T B M在隧洞不良地质条件下的施工技术

2015-04-05孙洪凯祁海燕刘录良

水利规划与设计 2015年6期

关键词：皮带机刀盘隧洞

孙洪凯，祁海燕，潘旭，刘录良，许晗

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

T B M在隧洞不良地质条件下的施工技术

孙洪凯，祁海燕，潘旭，刘录良，许晗

（辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

本文结合T B M在长大隧洞施工中的实践经验，对T B M在不良地质条件下的施工技术进行研究，从不良地质段的识别、可能遇到的问题及处理措施进行分析总结，成果对提高T B M掘进效率保障起到了良好的效果。

T B M；不良地质；掘进参数；贯入度

1 工程概述

辽宁省大伙房输水工程Ⅰ期工程输水隧洞全长为85.3km，开挖洞径8.0m，成洞洞径7.16m，属无压自流洞。采用钻爆法和三台T B M联合施工技术，三台T B M共完成掘进58.7km。工程洞线共穿越29条断层、50座山峰、51条河谷，埋深在52～600m之间。在T B M的掘进过程中遇到了断层破碎带、富水带、节理密集带等不良地质洞段，产生过围岩大面积松动、掉块、剥落、工作面坍塌、甚至出现了刀盘被卡住等现象，而影响到掘进速度。可以说T B M在不良地质条件下的施工决定着整个工程是否能够按工期顺利完成。在施工中不断总结T B M在不良地质条件下的施工技术，利用T B M自身的优势，穿越了各种不良地质洞段，使工程按工期顺利完成。

2 T B M施工技术

2.1 T B M进入不良地质段的辨别方法

T B M（隧道掘进机）施工具有协调性、快速性、连续性和密集性的特点，但受不良地质影响较为显著。为解决T B M穿越断层时可能出现的不良地质段问题，必须进行适当的超前地质预报与预测，并采取积极的技术处理措施。除目前广泛使用T SP、H SP、B E A M等超前地质勘探外，也可以利用出渣及掘进时异常情况、掘进参数等变化进行不良地质段的综合分析。

2.1.1 T B M掘进时主要参数的变化规律

T B M从优良地质段进入不良地质段时，主要参数和后配套的出渣量、石渣块度都会出现明显的变化，根据这些变化可以大致确定工作面的地质情况和围岩类别，从而由操作人员手动控制，及时调整掘进参数，实现T B M的安全、快速和高效掘进。T B M掘进中的主要调整和控制参数为：

（1）刀盘转速：在优良地质段（硬岩）情况下，若刀盘推进力较大（大于345ba r），后配套的皮带上岩渣均匀，大块较少时，可以采用高转速（5～6r pm）掘进。当进入不良地质过渡段时，若刀盘推进力较小（小于345ba r），后配套的皮带上岩渣不均匀，大块较多时，可以采用低转速（3r pm）掘进。这样既可以减少刀盘对围岩的扰动，又能够控制皮带机输碴量，避免出现皮带机被卡、皮带被拉断等事故发生。

（2）刀盘推力：在围岩良好地质段（硬岩）情况下，推进速度一般为额定值的75%左右，推进压力一般控制在268ba r左右。当进入不良地质过渡段时，推进压力呈反抛物线形态下降，下降时间与过渡段长度成正比，推进速度要随推进压力的下降而适当调低；当完全进入不良地质段后，推进压力趋于相对平衡状态，一般为104ba r，此时推进速度维持在额定值的40%左右。

（3）推进速度（贯入度）：推进速度是T B M掘进最重要的可控参数，在硬岩情况下贯入度一般为每转5～7m m；当进入软弱岩石过渡段时，T B M皮带机上的出渣量就会增多，所以就要降低推进速度；当完全进入软弱岩石情况时，贯入度一般保持在3～4m m左右。

（4）撑靴支撑力：在硬岩情况下，T B M的撑靴支撑力一般为27～29MP a；当撑靴进入软弱岩石过渡段时，撑靴支撑力一般调整到26MP a左右；当撑靴进入软弱围岩地段时，撑靴支撑力一般调整为22MP a左右。

2.1.2 T B M进入不良地质地段时出渣量与石渣块度的变化

T B M在优良地质条件下正常掘进时，出渣量和石渣块度都是很有规律的，当T B M在不良地质条件下掘进时，后配套皮带机上的渣量和石渣块度随围岩级别、岩性、节理发育程度的不同而存在很大的差异，大体有四种情况：

（1）地质条件比较好、节理不发育时，出渣量与掘进速度成正比，石碴呈片状、粉状连续出现，且粒径均一。

（2）当地质条件比较差，节理较发育时，出渣量随掘进速度的增加而明显增加，皮带机上的石碴块度较大或大小不一，且无长时间的断续现象。

（3）当地质条件很差，节理很发育时，碴呈断续状成堆出现或时而满皮带机出碴、时而皮带机中一直没有碴，石渣块度大小不一，甚至会发生皮带机被卡现象。

（4）泥化岩和强风化围岩段，渣量急剧增加，渣粒小呈砂土状或泥状。

2.2 T B M进入不良地质段（岩石破碎）时遇到的主要问题及处理措施

当T B M进入不良地质段后就会遇到围岩掉块和塌方等现象，其主要原因是由于进入不良地质段后围岩节理发育，岩石受节理切割作用围岩本身就呈碎块状结构，甚至成糜棱化细片状，围岩自稳能力差或根本没有自稳能力，而且大多富水。再加上T B M在掘进过程中对围岩产生的扰动，致使围岩出现岩层松动、掉落，甚至还会出现围岩失稳坍塌。主要有以下几种类型：

2.2.1 T B M进入不良地质段时遇到的主要问题

（1）在刀盘前方出现失稳坍塌。以超前加固、固结刀盘前方松散岩体为主要施工原则，应在刀盘前立模、灌注混凝土（掺有早强剂及减水剂），以确保掌子面与开挖面有效接触，使掌子面受力均匀，以减小临空面，有效控制坍塌。若坍塌范围小，应慢速低推力掘进，尽量减小扰动，避免大量出碴。

（2）在刀盘上方出现失稳坍塌。这种坍滑、坍塌对T B M的施工影响很大。因为在刀盘上方出现了坍滑、坍塌，如果不及时处理，在T B M的扰动下很有可能造成坍塌部位向刀盘后方延伸，出现更大面积的塌方现象。出现这种情况时，可以根据地质情况的需要，利用T B M超前钻机施做超前管棚，可先支立钢拱架，然后在顶拱部位安装钢管支架，形成稳定的支护区。管棚之间的搭接长度要保持在5～8m左右。

（3）在刀盘护盾上方及两侧出现失稳坍塌。当刀盘护盾上方和两侧大面积出现坍滑、坍塌时，此时必须停机处理。主要的处理方法是进行超前喷护，再支立环形钢拱架，打锚杆，挂钢筋网，并且锚杆与钢筋网要焊接在一起，然后超前喷混凝土，混凝土的厚度要根据具体情况而定，一般喷混凝土封闭岩面至覆盖、包裹钢拱架。

（4）在撑靴部位发生坍塌。当撑靴部位发生坍塌时，由于没有足够的支撑力，就会造成T B M无法掘进，因此必须进行处理。主要的处理措施是：将拱墙撑靴部位进行换填处理，安装钢板，封闭钢板四周，用混凝土进行回填。对范围较大坍塌在空腔回填时，为减少等强时间，提高工效，在混凝土中加入适量速凝剂（速凝剂量适中，以保证混凝土有一定的流动性，确保坍腔回填密实）。待混凝土终凝达到一定强度后再进行掘进。

2.2.2 防止围岩出现坍滑、坍塌而采用的施工支护措施

在T B M施工中碰到不良地质洞段是在所难免的，为防止围岩出现坍滑、坍塌而采取必要的、合理的支护措施已经成为T B M在不良地质洞段施工重点。正确合理的支护作业方式和施工作业流程可以确保T B M安全通过不良地质洞段。

T B M上配备的主要支护设备有：钢拱架安装机、锚杆钻机、钢筋网安装器、超前钻机、混凝土喷射机械手、砂浆搅拌机等。各主要支护设备作业方式如下：

（1）钢拱架的安装：钢拱架安装器布置在刀盘护盾后面，由液压小齿轮驱动的环形齿轮和爬升设备组成。钢拱架的安装要确保竖直，间距符合要求，拧紧链接螺栓。隧道清底要彻底，以保证钢拱架紧贴仰拱。

（2）锚杆钻机：2台锚杆钻机布置在主梁两侧，主要用于临时和系统支护锚杆的施工。锚杆钻机可在隧洞拱部240°范围进行岩壁钻孔。

（3）钢筋网安装器：T B M施工段钢筋网采用Φ 8光面钢筋在洞外焊接成网状，网格尺寸为150m m× 150m m和200m m×200m m两种规格，自洞外运至T B M后配套后，通过吊运装置吊运至安装器处，再由安装器将钢筋网送至洞壁，通过锚筋固定，钢筋网与壁面间距30m m。钢筋网与锚杆焊接牢固。

（4）超前钻机：安装在前部主梁工作平台上或主梁下部，钻机为回转式，在刀盘正前方的掌子面上水平或小角度上倾钻进取芯。

（5）混凝土喷射机械手：在T B M后部的L 2工作区，安装2个喷射机械手和与之相匹配的混凝土输送泵、液体速凝剂泵等设备，用于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类

（2）靠近基岩部位是混凝土外部约束最大的部位，靠近基岩部位混凝土双向散热，向外散发热量快，混凝土降温较快，易引起较大的外部约束，该部位在内部约束与外部约束共同作用下，进一步加大温度应力，从而导致混凝土的开裂。

（3）由于F 2断层斜穿该坝段、较大的开挖高差以及基岩的不均匀性，对6#坝段上游面混凝土防裂均产生一定的不利影响。

（4）顶面4层限裂钢筋避免了裂缝向上发展。缝内采用水溶性聚氨酯化灌，沿缝凿槽，嵌填SR 3型塑性止水材料，表面用SR防渗保护盖片粘贴保护，三重防渗处理，廊道内渗水完全消失，证明该方法处理裂缝效果较好。

（5）混凝土重力坝设计规范规定，横缝间距一般为15～20m。由于北方地区冬季低温，混凝土重力坝横缝间距即使取规范规定的下限值，在无表面保护措施情况下，仍难以避免坝面竖向裂缝的产生。通过设置长期的保温措施或缩短横缝间距的措施，可以避免坝面竖向裂缝的产生。

［1］朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2012.

［2］SL319-2005.混凝土重力坝设计规范［S］.

［3］张志雄，刘杰，等.万胜坝水库大坝混凝土面板裂缝处理［J］.水利规划与设计，2010（05）.

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［5］王梅，王增旗，潘光林.丹江口水利枢纽混凝土坝水平裂缝处理质量控制［J］.水利技术监督，2000（01）.围岩的喷射混凝土初期支护。喷射范围为径向320°、沿主机纵向移动距离不小于5.4m。

（6）砂浆搅拌机：在锚杆钻机岩壁钻孔并进行清孔，砂浆搅拌机拌制砂浆，利用注浆泵通过软管向锚杆孔内注浆。

3 结语

通过在辽宁省大伙房输水工程Ⅰ期工程输水隧洞施工实践表明，T B M通过不良地质段掘进施工是隧洞施工的关键，对工程的顺利完工起着决定性的作用。

（1）在充分开展传统方式进行地质超前预报的基础上，仍应对T B M掘进参数的变化进行技术分析，对及时判别地质变化意义显著。

（2）应充分考虑可能面对的不良地质情况，积极完善超前导管注浆工艺，努力提升初期支护施做能力，能够有效的防止大范围坍塌和剥落，提高T B M在软岩中的通过能力。

（3）对施工过程中关键工序的控制要注重缩短工序衔接时间，提高工序工艺水平；立足于T B M施工，不断完善软弱围岩施工技术，提高T B M在软弱围岩中的施工能力，完善、改进现有设备，合理配置，有效拓展和延伸硬岩掘进机的适用范围，使T B M在不良地质段适应性得到有效保障，才能更好发挥T B M优质、快速的施工特点，使工程的围岩共同承担，对于双层配筋计算钢筋应力为1311.93kN/m2，校核应力为172222kN/m2，满足钢筋强度要求。

经过校核，隧洞的衬砌厚度和配筋均满足要求。证明设计尺寸和结构是合理的。因隧洞直径较小，将伸缩缝和施工缝合为一个。即不另设施工缝，以伸缩缝代替施工缝。在隧洞轴线方向每隔10m设置一条伸缩缝，设止水，钢筋切断。在缝内设置沥青油毡。在衬砌外围空间，衬砌的同时，充填C 15混凝土，进行到顶部时，顶部每隔3m设置D=5c m、L=50c m的铁管，作为灌浆孔，灌浆孔离开伸缩缝50c m以上。