小直徑開敞式TBM遇到軟弱破碎圍巖的施工技術

1、小直徑開敞式TBM遇到軟弱破碎圍巖的施工技術引言在現(xiàn)代隧道施工中，TBM(全斷面隧道掘進機)作為一種先進的施工設備，得到了越來越廣泛的應用。TBM施工與鉆爆法不同，它集掘進、支護、出碴于一體，具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟等特點。一、工程概況那邦水電站引水隧洞全長為9748.562m,過水斷面為圓形，開挖直徑為4.5m，最小過水斷面為3.5m。隧洞最小埋深約為60m，最大埋深約為600m引水隧洞底坡為3.59%。引水隧洞巖石中類圍巖約占44%田類圍巖約占34%IV類圍巖約占19%V類圍巖在3%左右。該隧道地質(zhì)復雜，受區(qū)域性大斷層及其次生小斷層影響，隧道巖體破碎、節(jié)理發(fā)育，節(jié)理面寬張，巖石層間結合力

2、差。隧道采用S-515型TBM施工，S-515型掘進機屬敞開式全斷面掘進機，全長310m總重約2200噸，開挖直徑4.5m,設計掘進速度1(03(5m/ho這是我國首次小直徑開敞式TBMffi工，其TBMK統(tǒng)設計與施工技術與大直徑TBMffi比有很多不同特點。而且，云南地區(qū)地質(zhì)形成年代較晚，地質(zhì)條件復雜，曾經(jīng)有一臺雙護盾TBM掌鳩河引水工程應用中失敗。此前，云南還沒有TBM施工成功先例。那邦水電站引水隧洞存在多段軟弱蝕變帶地段，巖石軟化,遇水成泥狀，TBM掌靴無法撐住洞壁向前掘進,經(jīng)常發(fā)生圍巖大范圍松動、下沉、掉塊、剝落，TBM步時圍巖沿光滑結構面嚴重滑塌等問題，給施工帶來很大困難。為解決這些

3、問題，我們充分利用TBM勺出硝和支護設備，經(jīng)過反復研討，不斷實踐，并總結出了一套"管棚注漿，調(diào)整參數(shù)，適速推進，減少擾動，控制坍塌"的施工原則和"密排拱架，搭焊鋼管，網(wǎng)板結合，封閉塌腔，回填密實，及時噴錨"的處理措施，安全順利快速地通過了破碎地段，提高了TBM對不良地質(zhì)條件的適應性，實現(xiàn)了TBM在軟弱圍巖情況下快速掘進。二、TBM進入軟弱破碎圍巖地段時的判別方法（一）TBM進入軟弱破碎圍巖時主參數(shù)變化規(guī)律TBM硬巖進入軟弱破碎圍巖時，相應的掘進主參數(shù)和膠帶輸送機的硝量、硝粒會出現(xiàn)明顯的變化，據(jù)此可大致判斷TBMW盤工作面的圍巖狀況并采用人工手動調(diào)節(jié)操作模

4、式，及時調(diào)整掘進參數(shù)。推進速度（貫入度）：在硬巖情況下貫入度一般為57mm/rpm左右，當進入軟弱圍巖過渡段時，貫入度有微小的上升趨勢，出于TBM交帶輸送機出硝能力的考慮，現(xiàn)場操作一般不允許有較長的貫入度上升時間，此時貫入度隨推進速度的下降而降低，當完全進入軟弱圍巖時，貫入度相對穩(wěn)定，一般在3.5mm/rpm。推力（推進壓力）：在硬巖情況下推進速度一般為額定值的75炕右，推進壓力一般為150180bar,當進入軟弱圍巖過渡段時，推進壓力呈反拋物線形態(tài)下降，下降時間與過渡段長度成正比，推進速度隨推進壓力的下降而適當調(diào)低，當完全進入軟弱圍巖時，壓力趨于相對平穩(wěn)，一般在5070bar,此時推進速度一

5、般維持在40%左右。扭矩：在硬巖情況下一般為額定值的40%，當進入軟弱圍巖過渡段時，扭矩有緩慢上升趨勢，上升時間與過渡段長度成正比，當完全進入軟弱圍巖時，由于推進速度的下降扭矩相應降低，一般在30%左右。刀盤轉速：在硬巖情況下一般為5.4rpm,當進入軟弱圍巖過渡段后期時，調(diào)整刀盤轉速為3rpm,當完全進入軟弱圍巖時，刀盤轉速維持在3rpm。撐靴支撐力：在硬巖情況下一般為275290bar,當撐靴進入軟弱圍巖過渡段時（現(xiàn)場已做相應處理），撐靴支撐力一般調(diào)整為260bar左右，當撐靴進入軟弱圍巖地段時（現(xiàn)場已做相應處理），撐靴支撐力一般調(diào)整為220bar左右，此時應根據(jù)刀盤前部圍巖狀況隨時調(diào)整推

6、進速度以確保TBMT足夠的穩(wěn)定性。2.2TBM進入軟弱破碎圍巖時碴量與碴粒的變化特征TBM4入軟弱破碎圍巖時膠帶輸送機硝量與硝粒的變化隨圍巖類別、巖性、節(jié)理發(fā)育的不同而有所差異，大致有以下四種情況：（1）節(jié)理不發(fā)育時，碴量隨著掘進速度的增加成比例增加，碴粒呈粉碎片狀；（2）節(jié)理較發(fā)育時，碴量隨著掘進速度的增加而明顯增加，殖粒明顯增大呈塊狀，直徑一般在20cm左右；（3）節(jié)理很發(fā)育時，碴量急劇增加，碴粒明顯增大呈塊狀，直徑一般在20cm以上；（4）砂巖及風化地段，碴量急劇增加，碴粒小呈沙土狀。三、TBM開挖軟弱破碎圍巖段時出現(xiàn)的主要問題及處理措施TBMF挖軟弱破碎圍巖段出現(xiàn)的主要問題有三個方面：

7、一是圍巖坍滑和坍塌；二是TBMB靴打滑，三是TBM通過軟弱破碎圍巖段能力較差。（一）TBM通過軟弱破碎圍巖出現(xiàn)坍滑、坍塌的主要類型、形態(tài)及原因分析TBM8入軟弱破碎圍巖時出現(xiàn)坍滑、坍塌的主要類型、形態(tài)隨圍巖類別、巖性、節(jié)理發(fā)育、節(jié)理走向的不同而有所不同，在TBM®進時圍巖出現(xiàn)坍滑、坍塌的情況主要有以下五種：（1）工作面前方出現(xiàn)坍滑、坍塌：在TBMW盤的正前方開挖斷面4.5m以內(nèi)（如圖2所示）出現(xiàn)圍巖坍滑、坍塌。原因分析：TBMW盤前部圍巖破碎，節(jié)理很發(fā)育，圍巖失穩(wěn)，大范圍松動、剝落，掌子面坍塌。（2）刀盤前上方及刀盤前部出現(xiàn)坍滑、坍塌：TBM刀盤前上方呈鍋底狀并隨時有巖石掉落現(xiàn)象發(fā)生

8、，TBMW盤的正前方出現(xiàn)圍巖坍滑、坍塌，圍巖呈自然斜坡狀，此時坍滑、坍塌部位擴展到開挖斷面4.5m以外（如圖3所示）。原因分析：TBM刀盤前上方及刀盤前部圍巖破碎，節(jié)理很發(fā)育，圍巖失穩(wěn)，大范圍松動、下沉，整個掌子面坍塌，刀盤前上方巖石極不穩(wěn)定，隨時有掉落的可能，隨巖石的塌落上部塌腔將逐漸增大。（3）刀盤頂護盾上方出現(xiàn)圍巖坍滑、坍塌：TBMW盤頂護盾上方塌落的巖石緊壓護盾，或呈半鍋底狀并隨時有巖石掉落現(xiàn)象發(fā)生（如圖4所示）。原因分析：TBMW盤護盾上方圍巖節(jié)理很發(fā)育，塑性圍巖。先期掘進時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當?shù)侗P切削完成后處于護盾上方時，由于地應力的影響，圍巖收斂變形，加之護盾的振動影響，圍巖失穩(wěn)

9、、松動、剝落。（4）刀盤兩側護盾外側出現(xiàn)圍巖坍滑、坍塌：TBMW盤側護盾外側巖石塌落、掉落，根據(jù)圍巖類別、巖性、節(jié)理發(fā)育及走向形狀各異（如圖5所示）。原因分析：TBM刀盤側護盾外側圍巖節(jié)理很發(fā)育段，先期掘進時處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當?shù)侗P切削完成后處于護盾外側時，由于地應力的影響，圍巖收斂變形，加之護盾的振動影響，圍巖失穩(wěn)、松動、剝落。（5）TBM主機支撐區(qū)邊墻坍滑：先期掘進后開挖面處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，當?shù)侗P切削完成后處于撐靴位置時，由于撐靴的擠壓，圍巖失穩(wěn)、松動、坍滑（如圖6所示）。3.2TBM施工防止圍巖塌滑、坍塌后的主要措施在軟弱圍巖地帶，圍巖自穩(wěn)時間較短，一般按照支立鋼拱架、錨噴、掛鋼筋網(wǎng)、噴

10、混凝土的順序施工。3.2.1 拱頂處的坍塌處理巖石開挖后在刀盤護盾處出現(xiàn)部分崩塌或局部掉塊，主要采用加密22mmf鼾干，掛雙層鋼筋網(wǎng)（10X10cn）,將錨桿頭與鋼筋網(wǎng)焊接為一整體，再噴射混凝土，此過程不影響TBM正常掘進。巖石開挖后在刀盤或刀盤護盾處出現(xiàn)較大坍塌，必須停機處理。先停機處理護盾頂部危石，同時架立鋼拱架，在鋼拱架與護盾頂部搭焊短鋼筋，鋼筋上面焊接2mmff鋼板封閉塌腔，隨刀盤前進，逐一架立鋼架，鋼板封閉，用C20號細石混凝土回填密實，將塌腔與周圍巖石連為一體。3.2.2 撐靴處坍塌的處理一般小范圍的軟弱結構可通過相應調(diào)整掘進參數(shù)，TBM才能安全通過，此時TBM用停機。拱墻處發(fā)生較

11、大坍塌時，造成TBM機架一側的撐靴無法支撐，必須停機處理。施工中采用聯(lián)合支護方式，先清理危石，塌腔及架立鋼拱架，在鋼拱架與塌腔之間用2mn®鋼板封閉，用棉紗堵塞漏洞，用C20號混凝土回填塌腔，使回填混凝土與圍巖連成一體，待混凝土初凝后能承受住撐靴的壓力方可掘進。3.2.3 撐靴部位位于軟弱地段的處理TBM勺支撐系統(tǒng)額定總支撐力91000kN,在額定的總支撐力下?lián)窝ソ拥貕毫?90N/cm2。每個撐靴都能獨立操作。TBM屈進時，支撐靴支撐著設備的重量并將推力和扭距的反力傳給拱墻的巖壁。當拱墻圍巖強度不足以支撐撐靴壓力時，TBM各無法進行掘進。主要處理措施是：（1）將拱墻支撐靴部位進行換

12、填處理，架立鋼模板，封閉模板四周，用C20磴換填，待回填磴初凝后，再重新?lián)尉o外機架進行掘進。（2）在巖石松散、支撐力不足的情況，可采用在撐靴位置打鋼筋混凝土加固巖石，同時調(diào)整撐靴壓力，加大撐靴面積，避免出現(xiàn)反力不足、撐靴深陷的情況。四、TBM施工防止圍巖塌滑、坍塌的主要措施以及設備可能出現(xiàn)的問題及處理方案（一）TBM施工防止圍巖塌滑、坍塌的主要措施有效地進行超前地質(zhì)預報，超前注漿預加固及采取科學的支護手段、選擇合理的掘進參數(shù)是減少、防止圍巖塌滑、坍塌的主要措施，特別是對3.2中3.2.1、3.2.2的兩種情況更有效，可以做到超前加固、防止TBM刀盤被卡住的現(xiàn)象發(fā)生：4.1.1 加強超前探測及超

13、前鉆探，施作管棚注漿加固采用基于地震波反射原理的TSP202（TunnelSeismicPrediction）技術，超前探測隧道前方斷層帶和軟弱破碎帶；超前鉆探：從刀盤后部小皮帶機孔-刀盤后部孔-人孔作為鉆探通道，利用水平鉆探鉆機進行超前鉆探。結合各種方法監(jiān)測，綜合判斷TBMW盤前部圍巖狀況并根據(jù)預報的結果選擇合理的施工方法。對前方斷層破碎帶，充分利用掘進機自身的超前鉆機施作超前管棚注漿加固圍巖，確保刀盤前方圍巖的相對穩(wěn)定而不卡住刀盤和護盾。4.1.2 科學支護選擇科學的支護方案和支護參數(shù)，根據(jù)鉆爆法施工中新奧法的原理，對軟弱破碎地段圍巖及時施作錨噴柔性支護，并允許圍巖有一定的變形，充分利用圍

14、巖自身的承載力，達到支護和圍巖共同受力的目的。利用TBM自身濕噴系統(tǒng)對護盾后出露破碎圍巖進行錨噴作業(yè)，封閉圍巖，將圍巖的收斂變形降低到最小程度。4.1.3 掘進參數(shù)的合理選擇注意監(jiān)測掘進機的各種參數(shù)變化如：推力、刀盤轉速、刀盤扭矩、掘進速度、主電機電流等，根據(jù)掘進參數(shù)的變化可以大致推斷刀盤前部圍巖的變化情況，推理的大小反映前方圍巖的強度，而扭矩的大小則反映了前方圍巖的完整性情況，結合觀察1#皮帶機出碴情況，及時地選擇和調(diào)整掘進參數(shù)可以有效地減少不必要的坍塌。4.1.4 加強圍巖量測監(jiān)控制定完善的圍巖量測監(jiān)控制度，尤其對軟弱破碎地段加強圍巖量測監(jiān)控工作，進行動態(tài)施工管理，根據(jù)量測反饋信息及時調(diào)整

15、支護參數(shù)，確保施工安全。4.2TBM設備方面在軟弱破碎圍巖施工中可能出現(xiàn)的問題及處理方案4.2.1 TBM撐靴可能支撐力不足，甚至推進時出現(xiàn)打滑現(xiàn)象（1）利用撐靴功能選擇堅實的支撐位置；（2）選擇合適的掘進參數(shù)，控制推進推力和掘進速度；（3）回填混凝土或注漿固結。4.2.2 TBM掘進對圍巖的擾動可能帶來的影響掘進機施工對圍巖擾動不大，而且可以控制速度最大限度地減低擾動的影響。4.2.3 需要施作超前管棚注漿（1）利用隨機配備的超前鉆機施作，但目前鉆機型式不太適合，需要重新選型；（2）借鑒鉆爆法施工的方法、手段。4.2.4 在護盾后立即施作封閉巖面的初期支護作業(yè)并增加初期支護的剛度利用隨機配置

16、的鋼拱架安裝機構安裝鋼拱架，掛加密鋼筋網(wǎng)并加強鋼拱架橫向連接。4.2.5 改進設備的局部結構和配置（1）增加一臺砼輸送泵，提高塌腔砼灌注速度TBM11機配置的磴噴射系統(tǒng)，泵送流量較小，且承擔著磴噴射任務，用于塌腔砼灌注速度很慢，增加一臺砼輸送泵，能有效地提高隧道頂部中大塌方的塌腔砼回填進度，而且回填的砼阻止了塌腔的擴大。(2)改進仰拱清碴膠帶輸送機驅(qū)動方式，提高該機工作可靠性；增加膠帶輸送機長度，提高仰拱塌碴清理速度。(3)調(diào)節(jié)PLC系統(tǒng)撐靴支撐壓力參數(shù)，減少撐靴對洞壁的接地比壓，防止洞壁巖石剝落。五、結論( 1) "超前探測，管棚注漿，調(diào)整參數(shù)，適速推進，減少擾動，控制坍塌"的施工原則和"密排拱架，搭焊鋼管，網(wǎng)板結合，封閉塌腔，回填密實，及時噴錨”的處理措施是TBM肝挖軟弱破碎圍巖的經(jīng)驗總結。(2)在TBM施工中，多次