gATBM通过断层破碎带的施工技术
TBM通过断层破碎带的施工技术
王梦恕王占山
(中铁隧道集团有限公司洛阳471009)
摘要对TBM快速通过断层破碎带的技术进行了阐述；介绍了可能遇到的各种不利情况及其处理措施。
关键词 TBM 断层破碎带快速通过处理措施
1 概述
TBM由于其高效、安全的优越性能,近年来得到愈来愈多的应用,但其对断层破碎带等不良地质条件的适应性较差。这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响,不仅可能导致TBM 掘进作业时间利用率降低,甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况。必须采取有效的措施,否则处理不当就会给施工带来严重后果。我国云南天生桥水电站引水隧洞、意大利戈森萨铁路隧道以及奥地利坎波罗索铁路隧道在TBM通过断层带时都遇到TBM刀盘被卡住的事故,造成长时间的停机。中铁隧道集团在摩沟岭隧道工地施工时,也出现了TBM被卡20多天的教训。
TBM施工有其自身的特点。在切削岩石时其对围岩的扰动比钻爆法要小,但初期支护不如钻爆法及时;初期支护前岩石暴露时间长,极易发生危石损伤设备的事故,这就需要根据设备分布位置,选择合适时机进行及时支护,必须合理布置初期支护设备位置,其支护能力必须承受全部地层荷载,所以在进行初期支护方面没有钻爆法机动灵活。对TBM的这些特点,我们在断层破碎带施工时必须给以很好的考虑。
2 断层破碎带对TBM施工的影响
断层破碎带会对TBM施工造成很不利的影响,主要有:
a. 开挖后工作面及拱顶坍塌,剥落。将TBM刀盘埋入,刀盘旋转困难。
b. 开挖面及边墙坍塌,撑靴支撑力不够,不能提供TBM掘进所需的足够的支反力。
c. 给喷锚支护带来困难。
d. 围岩软硬不均,刀盘旋转时易产生震动,影响刀具的使用寿命,增加刀具消耗。
e. 当围岩软硬不均时可能会引起TBM机体的摆动增加。给掘进方向的控制带来困难。
f. 如存在涌水则会由于水压作用,工作面发生坍塌,涌水淹埋刀盘及机体,增大刀盘的旋转扭矩;水的作用造成侧壁坍塌,支撑靴无法支撑;涌水淹没机体等。
3 通过断层破碎带的主要辅助设备
采用合适的设备来快速、安全通过断层破碎带等不良地质地段是至关重要的。目前主要的设备有超前钻机、锚杆机、环梁安装器等。这些设备一般安装在掘进机的头部、刀盘支撑体后面、大梁顶部,以便在掘进过程中一旦发现险情就能及时利用他们进行处理。
我国天生桥水电站引水隧道开挖时,引进了美国罗宾斯公司的10.8m直径的掘进机,同时引进了与之配套的三大设备:超前钻机、锚杆机、环梁安装器。
秦岭隧道施工时,为顺利通过断层破碎带,在WIRTH TB880E型开敞式掘进机上也装备了超前钻机、锚杆机、环梁安装器等设备。超前钻机能在护盾外边以6°仰角在刀盘上部84°的区域内进行探测钻进或预注浆加固岩层。前部锚杆钻机可在150°的顶部区域内钻孔,后部锚杆钻机可在两边壁各90°范围内钻孔。锚杆钻机钻孔深度达3.5m,孔径38mm,水平移动距离3.8m。环梁安装器允许在TBM掘进机在刀盘护盾后进行钢拱架的组装和安装。同时,为防止落石危害施工人员和设备,掘进时在护盾外缘安装了长90cm的指点形护盾,另外又在护盾下缘焊接了一排钢管,可利用它进行超前锚杆支护。
4 通过断层破碎带和处理措施
当要通过断层破碎带时,我们一般按以下步骤(图1)进行施工,并根据断层破碎带的具体
图1 通过断层破碎带的步骤
具体的步骤和措施为:
a. 掘进前:
超前地质预报的预测,以确定破碎带边缘、长度、破碎程度以及含水情况等。
根据破碎带的不同情况采取不同的处理措施。对于轻微破碎地段,对TBM不会造成影响时,可不进行处理:对于一般的破碎地段,采用先掘进,再处理的办法;对于严重破碎地段,掘进机无法施工时,停止掘进,用TBM所配的钻孔注浆设备进行超前加固,然后打超前钻孔检查,证明可行时再向前掘进并进行处理。如破碎段长,且破碎严重,一般加固仍无法使用TBM顺利通过时,可用钻爆法开挖成洞,TBM随后跟进通过。
b. 掘进时
合理选用TBM掘进参数。在不同的地质条件下,TBM所需要的推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴支撑力等掘进参数是不同的。在TBM通过断层破碎带时,可适当减少TBM 的掘进速度、刀盘转速等掘进参数,这样能有效地减小对围岩的扰动,从而减小或避免发生坍方,使TBM安全通过。
同时,要根据掘进中部分掘进参数的相对变化,了解前方围岩的变化情况(例如通过推
进压力的大小可推知围岩强度情况,通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况),从而
及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施,使TBM快速、安全通过。
c. 掘进后
加强支护。对一般破碎地段,可采用喷混凝土或喷纤维混凝土、局部加锚杆喷纤维混凝土的支护措施;对严重破碎地段,可采用架设钢拱架、挂网、喷射混凝土或纤维混凝土的支护措施。
4.1 超前预报与预测
由于地质勘探的局限性,掘进机在隧洞掘进中往往会遇到一些地质图上没有反映出来
的不良情况。为了进一步探明掘进机前方断层破碎带的确切情况,应积极开展工程地质超前预报工作,以便详细掌握断层破碎带的情况,从而采取合理的措施。
目前,其常用的方法有:a. 利用TBM上配备的超前钻机;b. 利用超前预报系统(如地震地质预报系统TSP);c. 利用平导地质情况推断;d. 利用出露的岩石、出碴的情况以及掘进时的异常情况进行判断等。
在秦岭隧道施工中,通过TBM自带的超前钻机(超前探测20～30m)和TSP202超前地质探测仪进行了超前地质预报,并通过II线平导以及出露的岩石、出碴的情况和掘进时的异常情况对前方地质情况进行了综合判断,较好地探明了前方破碎带的情况,为TBM顺利通过奠定了基础。
4.2 预加固
根据前方的地质情况判断是否适合TBM掘进,若适合,则继续向前掘进;反之,则需对前方不良地质地段进行加固,或采用其它方法通过。如与其它方案在工期、经济性等方面进行比较后认为预加固方案可行,则利用TBM直接向前方断层破碎带等不良地质地段进行加固处理。
可利用TBM所配备的超前钻机,结合TBM自身配备的注浆设备,对隧道前方断层破碎带的围岩进行超前预注浆和超前管棚注浆加固。在钻孔前,为防止掌子面出现围岩坍塌和漏浆,可利用TBM自身配备的喷射系统在刀盘开挖后喷射一层混凝土,但严禁刀盘后退以防塌落卡死刀盘。在进行注浆前,先用水冲洗钻孔,注浆时,为防止串浆和漏注,可先从两侧的钻孔向拱顶对称注浆。注浆参数应根据围岩的工程地质和水文地质(如围岩孔隙率、裂隙率、渗透系数、涌水量、水压等)并结合试验来选择确定。
4.3 对坍塌的处理
根据坍塌规模的大小采取不同的措施。
a. 小规模坍塌
作业面顶部和面部发生若干坍塌或小范围的剥离,但不扩大;刀盘护盾与岩壁间有小块石头掉下,拱部或侧壁发生小坍塌,但没有继续发展扩大的迹象。掘进正常,推力、扭矩变化不大,机械(尤其主机区域)没有异常的振动和声响,碴均匀集中,偶尔混有大块岩碴。可采用如下的支护措施:撑靴以上部位挂钢筋网、打系统锚杆,视情况架立钢拱架。
b. 中等规模坍塌
作业面剥落严重,拱顶严重坍塌或局部剥落,但刀具还可运转;撑靴部位坍落严重,垫衬、倒换困难:护盾与岩壁间落下大量石块。掘进时机械振动较大,有异常的噪音,推力有减弱的倾向,扭矩增大,并有上下变动的倾向,皮带输送机上大块增多,伴有少量细碴,碴堆忽
多忽少,不均匀。可采用以下支护措施:利用手喷混凝土系统向坍塌处喷射混凝土,及时封闭围岩,减少岩石暴露时间。安装全圆钢拱架,拱架安装前先在撑靴以上部位挂钢筋网。打注浆锚管,以提高撑靴的承载能力。
c. 大规模坍塌
拱顶及洞壁发生大面积坍塌,且发展很快以致于常规施工方法无法控制;从护盾边缘观察拱顶坍塌很深,大量石块从护盾与岩壁之间落下,坍塌向后部区域扩大;撑靴撑着的洞壁
部位大量坍落,从而不能取得反力,无法换程。掘进时机械振动特别大,在主控室即能听到掌子面发出的巨大声响。推进时,扭矩变得很大,刀具旋转困难或不能旋转;岩碴大量产生,发生堵塞,严重时刀盘被石块卡住,无法旋转,碴中以大块为主,几乎没有细碴。可采用如下支护措施:TBM停止掘进,采取辅助对策,从TBM后方打探孔,在坍塌部位注浆,除去坍塌处的土碴,并用细石混凝土等充填,并架立钢拱架支护。
如引黄入晋工程,在通过一般断层破碎带时采用了如下措施:对于较小断层、破碎带: a．喷混凝土,b．锚喷,c．锚喷+钢筋网;如遇较大的断层、破碎带则施做喷锚网并安装12号槽钢预制环形钢支撑,当塌方卡死TBM时,从TBM上方做一导洞,进入TBM刀盘前方进行钻爆法处理和注浆,然后再启动TBM通过处理段再掘进。
秦岭隧道在通过fsnll、fsnl2较大断层时,采取了以下施工措施:停止掘进,利用超前钻机预注浆加固处理岩层,但钻机未试用成功,只有立钢拱架支护。由于坍塌厉害,拱架严重变形,部分拱架侵入衬砌净空超过5cm。主机通过后先清完钢筋网上虚碴,剪开钢筋网,
在坍塌处纵向加设工字钢支撑,环向布设钢筋网,并利用岩石间隙纵横穿插φ22钢筋,与钢筋网焊接,形成钢筋骨架。在原钢拱架上立模灌浆,在坍塌处形成一封闭钢筋混凝土拱。待混凝土凝固后,割断拱架,凿除侵入界限的混凝土,重新安装钢拱架。
另外,断层破碎带的喷射混凝土非常重要。手喷混凝土时必须做好相关设备的防护工作,避免混凝土回弹料污染主机设备。喷射混凝土必须从填充岩面空洞、裂缝开始,在钢拱架地段,钢架与围岩之间空隙必须用喷射混凝土填充密实。
4.4 TBM在软弱破碎地层撑脚处的围岩加固技术
TBM掘进时,支撑靴支撑着设备的重量并将推力和刀盘扭矩的反力传递给边墙岩壁,当边墙岩壁强度足以承受支撑靴压力时,TBM方可正常掘进。因此,对小范围的边墙坍方,可通过锁死部分支撑靴,减小对围岩的支撑压力,同时相应地减小TBM推力、推进速度,在TBM不停机的情况下通过坍方地段;如果边墙相对软弱,可在支撑靴处加垫枕木垛增大接地面积,然后通过。当隧道边墙发生较大的坍方或边墙围岩强度不足以承受撑靴压力,而以上措施又不能奏效时,可先停机,在撑靴处打数根注浆锚管,注浆后提高地层承载力;也可在采用喷锚网+钢拱+灌注
混凝土的联合支护方式进行处理后再掘进。
4.5 软弱地带下沉处理
根据前方地质情况,如判断可能发生下沉并且施工中简单处理仍可能发生严重下沉时,
可预注浆加固处理,达到一定的强度后再掘进通过。如在掘进中发生TBM下沉,则将TBM后退到断层软弱区外,后退前应对开挖面及开挖段进行初期支护,以防塌落。然后装上枕木垛,用千斤顶对TBM进行姿态校正,之后再浇注混凝土置换,为使混凝土能承受撑靴的压力,混凝土必须浇注至起拱线。
4.6 断层破碎带涌水的处理
TBM掘进时,突发涌水会给施工带来严重影响,甚至危及人员及财产安全。因而,处理方案应坚持的原则为:预测先行,预防为主;防微杜渐,确保安全。一般可采用以下步骤、措施: a. 掘进前:打超前钻孔,可结合破碎带探孔,探测钻孔出水量、水压;确定涌水点里程。打超前放水孔进行放水,放水过程中,时刻观察水压及水量变化,如水压减小,在做好排水系统的条件下,TBM继续掘进。如排水孔水压及水量不减,开挖后会造成工作面及侧壁坍塌或排水设施跟不上,必须采用注浆堵水。
b. 掘进后:对工作面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面。对侧壁的漏水采用挡遮、引排措施,保证喷混凝土质量。喷混凝土后,由于水压升高,有可能使一次支护破坏,则采用引排方法或壁后注浆法封堵。当水压过高,水量过大时,采用围岩注浆,将水填堵在围岩内部。
秦岭隧道I线工程出口段,对于断层破碎带的涌水采取了以下处理措施:
a. 围岩内只有微量渗水或局部滴水,一般采用无水地段处理办法。用锚杆钢筋网加格栅拱架的加强支护,并在拱顶设置草绳引水。
b. 在股状、线状出水段,加密透水管及草绳引排,再铺设无纺布和防水板,要求防水板粘贴紧密无缝隙,不允许射钉打穿防水板,采用抗渗透标号较高的防水混凝土,尽量减少施
工缝,施工缝、沉降缝采用防水接头。考虑到岩石松软且发现拱顶有下沉现象,为避免围岩侵入衬砌限界,局部架设全圆钢拱架,间距1.8m。
c. 对于较大股状涌水的集中出水段,间隔打1.5～2.0m深排水孔,插入废旧橡胶管,通
过软式透水管将水引到隧道底部的仰拱块中心水沟内排出或将水截住,开挖一导洞,通过Ⅱ线平导排水。软式透水管设置间距应加密,顶部铺设防水板,切实做好防排水工作。同时采用防水混凝土。喷射混凝土时,适当增加水泥用量,喷射手要掌握好速凝剂的掺量,并由远及近逐渐向有水地段喷射。
4.7 区域性断层的处理
对于大的区域性断层破碎带,为使TBM快速、安全通过这些地段,确保工期,一般可以先进行预处理,然后TBM掘进通过或直接步进通过。预处理的主要技术措施是对围岩进行帷幕注浆,以达到加固围岩和堵水的目的。
主要方案有:a. 中导洞钻爆法开挖、TBM扩挖方案。该方案先开挖中导洞,并通过围岩注浆达到加固破碎围岩和堵水的目的。当TBM到位后,扩大隧道断面通过。b. 全断面钻爆法开挖、TBM穿行通过方案。该方案以隧道中线为中心进行全断面开挖,根据支护结构形式和TBM穿行方式,确定相应开挖断面尺寸。施工中首先对围岩进行注浆加固止水,然后全断面开挖并进行初期支护,待掘进机到位后穿行通过。前者具有钻爆开挖量少、能尽量利用TBM快速掘进的优点。但是前提是帷幕注浆必须达到能使加固层围岩提高到III类以上的效果,而且要求帷幕有足够的厚度,只有这样才能满足中导洞只作喷混凝土临时支护的要求,否则将会造成TBM扩挖的困难和临时支护费用的增加。另外,中导洞与横通道的衔接部位也需进行处理,以满足支撑靴的受力,并且在与横通道交会位置进行扩挖时,刀盘将受到轴向偏心荷载的作用,对大轴承和外围刀具的工况都将产生不利的影响。后者则是完全应用钻爆法,TBM仅是步进通过。
秦岭I线采用维尔特TB880E开敞式硬岩掘进机施工,其处理软弱围岩的能力较差,为确
保TBM安全通过F
4断层及确保工期,对F
4
断层400m长度范围采取了预处理,提前用钻爆法全
断面开挖及衬砌,然后TBM步进通过。
a. 开挖:从临通及11通同时进行开挖,从横通道通过小导洞进入I线正洞后,再进行扩挖成形,开挖直径略大于TBM最大直径。正洞前50m采用三步微台阶逆作法施工,人工配合装载机出碴;50m后,组装简易台架,台架配合风钻全断面打眼爆破或小导坑超前爆破,装载机出碴。
b. 支护措施:本着短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测的施工原则,采取钢拱架支撑、超前锚杆支护的支护措施。钢拱架间距0.5m～1.0m,超前锚杆间距40cm,锚杆长3m,水平搭接不小于lm。拱架架设后,立即在拱腰和拱脚撑上横钢撑,同时迅速喷浆,封闭岩面。
对于围岩变形严重坍穴较深处,立即喷灌混凝土回填以加强支护。对于断层中的破碎带采取管式注浆锚杆,预注浆加固拱部岩层。
引黄入晋工程通过特大断层破碎带时,采取了以下措施:a. 沿洞线方向开一个辅助巷道,巷道尺寸以有利于同时打眼和注浆的最小断面为宜。b. 注浆加固靠近掌子面的10m范围。
c. 由辅助巷道排水弃渣。
d. 在工作面上用钢筋及灌浆组成一个伞状保护拱。
e. 加固注浆完成后,TBM缓慢推进,适当降低功率和推力,根据发生的种种突然情况随时采取加固措施,
直至通过断层破碎带。
5 小结
快速、安全通过断层破碎带对于减少投资,缩短工期有着非常重要的作用。为此我们要作好以下工作:
a. 进行超前地质预报,准确预测前方破碎带的情况以便采取相应的措施。同时充分利用岩渣信息、导洞地质情况等综合判断前方的地质情况。
b. 工程技术人员要充分认识TBM施工开挖、支护的主要特点。掘进时,应根据不同的地质条件合理选用TBM掘进参数。
c. 配备一套完备的超前加固及易于操作的手喷混凝土系统,对前方不良地质进行预加固处理和及时封闭围岩以控制变形、控制坍塌扩延。
d. 采用合理的支护措施,提高通过不良地质地段时的支护速度。如对于局部坍塌地段可采用自加工钢支撑(格栅、槽钢拱架、加强格栅拱架等)代替钢拱架,既可提高支护速度,又可节省材料。
另外,还要作好各种准备工作,如各种材料、设备的准备工作以及人员培训工作等,保证掘进、支护等工作的快速高质量完成,使TBM顺利通过断层破碎带。
（注：本文部分数据出自水利水电部杭州机械设计研究所1986年3月的“硬岩掘进机对付不良地层的设备”资料；王梦恕,谭忠盛2000年10月的“TBM施工技术”资料.）
参考文献
1 张杰、杨全等. 秦岭隧道掘进机通过塌方地段的对策. 世界隧道,1999.3
2 周垂一(编译). 掘进机通过不良地质地段的施工方法及应变措施. 华东水电技术,1990年第2期。
3杨永(译),全断面隧道掘进机在不良和劣质岩层中开挖隧道.隧道译丛,1989.6。
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5 张荣山. 引黄入晋南干线七号隧洞不良地质段TBM施工探讨. 1995年全断面岩石掘进机学术研讨会论文。
6 陈永华. 隧道掘进机通过不良地质地段的主要技术措施. 铁科院1992年学术报告会论文集。
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