撐力一般調(diào)整為22MP a左右。

2.1.2 T B M進(jìn)入不良地質(zhì)地段時(shí)出渣量與石渣塊度的變化

T B M在優(yōu)良地質(zhì)條件下正常掘進(jìn)時(shí)，出渣量和石渣塊度都是很有規(guī)律的，當(dāng)T B M在不良地質(zhì)條件下掘進(jìn)時(shí)，后配套皮帶機(jī)上的渣量和石渣塊度隨圍巖級(jí)別、巖性、節(jié)理發(fā)育程度的不同而存在很大的差異，大體有四種情況：

（1）地質(zhì)條件比較好、節(jié)理不發(fā)育時(shí)，出渣量與掘進(jìn)速度成正比，石碴呈片狀、粉狀連續(xù)出現(xiàn)，且粒徑均一。

（2）當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件比較差，節(jié)理較發(fā)育時(shí)，出渣量隨掘進(jìn)速度的增加而明顯增加，皮帶機(jī)上的石碴塊度較大或大小不一，且無(wú)長(zhǎng)時(shí)間的斷續(xù)現(xiàn)象。

（3）當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件很差，節(jié)理很發(fā)育時(shí)，碴呈斷續(xù)狀成堆出現(xiàn)或時(shí)而滿皮帶機(jī)出碴、時(shí)而皮帶機(jī)中一直沒(méi)有碴，石渣塊度大小不一，甚至?xí)l(fā)生皮帶機(jī)被卡現(xiàn)象。

（4）泥化巖和強(qiáng)風(fēng)化圍巖段，渣量急劇增加，渣粒小呈砂土狀或泥狀。

2.2 T B M進(jìn)入不良地質(zhì)段（巖石破碎）時(shí)遇到的主要問(wèn)題及處理措施

當(dāng)T B M進(jìn)入不良地質(zhì)段后就會(huì)遇到圍巖掉塊和塌方等現(xiàn)象，其主要原因是由于進(jìn)入不良地質(zhì)段后圍巖節(jié)理發(fā)育，巖石受節(jié)理切割作用圍巖本身就呈碎塊狀結(jié)構(gòu)，甚至成糜棱化細(xì)片狀，圍巖自穩(wěn)能力差或根本沒(méi)有自穩(wěn)能力，而且大多富水。再加上T B M在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)，致使圍巖出現(xiàn)巖層松動(dòng)、掉落，甚至還會(huì)出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)坍塌。主要有以下幾種類型：

2.2.1 T B M進(jìn)入不良地質(zhì)段時(shí)遇到的主要問(wèn)題

（1）在刀盤前方出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。以超前加固、固結(jié)刀盤前方松散巖體為主要施工原則，應(yīng)在刀盤前立模、灌注混凝土（摻有早強(qiáng)劑及減水劑），以確保掌子面與開(kāi)挖面有效接觸，使掌子面受力均勻，以減小臨空面，有效控制坍塌。若坍塌范圍小，應(yīng)慢速低推力掘進(jìn)，盡量減小擾動(dòng)，避免大量出碴。

（2）在刀盤上方出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。這種坍滑、坍塌對(duì)T B M的施工影響很大。因?yàn)樵诘侗P上方出現(xiàn)了坍滑、坍塌，如果不及時(shí)處理，在T B M的擾動(dòng)下很有可能造成坍塌部位向刀盤后方延伸，出現(xiàn)更大面積的塌方現(xiàn)象。出現(xiàn)這種情況時(shí)，可以根據(jù)地質(zhì)情況的需要，利用T B M超前鉆機(jī)施做超前管棚，可先支立鋼拱架，然后在頂拱部位安裝鋼管支架，形成穩(wěn)定的支護(hù)區(qū)。管棚之間的搭接長(zhǎng)度要保持在5～8m左右。

（3）在刀盤護(hù)盾上方及兩側(cè)出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌。當(dāng)?shù)侗P護(hù)盾上方和兩側(cè)大面積出現(xiàn)坍滑、坍塌時(shí)，此時(shí)必須停機(jī)處理。主要的處理方法是進(jìn)行超前噴護(hù)，再支立環(huán)形鋼拱架，打錨桿，掛鋼筋網(wǎng)，并且錨桿與鋼筋網(wǎng)要焊接在一起，然后超前噴混凝土，混凝土的厚度要根據(jù)具體情況而定，一般噴混凝土封閉巖面至覆蓋、包裹鋼拱架。

（4）在撐靴部位發(fā)生坍塌。當(dāng)撐靴部位發(fā)生坍塌時(shí)，由于沒(méi)有足夠的支撐力，就會(huì)造成T B M無(wú)法掘進(jìn)，因此必須進(jìn)行處理。主要的處理措施是：將拱墻撐靴部位進(jìn)行換填處理，安裝鋼板，封閉鋼板四周，用混凝土進(jìn)行回填。對(duì)范圍較大坍塌在空腔回填時(shí)，為減少等強(qiáng)時(shí)間，提高工效，在混凝土中加入適量速凝劑（速凝劑量適中，以保證混凝土有一定的流動(dòng)性，確保坍腔回填密實(shí)）。待混凝土終凝達(dá)到一定強(qiáng)度后再進(jìn)行掘進(jìn)。

2.2.2 防止圍巖出現(xiàn)坍滑、坍塌而采用的施工支護(hù)措施

在T B M施工中碰到不良地質(zhì)洞段是在所難免的，為防止圍巖出現(xiàn)坍滑、坍塌而采取必要的、合理的支護(hù)措施已經(jīng)成為T B M在不良地質(zhì)洞段施工重點(diǎn)。正確合理的支護(hù)作業(yè)方式和施工作業(yè)流程可以確保T B M安全通過(guò)不良地質(zhì)洞段。

T B M上配備的主要支護(hù)設(shè)備有：鋼拱架安裝機(jī)、錨桿鉆機(jī)、鋼筋網(wǎng)安裝器、超前鉆機(jī)、混凝土噴射機(jī)械手、砂漿攪拌機(jī)等。各主要支護(hù)設(shè)備作業(yè)方式如下：

（1）鋼拱架的安裝：鋼拱架安裝器布置在刀盤護(hù)盾后面，由液壓小齒輪驅(qū)動(dòng)的環(huán)形齒輪和爬升設(shè)備組成。鋼拱架的安裝要確保豎直，間距符合要求，擰緊鏈接螺栓。隧道清底要徹底，以保證鋼拱架緊貼仰拱。

（2）錨桿鉆機(jī)：2臺(tái)錨桿鉆機(jī)布置在主梁兩側(cè)，主要用于臨時(shí)和系統(tǒng)支護(hù)錨桿的施工。錨桿鉆機(jī)可在隧洞拱部240°范圍進(jìn)行巖壁鉆孔。

（3）鋼筋網(wǎng)安裝器：T B M施工段鋼筋網(wǎng)采用Φ 8光面鋼筋在洞外焊接成網(wǎng)狀，網(wǎng)格尺寸為150m m× 150m m和200m m×200m m兩種規(guī)格，自洞外運(yùn)至T B M后配套后，通過(guò)吊運(yùn)裝置吊運(yùn)至安裝器處，再由安裝器將鋼筋網(wǎng)送至洞壁，通過(guò)錨筋固定，鋼筋網(wǎng)與壁面間距30m m。鋼筋網(wǎng)與錨桿焊接牢固。

（4）超前鉆機(jī)：安裝在前部主梁工作平臺(tái)上或主梁下部，鉆機(jī)為回轉(zhuǎn)式，在刀盤正前方的掌子面上水平或小角度上傾鉆進(jìn)取芯。

（5）混凝土噴射機(jī)械手：在T B M后部的L 2工作區(qū)，安裝2個(gè)噴射機(jī)械手和與之相匹配的混凝土輸送泵、液體速凝劑泵等設(shè)備，用于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類

（2）靠近基巖部位是混凝土外部約束最大的部位，靠近基巖部位混凝土雙向散熱，向外散發(fā)熱量快，混凝土降溫較快，易引起較大的外部約束，該部位在內(nèi)部約束與外部約束共同作用下，進(jìn)一步加大溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致混凝土的開(kāi)裂。

（3）由于F 2斷層斜穿該壩段、較大的開(kāi)挖高差以及基巖的不均勻性，對(duì)6#壩段上游面混凝土防裂均產(chǎn)生一定的不利影響。

（4）頂面4層限裂鋼筋避免了裂縫向上發(fā)展?？p內(nèi)采用水溶性聚氨酯化灌，沿縫鑿槽，嵌填SR 3型塑性止水材料，表面用SR防滲保護(hù)蓋片粘貼保護(hù)，三重防滲處理，廊道內(nèi)滲水完全消失，證明該方法處理裂縫效果較好。

（5）混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，橫縫間距一般為15～20m。由于北方地區(qū)冬季低溫，混凝土重力壩橫縫間距即使取規(guī)范規(guī)定的下限值，在無(wú)表面保護(hù)措施情況下，仍難以避免壩面豎向裂縫的產(chǎn)生。通過(guò)設(shè)置長(zhǎng)期的保溫措施或縮短橫縫間距的措施，可以避免壩面豎向裂縫的產(chǎn)生。

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（6）砂漿攪拌機(jī)：在錨桿鉆機(jī)巖壁鉆孔并進(jìn)行清孔，砂漿攪拌機(jī)拌制砂漿，利用注漿泵通過(guò)軟管向錨桿孔內(nèi)注漿。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在遼寧省大伙房輸水工程Ⅰ期工程輸水隧洞施工實(shí)踐表明，T B M通過(guò)不良地質(zhì)段掘進(jìn)施工是隧洞施工的關(guān)鍵，對(duì)工程的順利完工起著決定性的作用。

（1）在充分開(kāi)展傳統(tǒng)方式進(jìn)行地質(zhì)超前預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)上，仍應(yīng)對(duì)T B M掘進(jìn)參數(shù)的變化進(jìn)行技術(shù)分析，對(duì)及時(shí)判別地質(zhì)變化意義顯著。

（2）應(yīng)充分考慮可能面對(duì)的不良地質(zhì)情況，積極完善超前導(dǎo)管注漿工藝，努力提升初期支護(hù)施做能力，能夠有效的防止大范圍坍塌和剝落，提高T B M在軟巖中的通過(guò)能力。

（3）對(duì)施工過(guò)程中關(guān)鍵工序的控制要注重縮短工序銜接時(shí)間，提高工序工藝水平；立足于T B M施工，不斷完善軟弱圍巖施工技術(shù)，提高T B M在軟弱圍巖中的施工能力，完善、改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備，合理配置，有效拓展和延伸硬巖掘進(jìn)機(jī)的適用范圍，使T B M在不良地質(zhì)段適應(yīng)性得到有效保障，才能更好發(fā)揮T B M優(yōu)質(zhì)、快速的施工特點(diǎn)，使工程的圍巖共同承擔(dān)，對(duì)于雙層配筋計(jì)算鋼筋應(yīng)力為1311.93kN/m2，校核應(yīng)力為172222kN/m2，滿足鋼筋強(qiáng)度要求。

經(jīng)過(guò)校核，隧洞的襯砌厚度和配筋均滿足要求。證明設(shè)計(jì)尺寸和結(jié)構(gòu)是合理的。因隧洞直徑較小，將伸縮縫和施工縫合為一個(gè)。即不另設(shè)施工縫，以伸縮縫代替施工縫。在隧洞軸線方向每隔10m設(shè)置一條伸縮縫，設(shè)止水，鋼筋切斷。在縫內(nèi)設(shè)置瀝青油氈。在襯砌外圍空間，襯砌的同時(shí)，充填C 15混凝土，進(jìn)行到頂部時(shí)，頂部每隔3m設(shè)置D=5c m、L=50c m的鐵管，作為灌漿孔，灌漿孔離開(kāi)伸縮縫50c m以上。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞設(shè)計(jì)情況進(jìn)行研究，分析指出了該輸水隧洞存在的問(wèn)題。對(duì)菩薩廟水庫(kù)輸水隧洞進(jìn)行除險(xiǎn)加固設(shè)計(jì)，方案進(jìn)行了校核，設(shè)計(jì)的隧洞襯砌厚度和配筋均滿足要求。

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1672-2469（2015）06-0078-02

10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.06.027

孫洪凱（1962年—），男，教授級(jí)高級(jí)工程師。