TBM掘進技術在軟巖隧洞中的應用

高燕芳

(山西省水利水電工程建設監(jiān)理公司,山西 太原 030002)

當前,全斷面巖石掘進機(TBM)在隧道施工中已經得到了廣泛的應用[1]。TBM掘進技術在硬巖掘進中具有較強的適應性;對軟巖,盾構的優(yōu)勢則較為明顯。設備的選型往往依據巖體的特征確定。對于長距離隧洞,圍巖條件復雜多變,在對巖體情況超前預報的基礎上,選擇適用的掘進設備,對確保工程順利進行非常重要。

1 7#隧洞單護盾TBM施工

1.1 7#隧洞圍巖情況

甘肅引洮工程7#隧洞全長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巖層構成,局部段為上第三系N2L3砂巖、砂礫巖。總體由較軟巖組成,為軟硬互層的中厚層結構,單斜構造,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的巖層構成。巖性為K1hk4泥質膠結的粉細砂巖,局部夾薄層泥巖,巖性軟弱;巖性為上第三系N2L3磚紅色,砂質泥巖、泥質粉砂巖,局部為砂巖、砂礫巖,泥質膠結為主,膠結程度差,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,掘進過程中通過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造成掘進過程中粉塵大量增加,因此需在刀盤出渣口、皮帶機以及與皮帶連接處設置噴水(最好形成水簾或霧狀)裝置,配合使用除塵風機,可減少粉塵。同時增設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渣土清理,防止出渣口被堵。

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

冬季加強防寒工作,加強運輸組織,出現(xiàn)渣土受凍沾粘在礦車上時及時采用風鎬清除。

1.2.2 上第三系含礫砂巖

加強TBM設備保養(yǎng)、維修,防止TBM異常停機時間過長,導致圍巖收斂抱死TBM主機。在TBM異常停機且判斷停機時間較長時,一是派專人觀察和測量盾體與圍巖間隙,二是可通過盾體上的預留孔洞注入油脂或者膨潤土漿液。

針對含礫砂巖段TBM掘進,優(yōu)化掘進參數,采取大推力,低刀盤轉速,減少圍巖擾動,防止掌子面塌方;嚴格控制出渣量,必要時可增加刮渣口封堵裝置,減少刀盤開口率,同時配合進行掘進參數優(yōu)化。

在尾盾處增加排水泵,加強隧道清渣、排水,快速安裝管片,達到掘進速度均勻,TBM連續(xù)、快速地通過此地層。

管片無法回填豆礫石時,應從工作孔內插入小導管進行注漿加固,使管片背部形成固結圈保證管片穩(wěn)定,如管片漏水嚴重時,可灌注雙液漿進行封堵。

1.2.3 不整合接觸面

由于TBM是反坡施工,TBM在經過不整合接觸面時特別加強隧道排水,擬洞內增設一趟Φ 100鋼管排污管路,同時TBM后配套上增設排水水管卷筒,隨掘進向前延伸,后配套上增設污水箱進行污水沉淀,隧洞增設沉淀水箱,定期清理,防止管道內泥沙沉積。TBM通過豎井工作面后,擬從豎井處排水,利用豎井井架和吊泵進行抽排。同時編組上增設水箱,可利用水箱將污水運出洞外。

1.2.4 含水疏松砂巖洞段支護問題

豎井工作面處理主洞不良地質洞段僅進行初期支護,由于含水疏松砂巖結構疏松,基本無自穩(wěn)能力,初支結構將承受較大周邊圍巖壓力。為保證TBM能順利空推通過,含水疏松砂巖洞段應考慮較大的預留變形量。另外需根據施工過程中監(jiān)控量測情況,對初期支護參數進行動態(tài)調整,確保隧洞結構安全。

1.2.5 滑行軌道床底部圍巖換填問題

隧洞開挖后,底部滑行軌道床無法及時施做,底部圍巖在開挖后可能出現(xiàn)涌沙現(xiàn)象,可能導致無法向前開挖。鑒于可能存在的該種問題,在對底拱66°范圍進行換填,換填層為開挖輪廓線以下50cm,換填料為C15干硬性混凝土,換填完成后立即封閉底拱,同時掛網噴射10cm～15cm厚C20混凝土,保證底拱不出現(xiàn)涌沙。同時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。

1.3 7#隧洞TBM掘進進展情況

引洮工程7#隧洞于2009年12月始掘進。2010年4月,TBM遇到含水疏松砂巖,掌子面坍塌較嚴重,掘進速度大幅下降。2010年7月至9月,對TBM進行了前盾延伸改造,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,該工程進行了方案調整:嚴重不良地質洞段通過斜井,采取鉆爆法處理。2011年8月TBM移至進口掘進,目前,工程進展順利。

2 9#隧洞雙護盾TBM施工

2.1 9#隧洞圍巖情況

9#隧洞全長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。洞身段長度18175 m,其中,屬于IV、V類圍巖的洞段長度約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粉砂巖、含礫砂巖、夾砂巖、砂礫巖、含漂石的礫巖等,以泥質膠結為主,膠結程度差,結構疏松,屬極軟巖。地下水具微承壓性,隧洞開挖中局部呈滲-線狀流水。Ⅴ類圍巖,極不穩(wěn)定,不能自穩(wěn),變形破壞嚴重,圍巖中地下水水質較差,對普通混凝土具硫酸鹽結晶型強侵蝕性。

2.2 TBM通過不良地質洞段的預案

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,降低刀盤轉速及TBM推力,減少單位時間出渣量。不停機快速通過,防止塌方壓住機頭。在該區(qū)域安裝配筋量大的重型管片。等TBM通過后,再對該區(qū)域的圍巖進行固結灌漿。

如塌方量巨大,壓住機頭,需拆除TBM尾部管片,開挖上導洞并進行噴錨支護,通過該導洞對圍巖進行固結灌漿。有必要對TBM機頭部巖石進行擴挖減負,以便TBM重新啟動,向前推進。TBM通過后,將導洞用素混凝土回填或按相關要求進行回填處理[3]。

2.2.2 極軟巖、不穩(wěn)定圍巖洞段

一旦發(fā)生卡機現(xiàn)象,必須馬上作出處理措施,防止TBM變形受損。到達此段時,首先用擴挖刀加大開挖直徑,加強觀測,每進2～3個行程,通過伸縮護盾的窗口對開挖直徑進行測量,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。

如機頭被卡死,處理措施為:加大推進力并在護盾與圍巖間強行注入潤滑劑,減少機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,開幾個窗口,通過此窗口對TBM機身前后、上下進行擴挖;對擴挖區(qū)進行有效支護,并對圍巖進行監(jiān)測。

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,影響隧洞質量。

2.2.3 含水洞段

當TBM掘進到此段時首先在機頭或管片安裝區(qū)域設排水設施[4],同時加強對水量的監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)大量涌水時立即采取積極的應對措施。

2.2.4 含漂石洞段

采取如下措施:降低刀盤轉速及TBM推力,TBM不停機緩慢通過,在該區(qū)域安裝配筋量大的重型管片,TBM通過后,對該區(qū)域的圍巖進行灌漿處理。

如果遇到的漂石巨大,TBM無法通過時,只能拆除TBM尾部管片,開挖導洞并進行噴錨支護,通過該導洞對漂石進行爆破排除處理后,重新啟動TBM,向前推進。TBM通過后,將導洞用素混凝土回填或按要求進行回填處理。

2.3 9#隧洞TBM掘進進展情況

引洮工程9#隧洞于2007年9月開工,至2011年9月初,累計完成掘進17 km左右,最高日進尺77 m,最高月進尺1228m。除個別圍巖條件極差外,其余洞段掘進正常。掘進過程中,除900 m左右?guī)r性極差的洞段通過斜井用鉆爆法通過外,其余洞段全部由雙護盾TBM掘進。

3 TBM在軟巖掘進中的可行性分析

3.1 圍巖自穩(wěn)能力對TBM掘進的影響

甘肅引洮7#隧洞TBM掘進的實踐表明,在圍巖幾乎沒有自穩(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#隧洞的掘進情況看,無論是單護盾TBM還是雙護盾TBM,在圍巖開挖后的自穩(wěn)時間可以滿足隨后盾體通過的情況下,掘進正常。

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

3.2 超前地質預報在TBM軟巖掘進中非常重要

利用先進的超前地質預報系統(tǒng)[5],查清前方的地質情況。對不良地質洞段,事先做出相應的應對措施,確保TBM在隧洞施工中安全、高效的運行非常重要。

3.3 合理選擇注漿技術對TBM脫困效果顯著

只要圍巖具備一定的可灌注性,通過對刀盤前方圍巖實施灌漿,對實現(xiàn)TBM脫困非常有效。甘肅引洮工程9#隧洞在解決TBM卡機過程中,在刀盤前方成功地實施了注漿,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改進設備

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,借鑒盾構掘進穩(wěn)定圍巖理論,在前盾頂部預留可安裝延伸鋼板的裝置,對邊刀進行合理設計,掘進中實現(xiàn)增大開挖半徑、調整出渣口。必要時可以控制出渣量,對TBM在自穩(wěn)能力較差的圍巖中掘進是有利的。

4 結 論

通過TBM掘進機在甘肅引洮工程中的成功應用,證明了TBM掘進技術在軟巖中應用是可行的。對于隧洞TBM 施工,應選用技術先進,質量可靠,能適用于不利地質條件的掘進機;利用先進的超前地質預報系統(tǒng),查清施工前方的地質情況;對不良地質洞段,做出相應的應對措施,確保TBM在隧洞施工中安全、高效的運行。

[1]王世春.格魯吉亞卡杜里水電站引水隧洞TBM施工工藝[J].水電站設計,2009,25(1):57-60.

[2]張軍偉,梅志榮,高菊茹.大伙房輸水工程特長隧洞TBM選型及施工關鍵技術研究[J].現(xiàn)代隧道技術,2010,47(5):1-10.

[3]毛擁政,張民仙,宋永軍.引紅濟石工程長隧洞TBM選型探討[J].水利與建筑工程學報,2009,7(1):65-67.

[4]王躍峰,王立選,邵月順.深埋特長隧洞TBM施工初探[J].水利技術監(jiān)督,2005,(4):42-45.

[5]彭良余,黃揚一.“引大濟湟”總干渠引水隧洞TBM施工地質工作方法[J].西部探礦工程,2009,(7):173-174.