CN107355226B - Tbm施工隧洞断层破碎带洞段处理结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的是TBM施工隧洞不良地质条件处理技术领域的一种TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构及处理方法，该结构包括隧洞和位于隧洞掌子面前方的断层破碎带，所述隧洞掌子面中心设有导洞，导洞与隧洞延伸方向一致且贯穿整个断层破碎带，所述导洞围岩由喷射混凝土支护，并且在围岩上设有多个注浆钻孔，所述注浆钻孔远离隧洞中心的一端超过隧洞外围，所述注浆钻孔内设有注浆材料。本发明采用对断层破碎带进行先加固后掘进的方式，将断层破碎带变为相对稳定的区域后再进行TBM掘进，充分发挥了TBM快速掘进支护的特点，相对于现有的处理结构或方法，本发明效率更高、操作更安全、成本更低，具有很好的社会和经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及TBM施工隧洞不良地质条件处理技术领域，尤其涉及一种TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构及处理方法。
背景技术
TBM由于其掘进效率高、施工质量好、对围岩扰动小等优点，近年来在水利水电工程、轨道交通等行业得到了广泛应用，但由于其特殊的机体结构和掘进方式，使其对断层破碎带等不良地质条件适应性较差。在断层破碎带内TBM掘进效率低，还可能因隧洞围岩变形和围岩坍塌造成TBM刀盘、护盾被卡，设备损坏等问题，后期长时间的卡机脱困处理和设备修复也将延误工期，而且断层破碎带岩体强度较低，不能为TBM支撑靴提供足够的支撑反力，影响TBM正常掘进，因此必须采取有效的措施进行断层破碎带处理，使TBM能够安全通过断层破碎带区域。
现目前对于TBM施工隧洞中一般的断层破碎带洞段，主要采用先掘进，再针对掘进中出现的问题进行相应处理；对于较为严重断层破碎带洞段，当TBM已无法进行掘进时，利用TBM所配备的超前地质钻机和注浆设备进行一定范围内的超前加固，然后继续掘进，并对掘进中出现的问题进行相应处理；对于十分长大的断层破碎带洞段，采用TBM配备的设备进行加固后，仍无法安全掘进时，采用钻爆法直接开挖前方断层破碎带区域形成隧洞，后续TBM直接步进通过。
现有技术的缺点主要有：采用先掘进，再针对出现的问题进行处理的方法，经常在掘进中发生TBM刀盘、护盾被卡，设备损坏，造成长时间的停机，花费长时间进行脱困处理等工作，延误工期；受制于TBM特殊的机体结构，其所配备的一台超前地质钻机只能进行顶拱小范围的钻孔作业，使得不能进行整个掘进断面的超前加固处理，造成处理效果较差，而且钻孔效率较低，钻孔作业将极大的占用工期；在大直径隧洞掘进中，采用钻爆法开挖、TBM步进通过的方法，开挖量极大，现场断层破碎带开挖作业、隧洞出渣、围岩支护均十分困难，而且施工工期长，成本高，人员安全风险大，完全不能发挥出TBM快速掘进支护的优点。
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供一种施工方便、简单有效的TBM施工隧洞断层破碎带洞段的处理结构及处理方法，旨在通过对断层破碎带进行合理的加固处理，使其满足TBM安全掘进的要求，充分发挥TBM快速掘进支护的优势。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构，包括隧洞和位于隧洞掌子面前方的断层破碎带，所述隧洞掌子面中心设有导洞，导洞与隧洞同轴且贯穿整个断层破碎带，所述导洞围岩由喷射混凝土支护，并且在围岩上设有多个注浆钻孔，所述注浆钻孔远离隧洞中心的一端超过隧洞外围，所述注浆钻孔内设有注浆材料。
进一步的是，所述隧洞旁侧设有辅助隧洞，辅助隧洞前端延伸到断层破碎带前方，并通过横向通道延伸到隧洞路径上，所述导洞由横向通道掘进到隧洞掌子面。
进一步的是，所述多个注浆钻孔均匀分布在整个导洞的洞身上，且沿导洞圆周呈放射状布置。
进一步的是，所述注浆钻孔分为普通注浆孔和加深注浆孔，加深注浆孔的长度大于普通注浆孔，所述普通注浆孔分布于导洞围岩的上下两侧，加深注浆孔位于导洞围岩的左右两侧。
进一步的是，所述普通注浆孔远离隧洞中心的一端超过隧洞外围4～6m，所述加深注浆孔远离隧洞中心的一端超过隧洞外围9～11m。
进一步的是，所述普通注浆孔和加深注浆孔均采用相邻两排注浆钻孔相互错开的布置形式。
TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理方法，包括以下步骤：
A、通过超前地质预报发现隧洞掌子面前方存在长大断层破碎带后，在隧洞旁侧开挖辅助隧洞，当辅助隧洞延伸到断层破碎带前方后再开挖与隧洞路径相垂直的横向通道延伸到隧洞路径上；
B、从横向通道处开挖导洞，导洞轴线与隧洞轴线一致，直到导洞延伸到隧洞掌子面，导洞在开挖过程中采用喷射混凝土的方式进行支护；
C、在导洞的围岩上进行注浆钻孔钻掘，注浆钻孔均匀分布在整个导洞的洞身上，且沿导洞圆周呈放射状布置，注浆钻孔远离隧洞中心的一端需超过隧洞外围；
D、在注浆钻孔内进行钻孔注浆加固作业，用注浆材料高压填充所有注浆钻孔，待注浆材料凝结稳固后再进行TBM掘进。
进一步的是，在步骤B中开挖导洞时采用钻爆法进行循环开挖，每循环开挖结束后，及时对导洞进行喷射混凝土支护，或采用玻璃纤维注浆锚杆进行加强支护，支护完成后及时进行注浆钻孔钻掘和钻孔注浆作业，然后再进行下一循环操作，直到到达隧洞掌子面。
进一步的是，在步骤C中进行注浆钻孔时，隧洞左右两侧的钻孔深度大于上下两侧的钻孔深度，其相邻两排注浆钻孔采用相互错开的布置形式。
进一步的是，步骤D中进行钻孔注浆操作时采用分段后退式注浆，注浆压力从孔底到孔口逐渐减小，注浆顺序按照由下而上的顺序进行，具体到某一个注浆钻孔采用先对其周围的钻孔注浆，然后再对该注浆钻孔进行注浆的操作方式。
本发明的有益效果是：本发明通过在断层破碎带内开挖与隧洞同轴的导洞，并在导洞内进行注浆钻孔钻掘和钻孔注浆操作对导洞围岩进行加固处理，使得后续TBM掘进中整个隧洞较为稳定，减小了围岩垮塌、变形的风险，同时左右洞壁满足支撑条件，避免了刀盘、护盾被卡、设备损坏、不能正常掘进等问题，充分发挥出TBM快速掘进支护的优势。另外，导洞与隧洞同轴，可使刀盘受力均匀，避免了导洞设置在其它部位带来的的偏心受力和扭矩，损坏主梁和刀盘。
附图说明
图1是本发明处理结构的整体示意图。
图2是本发明处理结构导洞横断面注浆孔布置示意图。
图3是本发明处理结构导洞纵断面注浆孔布置展开示意图。
图中标记为，1-隧洞，2-断层破碎带，3-导洞，4-注浆钻孔，5-辅助隧洞，6-横向通道，41-普通注浆孔，42-加深注浆孔。
具体实施方式
以下通过附图对本发明作进一步描述。
如图1、图2所示，本发明包括隧洞1和位于隧洞掌子面前方的断层破碎带2，所述隧洞掌子面中心设有导洞3，导洞3与隧洞1同轴且贯穿整个断层破碎带2，所述导洞3围岩由喷射混凝土支护，并且在围岩上设有多个注浆钻孔4，所述注浆钻孔4远离隧洞1中心的一端超过隧洞1外围，所述注浆钻孔4内设有注浆材料。导洞3的直径一般设置在4～5m，可采用钻爆法进行开挖，在导洞3围岩上设置注浆钻孔4，并在注浆钻孔4内填充注浆材料的目的是为了提高整个断层破碎带2的稳定性，一方面可为后续TBM的掘进提供稳定支撑，另一方面可避免断层破碎带2围岩垮塌对设备造成损坏。
由于TBM掘进到隧洞掌子面时无适当空间进行导洞3的挖掘，出渣较为困难，因此可在隧洞1旁侧开挖一条辅助隧洞5，辅助隧洞5前端延伸到断层破碎带2前方，然后再开挖一条横向通道6延伸到隧洞1的路径上，最后再从横向通道6处向隧洞掌子面开挖导洞3。如此便能保证有足够的作业空间，提高工作效率。
为了保证整个导洞3外围断层破碎带2的稳定性，所述多个注浆钻孔4均匀分布在整个导洞3的洞身上，且沿导洞3圆周呈放射状布置。
进一步的，如图2所示，所述注浆钻孔4分为普通注浆孔41和加深注浆孔42，加深注浆孔42的长度大于普通注浆孔41，所述普通注浆孔41分布于导洞3围岩的上下两侧，加深注浆孔42位于导洞3围岩的左右两侧。由于TBM支撑靴主要撑在隧洞1的左右洞壁上，需要左右洞壁提供足够的受力面和满足强度要求，因此设置加深注浆孔42，注浆后可确保左右洞壁满足支撑靴的支撑条件，而导洞3围岩上下两侧的普通注浆孔41只需满足隧洞1围岩不会垮塌即可，不用太深。
根据理论分析和长期经验总结，当所述普通注浆孔41远离隧洞1中心的一端超过隧洞1外围4～6m，所述加深注浆孔42远离隧洞1中心的一端超过隧洞1外围9～11m时，可保证满足加固断层破碎带的条件。
进一步的，为了使断层破碎带2取得较好的注浆效果，所述普通注浆孔41和加深注浆孔42均采用相邻两排注浆钻孔相互错开的布置形式。如图3所示，以导洞3轴线所在方向为横排，以导洞3圆周展开方向为竖列，相邻两横排的注浆钻孔在竖列方向上相互错开，如此可保证导洞围岩取得较好的注浆效果，也就保证了后续TBM掘进时隧洞围岩的稳定性。与此结构相类似的，也可以采用相邻两竖列的注浆钻孔在横向方向上相互错开的布置形式。
TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理方法，包括以下步骤：
A、通过超前地质预报发现隧洞掌子面前方存在长大断层破碎带2后，在隧洞旁侧开挖辅助隧洞5，当辅助隧洞5延伸到断层破碎带2前方后再开挖与隧洞1路径相垂直的横向通道6延伸到隧洞1路径上；
B、从横向通道6处开挖导洞3，导洞3轴线与隧洞1轴线一致，直到导洞3延伸到隧洞1掌子面，导洞3在开挖过程中采用喷射混凝土的方式进行支护；
C、在导洞3的围岩上进行注浆钻孔4钻掘，注浆钻孔4均匀分布在整个导洞3的洞身上，且沿导洞3圆周呈放射状布置，注浆钻孔4远离隧洞1中心的一端需超过隧洞1外围；
D、在注浆钻孔4内进行钻孔注浆加固作业，用注浆材料高压填充所有注浆钻孔4，待注浆材料凝结稳固后再进行TBM掘进。
此外，可根据隧洞1附近是否有邻近隧洞选择作业方案，如果具有邻近隧洞，则可利用隧洞1附近的邻近隧洞绕到断层破碎带2前方，进行断层破碎带2处理；若无邻近隧洞，则通过在TBM伸缩盾或隧洞1管片部位开挖辅助通道，再开挖辅助隧洞5和横向通道6，当然横向通道6可布置于辅助隧洞5任意部位，只要满足能够进行断层破碎带2处理即可。如图1所示，横向通道6布置于断层破碎带2的前方，能够通过横向通道6对整个断层破碎带2进行处理，同时可减小后期TBM掘进通过横向通道6部位时，对TBM支撑靴受力面的影响。
开挖导洞3时采用钻爆法进行循环开挖，导洞3洞轴线与TBM施工隧洞1洞轴线一致，导洞3断面直径一般为4～5m，每循环开挖进尺为2～2.5m，每循环开挖结束后，及时对导洞3进行喷射混凝土支护，喷射混凝土厚度为一般为5～10cm，对于十分破碎的洞段，当喷射混凝土支护强度不够时，可增加具有强度高、TBM可直接挖除通过的玻璃纤维注浆锚杆进行加强支护，为了避免导洞垮塌，在每一循环支护完成后及时进行注浆钻孔钻掘和钻孔注浆作业，在该段围岩加固达到足够强度后再进行下一循环导洞3开挖作业，直到到达隧洞掌子面。
导洞3每一循环开挖和支护完成后再进行注浆钻孔4操作，为保证整个导洞3围岩的稳定性，注浆钻孔4应均匀分布在整个导洞3的洞身上，且沿导洞圆周呈放射状布置。在进行注浆钻孔4的钻掘时，将注浆钻孔4分为普通注浆孔41和加深注浆孔42，如图2所示，普通注浆孔41位于导洞3上下两侧，加深注浆孔42位于导洞3左右两侧，普通注浆孔41远离隧洞1中心的一端应超过隧洞1外围4～6m，加深注浆孔42远离隧洞1中心的一端应超过隧洞1外围9～11m。在确定各注浆钻孔4的具体位置时采用相邻两排注浆钻孔相互错开的布置形式，如图3所示，相邻两横排的注浆钻孔在竖列方向上相互错开，或相邻两竖列的注浆钻孔在横向方向上相互错开。
注浆钻孔4钻掘完成后进行钻孔注浆操作。注浆方式均采用分段后退式注浆，分段长度为3～5m，先进行孔底分段注浆，当注浆压力达到设计值时，后退进行下一分段注浆，直到孔口注浆完成。同时按照孔底较大注浆压力，孔口较小压力注浆的原则，对不同分段设定不同注浆压力。对于普通注浆孔采用两分段，孔底分段注浆压力设计为1.5～2MPa，孔口分段注浆压力设计为1～1.6MPa；对于加深注浆孔采用三分段，孔底分段注浆压力设计为2～3MPa，中间分段注浆压力设计为1.5～2MPa，孔口分段注浆压力设计为1～1.6MPa。
所述钻孔注浆顺序按照由下而上的顺序进行注浆，具体到某一个注浆钻孔采用先对其周围的钻孔注浆，然后再对该注浆钻孔进行注浆的操作方式。所述普通注浆孔和加深注浆孔根据不同部位的处理要求，其注浆材料可灵活性的采用超细粒水泥浆或化学注浆材料等满足处理要求的注浆材料。
上述处理步骤完成后，待注浆材料凝结稳固后可进行TBM掘进工作，为减小TBM掘进对围岩的扰动破坏和针对围岩变形预留足够的空间，TBM采用慢速掘进模式，并利用刀盘扩挖刀进行一定扩挖。
本发明采用对断层破碎带进行先加固后掘进的方式，将断层破碎带变为相对稳定的区域后再进行TBM掘进，充分发挥了TBM快速掘进支护的特点，该处理结构不需要大面积的人工开挖隧洞，注浆钻孔钻掘和钻孔注浆的工序也较为简单，操作方便快捷，能够在较短的时间内设置完成，并且对断层破碎带加固稳定可靠，相对于现有的处理结构或方法，本发明效率更高、操作更安全、成本更低，具有很好的社会和经济效益。
Claims (6)
1.TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构，包括隧洞(1)和位于隧洞掌子面前方的断层破碎带(2)，其特征是：所述隧洞掌子面中心设有导洞(3)，导洞(3)与隧洞(1)同轴且贯穿整个断层破碎带(2)，所述导洞(3)围岩由喷射混凝土支护，并且在围岩上设有多个注浆钻孔(4)，所述注浆钻孔(4)远离隧洞(1)中心的一端超过隧洞(1)外围，所述注浆钻孔(4)内设有注浆材料；所述多个注浆钻孔(4)均匀分布在整个导洞(3)的洞身上，且沿导洞(3)圆周呈放射状布置，所述注浆钻孔(4)分为普通注浆孔(41)和加深注浆孔(42)，加深注浆孔(42)的长度大于普通注浆孔(41)，所述普通注浆孔(41)分布于导洞(3)围岩的上下两侧，加深注浆孔(42)位于导洞(3)围岩的左右两侧，所述普通注浆孔(41)远离隧洞(1)中心的一端超过隧洞(1)外围4～6m，所述加深注浆孔(42)远离隧洞(1)中心的一端超过隧洞(1)外围9～11m。
2.如权利要求1所述的TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构，其特征是：所述隧洞(1)旁侧设有辅助隧洞(5)，辅助隧洞(5)前端延伸到断层破碎带(2)前方，并通过横向通道(6)延伸到隧洞(1)路径上，所述导洞(3)由横向通道(6)掘进到隧洞掌子面。
3.如权利要求1所述的TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理结构，其特征是：所述普通注浆孔(41)和加深注浆孔(42)均采用相邻两排注浆钻孔相互错开的布置形式。
4.TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理方法，其特征是，包括以下步骤：
A、通过超前地质预报发现隧洞掌子面前方存在长大断层破碎带后，在隧洞旁侧开挖辅助隧洞，当辅助隧洞延伸到断层破碎带前方后再开挖与隧洞路径相垂直的横向通道延伸到隧洞路径上；
B、从横向通道处开挖导洞，导洞轴线与隧洞轴线一致，直到导洞延伸到隧洞掌子面，导洞在开挖过程中采用喷射混凝土的方式进行支护；
C、在导洞的围岩上进行注浆钻孔钻掘，注浆钻孔均匀分布在整个导洞的洞身上，且沿导洞圆周呈放射状布置，注浆钻孔远离隧洞中心的一端需超过隧洞外围，隧洞左右两侧的钻孔深度大于上下两侧的钻孔深度，其相邻两排注浆钻孔采用相互错开的布置形式；
D、在注浆钻孔内进行钻孔注浆加固作业，用注浆材料高压填充所有注浆钻孔，待注浆材料凝结稳固后再进行TBM掘进。
5.如权利要求4所述的TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理方法，其特征是：在步骤B中开挖导洞时采用钻爆法进行循环开挖，每循环开挖结束后，及时对导洞进行喷射混凝土支护，或采用玻璃纤维注浆锚杆进行加强支护，支护完成后及时进行注浆钻孔钻掘和钻孔注浆作业，然后再进行下一循环操作，直到到达隧洞掌子面。
6.如权利要求4所述的TBM施工隧洞断层破碎带洞段处理方法，其特征是：步骤D中进行钻孔注浆操作时采用分段后退式注浆，注浆压力从孔底到孔口逐渐减小，注浆顺序按照由下而上的顺序进行，具体到某一个注浆钻孔采用先对其周围的钻孔注浆，然后再对该注浆钻孔进行注浆的操作方式。
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| 新型化学灌浆技术在TBM围岩加固中的应用;高勤生;赵鹏涛;崔团峰;;人民黄河(06);137-138+141 * |
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| CN107355226A (zh) | 2017-11-17 |
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