敞開式TBM對軟弱圍巖的掘進方法

孔祥政

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110015)

敞開式TBM對軟弱圍巖的掘進方法

孔祥政

(遼寧潤中供水有限責任公司， 遼寧 沈陽 110015)

敞開式TBM在軟弱圍巖洞段開挖施工時，適應能力稍差。遼寧省大伙房水庫輸水工程TBM3施工段在施工過程中，通過利用機上輔助作業設備進行支設鋼拱架、掛鋼筋、噴混凝土等支護方法加固圍巖，加強TBM在特殊情況下的操作方法應對，適當調整TBM的掘進參數，使TBM順利通過了多處不良地質洞段，為類似工程施工積累了一些經驗。

敞開式TBM； 軟弱圍巖； 掘進方法

1 前 言

遼寧省大伙房水庫輸水工程TBM3施工段長18469m，開挖洞徑8.03m，采用敞開式TBM為主、鉆爆法為輔的方式開挖。敞開式TBM具有節能、安全、高效等優點。近年來。在國內水工隧洞開挖工程中得到大量應用，但敞開式TBM對不良地質條件的適應能力稍差，在軟弱圍巖條件下掘進能力會受到較大影響，如果施工方法不當或者TBM掘進時刀盤轉速、撐靴壓力、刀盤扭矩、推進力、推進速度、換步行程與調向幅度等主要調控參數選擇不當，極有可能導致圍巖剝落量增大，從而引發支護工作量增加、刀盤卡阻、皮帶機過載停機、掘進方向偏差過大等一系列問題。這些問題將影響TBM性能的發揮，減慢TBM的施工速度。因此，在軟弱圍巖條件下如何選擇適當的施工方法、調節TBM掘進參數，得到一個合理的掘進速度值得施工人員研究。

2 掘進參數的調控

2.1 刀盤轉速

TBM刀盤的轉速控制模式有恒功率、恒扭矩和人工手動三種控制模式，在軟弱圍巖開挖時，如果前一個掘進循環使用的刀盤推力較大，并且皮帶上巖石大小均勻、塊度較小時，可采用高掘進速度(4.50rpm左右)的恒功率模式掘進；如果前一個掘進循環使用的刀盤推力較小，并且巖石大小不均勻、大塊巖石較多，可采用低掘進速度(2rpm左右)的恒扭矩模式掘進。不定時采用人工手動控制模式掘進，操作員在掘進期間，應密切關注監視屏，觀察皮帶上巖渣大小和堆積量，隨時根據掌子面圍巖的變化情況做適當調整。

2.2 撐靴壓力

敞開式TBM掘進時利用撐靴支撐在巖壁上，把設備的重量、推力和扭矩傳遞給巖壁，為TBM提供反作用力。因此，撐靴的面積應足夠大，在正常油壓下應有較小的接地比壓并能產生足夠的推力。一般支承力是推力的3倍以上。敞開式TBM的每個撐靴均可獨立操作，借助球形鉸可自動均勻地支撐在隧道巖壁上，避免引起集中荷載，支撐靴表面留出安裝鋼拱架的溝槽。軟弱圍巖一般比較破碎、抗壓能力不強，在掘進施工時應根據圍巖的飽和抗壓強度和完整程度，適當降低撐靴壓力，避免壓碎洞壁巖石導致塌方，撐靴壓力一般控制在180～250bar(1bar=100kPa)范圍內。如果撐靴對圍巖的壓力超過圍巖的抗壓強度,就會壓碎巖體造成撐靴打滑，不能為TBM提供足夠的推進力，此時，可采取加密鋼拱架、打錨桿、布設鋼筋網、噴射混凝土等方法支護圍巖，提高圍巖的抗壓強度(TBM撐靴部位圍巖加固處理如圖1所示)。

圖1 TBM撐靴部位圍巖加固處理

2.3 刀盤扭矩

在軟弱圍巖掘進施工時，刀盤扭矩應控制在最大扭矩的75%左右，如果刀盤扭矩過大，極易扭碎撐靴部位的巖石，導致撐靴打滑和機身滾動。

2.4 推進力和推進速度

在軟弱圍巖掘進施工時，刀盤推力控制在最大推力的40%以內，否則，可能導致撐靴打滑或損壞刀具。操作時盡量采用較低轉速、較小推進力，配合皮帶積渣觀察，小心推進。

軟弱圍巖洞段巖石強度不高，常有節理裂隙發育，巖石較破碎，如果推進速度過快常會造成刀盤扭矩過大，皮帶機負荷過重，易造成刀盤卡阻或皮帶機過載停機，所以必須根據刀盤扭矩、撐靴壓力和皮帶機負荷情況來合理調整推進速度。

2.5 換步行程和調向幅度

敞開式TBM在軟弱圍巖段開挖施工時應更重視換步與調向工作，軟弱圍巖段一般難以選擇光滑、堅硬的洞壁支撐撐靴，要避開鋼拱架、鋼格柵、破碎巖石面，換步行程就不一定是設計的整個換步行程或半個換步行程，如果不采取措施將導致換步次數增加，反復擠壓洞壁圍巖，使撐靴附近的圍巖破碎范圍擴大。因此，換步盡量以全行程或半行程為宜，如果因為圍巖強度太低無法可靠支撐撐靴，就應該對撐靴附近圍巖進行加固：可在撐靴處圍巖上打6～10根帶小孔鋼管，管徑φ42mm，并注漿形成支承座；也可在撐靴支撐范圍內臨時安裝厚度8mm以上的鋼板，在鋼板與洞壁之間噴射混凝土或灌注早強混凝土，等混凝土強度達到75%以上時再繼續掘進。這樣可防止撐靴打滑，保證TBM掘進時有足夠推力，防止出現刀盤下沉、機身滾動等問題，便于對TBM的調向操作，保證掘進方向精度。敞開式TBM在軟弱圍巖段開挖施工時應減小每次調向的幅度，在調向時機械工程師應到撐靴處仔細觀察，確認撐靴可靠地支撐在洞壁上，以確保調向精度，保持TBM正確姿態。

3 特殊情況下TBM操作技術

3.1 TBM掘進起步控制

以20%～25%的起步推進速度接近掌子面，當掘進3～5cm時，則以5%～10%的速度遞增，每增1次，稍待15s左右，若撐靴壓力不下降，推進力不高于上限，皮帶機壓力在額定范圍內，扭矩不超過規定值，可以繼續提高推進速度，直到理想推進速度為止。

3.2 撐靴打滑及TBM撐靴壓力發生急劇變化的應對措施

應立即停止掘進，加固支撐打滑撐靴的圍巖，進行調向后再進行掘進作業；TBM撐靴壓力發生急劇變化時應立即補壓，并迅速降低推進速度，使撐靴壓力達到新的穩定點，再保持穩定掘進。

3.3 護盾后部發生坍塌的應對措施

如果坍塌不嚴重，仍繼續推進直到能夠安裝鋼拱架的位置，停止掘進，進行支護；如果坍塌嚴重，應立即停機進行超前支護，待支護完成后，方可掘進。

3.4 斷層破碎帶開挖刀盤推力突降的應對措施

斷層破碎帶內巖石破碎、松散，掘進時如果TBM刀盤后退，掌子面巖石將失去刀盤的支撐力，極易失穩坍塌，在掌子面形成空穴，造成主機皮帶機大量積渣，引發過載急停，所以在這種情況下TBM的刀盤必須以適當的推力作用繼續在掌子面上，絕對不能在無推進力或推進力過小的情況下轉動刀盤掘進。斷層破碎帶開挖施工應可能減少停機時間，長時間停機時應定時轉一下刀盤，防止圍巖變形卡阻刀盤。

3.5 刮渣器不能及時清渣的應對措施

當巖體十分破碎，以致刮渣器不能及時清渣時，可利用刀盤的反轉和脫困扭矩抵抗破碎圍巖的卡塞，避免刀盤卡阻事故發生。

4 充分利用附屬設備進行輔助作業

開敞式TBM通過軟弱、破碎圍巖和斷層破碎帶時，應利用TBM上的作業平臺和配備的附屬設備，及時進行支護和封閉圍巖。在護盾及前方采用超前注漿或施作超前小導管支護；在護盾后部緊跟掘進，用鋼拱架、鋼筋網、鋼瓦片、錨桿、應急噴混凝土及時封閉圍巖；利用連接橋部分的機械手噴射混凝土加固圍巖。開挖較大范圍軟弱圍巖時，應采用掛鋼筋網(鋼瓦片)、鋼拱架、錨桿、灌注混凝土、噴射混凝土的聯合支護方式進行處理。

具體實施步驟：設作業平臺 → 處理危石 → 噴射混凝土 → 錨桿 → 掛鋼筋網(鋼瓦片)→ 安裝鋼拱架 → 灌注速凝細石混凝土 → 噴射混凝土。

4.1 利用超前鉆機進行超前注漿加固地層

開敞式TBM配備的超前鉆機可向刀盤前斜上方鉆孔20～30m深，用于超前地質探測，也可用于對刀盤前面及護盾上方的軟弱巖層進行注漿加固，如果刀盤前巖層穩定性特別差還可以施作小導管注漿加固，經過這樣處理的洞段，大大改善了開挖面的穩定性，保證施工安全。

4.2 安裝鋼拱架或鋼格柵

敞開式TBM護盾后配備一臺鋼拱架和鋼筋網安裝器，用于Ⅳ類和Ⅴ類圍巖洞段的鋼拱架、鋼格柵、鋼筋網的支設工作。鋼拱架或鋼格柵的支設間距，根據現場圍巖狀況和撐靴的換步行程確定。在軟弱圍巖段施工時如果圍巖輕微破碎(僅有少量剝落)，可采取短進尺掘進，邊掘進邊支護，如果圍巖嚴重破碎，易坍塌時，應停機加固、再掘進作業，掘進后應立即進行支護工作，必要時可人工應急噴射混凝土及時封閉圍巖。鋼瓦片與鋼拱架鋼筋網聯合支護見圖2，應急噴射混凝土作業見圖3。

圖2 鋼瓦片與鋼拱架鋼筋網聯合支護

圖3 人工應急噴射混凝土支護

4.3 利用錨噴支護加固頂拱圍巖

敞開式TBM在軟弱圍巖段施工時，可利用安裝在主梁上的錨桿鉆機打錨桿支護頂部圍巖，然后利用安裝在連接橋上的混凝土噴射機械手，對圍巖進行噴混凝土作業，及時封閉圍巖，防止圍巖的風化和變形失穩。設置錨桿和噴混凝土作業，可與主機掘進同時進行。

5 結 語

遼寧省大伙房水庫TBM3施工段開挖施工過程中，采取了支設鋼拱架、掛鋼筋網、噴混凝土等輔助作業措施，合理調節TBM掘進參數，保證了TBM的掘進效率，順利通過了出口淺埋偏壓洞段、查梁子河谷、大洛河谷等不良地質洞段。本文對于敞開式TBM隧洞開挖施工有一定借鑒意義。

[1] 汪洪泉.超長水工隧洞TBM法開挖施工供電方法探討[J].中國水能及電氣化,2015(4):22-24.

[2] 王夢恕，王占山.TBM通過斷層破碎帶的施工技術[J].隧道建設,2001(3):1-4.

[3] 朱玉峰，祝云川.大伙房水庫輸水工程查梁子不良地質段TBM施工對策分析[J].水利建設與管理,2007(5):45-47.

Tunneling method of open TBM on weak surrounding rock

KONG Xiangzheng

(LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.,Shenyang110015,China)

Open TBM has worse adapting ability during the excavation construction of weak surrounding cave section.Auxiliary operation equipment on the machine is utilized for erecting steel arch, hanging steel bars, spraying concrete, etc.for reinforcing surrounding rocks at the TBM3 construction section of Liaoning Dahuofang Reservoir Water Diversion Project during construction.The operation method response of TBM under special circumstances is reinforced.TBM tunneling parameters are adjusted suitably, thereby TBM passes through many adverse geological hole sections smoothly, and some experience is accumulated for construction in similar projects.

open TBM; weak surrounding rock; tunneling method

10.16616/j.cnki.11-4446/TV.2017.05.004

TV554

A

1005-4774(2017)05-0012-04