CN108412509A - 双护盾tbm防卡机方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双护盾TBM防卡机方法，准确掌握地质条件后通过对双护盾TBM进行风险防控或对TBM进行改造，双护盾TBM风险防控为确保TBM高效连续掘进，或保证良好的TBM姿态，或选择合理的掘进参数，或加大扩挖量，或合理采用单护盾掘进模式，或超前加固地层处理的一种或者多种的结合；所述TBM改造为刀盘改造，或盾体改造，或增大扭矩，或增大推力的一种或者多种的结合。本方法解决双护盾TBM在施工过程中容易卡机的问题。
Description
技术领域
本发明属于隧道挖掘领域，涉及一种双护盾TBM防卡机方法。
背景技术
目前双护盾TBM卡机主要有以下几种情况：1、刀盘被卡，该种情况主要是掌子面或刀盘顶部围岩塌方，刀盘周围围岩破碎，当掌子面或刀盘顶部围岩出现塌方时，坍方体直接将刀盘与掌子面之间充填密实，刀盘与围岩之间的阻力大于刀盘转动的额定扭矩从而导致刀盘无法转动。2、护盾被卡因塌方或软岩塑性变形产生收敛或高地应力使围岩发生整体收敛，其产生的应力大于设备提供的最大推力从而导致盾体无法前、后移动，将双护盾TBM盾体抱死。卡前盾：围岩发生快速大变形，围岩应力作用在盾壳上产生的摩擦力大于主推进油缸的最大推力时。卡支撑盾：围岩变形量大，挤压支撑盾，换步时辅推油缸压力不能有效克服围岩作用在支撑盾上的摩擦力时。卡尾盾：围岩在地应力作用下持续收敛变形，挤压尾盾向内收缩，尾盾与管片之间间隙过小时。3、综合型被卡，此种情况发生主要以上述两种方式之一为主，兼带其他方式。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双护盾TBM防卡机方法，解决双护盾TBM在施工过程中容易卡机的问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
双护盾TBM防卡机方法，准确掌握地质条件后通过对双护盾TBM进行风险防控或对TBM进行改造，双护盾TBM风险防控为确保TBM高效连续掘进，或保证良好的TBM姿态，或选择合理的掘进参数，或加大扩挖量，或合理采用单护盾掘进模式，或超前加固地层处理的一种或者多种的结合；所述TBM改造为刀盘改造，或盾体改造，或增大扭矩，或增大推力的一种或者多种的结合。
进一步，所述加大扩挖量可利用垫片使得边滚刀和边缘面刀外伸，或使刀盘垂直提升的方法，两种方法或相互配合的方式实现扩挖，为软岩塑性变形围岩增大预留变形量，抵消部分拱部变形的影响。
进一步，所述超前加固地层处理可采用以下方法的一种或者多种的结合：
(1)利用刀盘预留孔喷射双组份复合膨胀泡沫或树脂填充空腔；
(2)通过刀盘预留孔人工向疏松地层导入PVC管或向不稳定地层导入玻璃纤维管，然后注入双组份复合膨胀泡沫或者树脂实施加固；
(3)在刀盘前方通过超前钻机打自钻锚杆，延伸进掌子面深处，成扇型分布，同时注入化学浆液或水泥混合物；
(4)在刀盘斜上方利用超前钻机通过支撑盾预留孔安装管棚，成扇型分布，并进行超前固结灌浆加固；
(5)在刀盘前方，采用钻孔设备来钻孔安装PVC或玻璃纤维可注射管，通过橡胶套筒阀向地层注入水泥混合物；
(6)采用人工开挖方式实施上部小导洞或旁洞开挖，并安装钢拱架和喷砼，通过小导洞将或旁洞设备运到工作面，采用玻璃纤维管注射双组份复合膨胀泡沫、树脂或水泥混合物。
进一步，刀盘改造中，通过边刀和高刀位刀座改造将TBM标准开挖直径增加到6140mm。
进一步，通过对双护盾TBM护盾进行盾体改造，使TBM主机盾体变成“前大后小”的锥形形状。
进一步，将扭矩增加到6070KN。
进一步，将推力增加到43000KN。
本发明的有益效果在于：
1、准确掌握地质条件为确定总体方案提供可靠依据。
2、持快速均衡掘进，及时管片背衬回填灌浆，可以有效防止围岩坍塌或塑性变形的影响。
3、在掘进过程中选择合适的姿态纠偏值、确保TBM良好的姿态，可以大大提高TBM在不良地质条件下的通过能力。
4、掘进参数直接影响到TBM姿态、围岩稳定、设备性能，选择合理的TBM掘进参数可以确保设备的连续掘进。
5、通过扩挖方式增大TBM护盾与围岩之间的间隙，为TBM通过延长时间，可以大大提升TBM通过能力。
6、若变形比较严重，采取常规的措施仍不能掘进时，则采取超前加固地层，达到一定强度后掘进通过。
7、通过加大刀盘直径，预留相对更大的围岩收敛空间，从而使得TBM更为顺利的通过围岩收敛段而避免卡机。
8、通过对双护盾TBM护盾进行改造，使TBM主机盾体变成“前大后小”的锥形形状，有效避免了内伸缩盾与支撑盾20mm反向错台，而直接形成成内伸缩外径与支撑盾外径一致。
9、在通过不良地质破碎带时，刀盘内出渣量增加，刀盘扭矩增大，增加的刀盘扭矩可以在一定范围内避免刀盘被卡。
10、通过增大推力可以降低TBM被卡无法换步的概率。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为空腔填充示意图；
图2为不稳定地层加固示意图；
图3和图4为自进式锚杆预加固示意图；
图5为超前管棚预加固示意图；
图6为注射管预加固示意图；
图7为导洞预加固示意图；
图8为TBM护盾改造前示意图；
图9为TBM护盾改造后示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
1.1双护盾TBM风险防控技术
TBM施工风险主要从三个方面进行控制：从地质勘探入手，规避地质风险；从TBM选型设计挖潜，规避TBM装备风险；从科学管理抓效，规避人为风险。
1.1.1准确掌握地质条件
地质条件是控制双护盾TBM能否顺利掘进的第一大因素，详细、可靠的地质水文资料是TBM工程项目成功的基本条件，直接决定了工程的成败。
1)施工前对设计地勘深度进行充分评估，如果认为前期地勘深度不够，应在施工前结合工程实际情况进行地质补勘，完善地质资料，为确定总体方案提供可靠依据。
2)施工过程中做好超前地质预报，一方面是对地质资料进行符合，另一方面是指导施工动态管理。
3)地质条件是无法改变的，但通过地质预报进行准确判断后，对于一些不良地质可以通过科学技术手段进行改善。
1.1.2确保TBM高效连续掘进
在不良地质洞段TBM掘进的总体原则是：充分发挥TBM设备能力，保持连续快速掘进，在TBM被完全卡住之前通过不良地质洞段。
由于双护盾TBM施工的特殊性，只要保持快速均衡掘进，及时管片背衬回填灌浆，可以有效防止围岩坍塌或塑性变形的影响。
TBM应尽可能地减少停机。保证TBM性能状态更为重要，并不只是说在将要到达预知不良地质前停机检修，更主要的是要注重平时的设备使用，确保TBM始终保持良好的状态，这就必须做好日常设备维保工作。
如围岩收敛处于临界状态，TBM掘进行程可缩减，提前换步，使TBM始终处于运动中。
另外，可利用主推油缸或辅推油缸的最高工作压力。
1.1.3保证良好的TBM姿态
在之前叙述的TBM卡机机理中主要是针对外界条件变化引起的TBM卡机，还有一种不容忽视的卡机方式是TBM自身原因造成的，就是TBM姿态失控或TBM姿态发生较大偏差+地质条件变化。
第一种是由于TBM在掘进过程中没有控制好姿态，导致TBM发生姿态失控，加上身处不良地质条件下，TBM无法扭转失控趋势的发展，最终发生TBM卡机。这种情况主要是TBM低头。
第二种是存在一定塌方或围岩收敛变形，但尚未达到TBM卡机的临界状态，此时如果TBM姿态发生较大幅度的变差或调整，TBM主机将在有限的富余空间内发生摆动，造成TBM主机局部通过能力降低或丧失，发生综合卡机。
故在掘进过程中选择合适的姿态纠偏值、确保TBM良好的姿态，将大大提高TBM在不良地质条件下的通过能力。如何控制TBM姿态在本文第(五)节详细阐述。
1.1.4选择合理的掘进参数
TBM掘进参数的合理性是确保连续掘进的最主要前提条件，掘进参数直接影响到TBM姿态、围岩稳定、设备性能等方面，掘进参数的选定要在理论指导的前提下进行准确的经验判断。
故双护盾TBM通过不良地质洞段时，必须根据围岩地质情况选取合适的掘进参数。综合考虑姿态控制、围岩扰动、刀具保护、出渣能力等必须相互配套，同时考虑到围岩塌方规模和收敛速率，对上述因素必须考虑舍弃部分，全力保证TBM通过。
1.1.5加大扩挖量
围岩收敛与时间关系很大，主要可能发生以下3种情况：
(1)围岩收敛速度小于TBM掘进通过护盾和围岩之间的最小间隙的速度，TBM能通过常规操作继续掘进。
(2)围岩收敛速度大于TBM掘进通过护盾和围岩之间的最小间隙的速度，TBM在掘进或换步时的推力需要抵抗围岩挤压力，但TBM仍然能推进。
(3)围岩发生快速收敛，围岩作用于TBM护盾上的压力超出TBM主推油缸或辅推油缸的推力，TBM发生卡机。
通过扩挖方式增大TBM护盾与围岩之间的间隙，为TBM通过延长时间，可以大大提升TBM通过能力。可通过以下两种方法或相互配合的方式实现扩挖：利用垫片使得边滚刀和边缘面刀外伸、刀盘垂直提升，为软岩塑性变形围岩增大预留变形量，可以抵消部分拱部变形的影响。
1.1.6单护盾模式
TBM进入不良地质洞段前及在整个不良地质洞段施工中合理采取单护盾掘进模式掘进，有以下两种情况。
(1)被动采取单护盾模式
TBM在软弱围岩地层中掘进时，可能发生由于岩体软弱或塌方造成撑靴范围内围岩无法提供足够反力，支撑系统与主推进系统不再使用，伸缩护盾处于收缩位置。
(2)主动采取单护盾模式
综合考虑减少围岩扰动、姿态控制需求等因素进行主动选择。
1.1.7超前加固处理
若变形比较严重，采取常规的措施仍不能掘进时，预备采取超前加固地层，达到一定强度后掘进通过的方案。
(1)空腔填充
如果遇到掌子面不稳定围岩，应尽量防止发生塌方并形成空腔，TBM主机特别注意扭矩、转速、推力、出渣量等之间的参数匹配。为了防止围岩塌方，可利用刀盘预留孔喷射双组份复合膨胀泡沫或树脂填充空腔。如图1所示。
(2)不稳定或疏松地层加固
通过刀盘预留孔人工向疏松地层导入PVC管或向不稳定地层导入玻璃纤维管，然后注入双组份复合膨胀泡沫或者树脂实施加固。此措施的目的是重新确立足够的地层粘合力和稳定时间。如图2所示，其中1为玻璃纤维管，2为TBM主机。
(3)自进式锚杆预加固支护
在刀盘前方通过超前钻机打自钻锚杆，延伸进掌子面深处，成扇型分布，同时根据不良地质段的岩性具体选择注入化学浆液或水泥混合物。如图3所示，图4为延伸原理图。
每开始下一循环处理时保证TBM仍然在上一循环处理的保护下，上下循环处理搭接长度在合理范围内。通过实施此处理，使岩体结构重新达到合格条件，以便TBM掘进开挖。
(4)超前管棚预加固支护
在刀盘斜上方利用超前钻机通过支撑盾预留孔安装管棚，成扇型分布，并进行超前固结灌浆加固，根据岩体破碎等级，现场确定水灰比。如图5所示。
(5)使用PVC或玻璃纤维管预加固
在刀盘前方，采用钻孔设备来钻孔安装PVC或玻璃纤维可注射管。根据围岩特性，通过橡胶套筒阀向地层注入水泥混合物，根据岩体破碎等级，现场确定水灰比。如图6所示。
(6)通过隧道顶部或旁洞预案实施加固
如需进行较大范围的预加固处理，则可采用此解决预案。
采用人工开挖方式实施小导洞(上部或旁洞)开挖，并安装钢拱架和喷砼。通过小导洞将设备运到工作面，采用玻璃纤维管注射双组份复合膨胀泡沫、树脂或水泥混合物。
小导洞的入口将尽量选择在靠近后护盾尾部的合适位置，施工中除应保证小导洞的安全稳定外，将配套小型专用设备用于开挖和渣土运输，以提高施工效率。如图7所示。
1.2 TBM改造
本工程因极为特殊的不良地质掘进发生十余次大规模卡机，并且此段地质剩余距离较长，意大利CMC提出对TBM进行改造，改造方案主要目的是改善TBM在隧洞掘进过程中通过断层破碎带的设备性能。同时将对TBM后配套系统进行必要的改造。主要有以下几个方面：
1.2.1刀盘改造
正如之前所述TBM卡机主要原因是围岩收敛速度大于TBM掘进通过护盾和围岩之间的最小间隙的速度，通过加大刀盘直径，预留相对更大的围岩收敛空间，从而使得TBM更为顺利的通过围岩收敛段而避免卡机。
通过边刀和高刀位刀座改造将TBM标准开挖直径从现有5930mm增加到6140mm，改造后将保持这个尺寸为标准的掘进直径。特殊地质条件下，可以实现扩大掘进直径到6210mm，通过相关的地质构造段后，再恢复到标准掘进尺寸。通过改造后，顶部围岩与前盾最大扩挖量扩大到175mm。
1.2.2盾体改造
正如之前所述TBM卡机主要原因是围岩收敛速度大于TBM掘进通过护盾和围岩之间的最小间隙的速度，且TBM主机越往后部围岩裸露时间越长、变形量越大、卡机概率越高。另外，原TBM伸缩盾内盾与支撑盾之间的链接存在一个20mm左右的反向错台(在支撑盾换步稳定后，刀盘向前推进时，外伸缩盾与内伸缩打开时在内伸缩盾与支撑盾连接处形成┨错台，如图8所示为改造前)，在TBM掘进过程中会有坍塌体或收敛变形围岩挤压在伸缩盾内盾，TBM换步时造成支撑盾前移受阻。
通过对双护盾TBM护盾进行改造，使TBM主机盾体变成“前大后小”的锥形形状，有效避免了内伸缩盾与支撑盾20mm反向错台，而直接形成成内伸缩外径与支撑盾外径一致(如图9所示为改造后)，在发生岩石坍塌或收敛时，所坍塌或收敛渣体在内伸缩与支撑外保持在同一平面，换步时渣体与盾体之间只形成摩擦力；如渣体掉入伸缩外盾与支撑盾凹部分内伸缩外，再加外部渣体不断受坍塌体挤压或收敛时，支撑盾换步与20mm错台、凹入部分渣体不光形成摩擦力，还需将20mm内的渣体挤压至支撑盾外部，或剪切20mm渣至外伸缩盾与内伸缩间隙内，阻力远大于同一平面摩擦力。同时因刀盘的扩挖预留相对的围岩与盾壳之间的收敛空间，从而使得TBM顺利的通过围岩收敛段而避免卡机提供更多时间。同时，取消护盾外侧伸缩接口处的错台，确保护盾外径从前部到后部一致减小。
1.2.3增大扭矩
TBM在不良地质洞段掘进遇到掌子面塌方等情况，如果刀盘启动需要的最小扭力大于TBM设备能力，则会造成TBM刀盘无法转动产生TBM卡机。故设计在满足TBM复核的前提下尽量加大刀盘的扭矩。
通过加装一台主电机，加大刀盘驱动的总马力和扭矩。主电机增加一台后，刀盘脱困扭矩增加870KN，脱困扭矩从原来的5200KN增加到6070KN。在通过不良地质破碎带时，刀盘内出渣量增加，刀盘扭矩增大，增加的刀盘扭矩可以在一定范围内避免刀盘被卡。
请生产商对现有的6台刀盘主驱动变频器进行改造。另外，需要增加一台变频器，对刀盘驱动的7台电动驱动马达进行控制。
1.2.4增大推力
围岩收敛速度大于TBM掘进通过护盾和围岩之间的最小间隙的速度，TBM在掘进或换步时的推力需要抵抗围岩挤压力，但TBM仍然能推进。围岩发生快速收敛，围岩作用于TBM护盾上的压力超出TBM主推油缸或辅推油缸的推力，TBM发生卡机。
目前辅助油缸供应回路的液压压力为最大400bar，最大时油缸可以提供总共34400KN的推力。通过增加辅助油缸的液压压力，实现最高压力500bar，推力最大可以达到约43000KN。通过增大推力可以降低TBM被卡无法换步的概率。
1.2.5 TBM改造后适应性
目前，引大济湟出口双护盾TBM改造已经完成，改造完成后已经掘进240米左右，于本年11月中旬发生刀盘被卡。本次地质情况为岩石局部自稳性差在刀盘扰动情况下易发生局部坍塌，地质情况岩石强度硬、无水，未发生岩石收敛。不过本次刀盘被卡也不能说明改造失败，刀盘的改造主要目的是为了扩大开挖断面，并非避免刀盘卡。盾体改造在本次卡机中体现出前盾被卡，而支撑盾可以移动，所以可以证明盾体改造成前大后小，在通过坍塌地质减小了支撑盾被卡几率，同时也减少了支撑盾使用超高压换步的概率，对支撑盾结构件也起到避免、减小变形作用。
引大济湟进口增加的一台双护盾TBM和陕西引红济石双护盾TBM的改造总体理念与其基本一致。引大济湟进口TBM改造后已经掘进了8km左右，并顺利通过了大小断层破碎带6条。通过了解，引红济石TBM改造后也在一定程度上降低了TBM盾体被卡的概率，目前已经通过几段大小段层。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (7)
1.双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：准确掌握地质条件后通过对双护盾TBM进行风险防控或对TBM进行改造，双护盾TBM风险防控为确保TBM高效连续掘进，或保证良好的TBM姿态，或选择合理的掘进参数，或加大扩挖量，或合理采用单护盾掘进模式，或超前加固地层处理的一种或者多种的结合；所述TBM改造为刀盘改造，或盾体改造，或增大扭矩，或增大推力的一种或者多种的结合。
2.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：所述加大扩挖量可利用垫片使得边滚刀和边缘面刀外伸，或使刀盘垂直提升的方法，两种方法或相互配合的方式实现扩挖，为软岩塑性变形围岩增大预留变形量，抵消部分拱部变形的影响。
3.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：所述超前加固地层处理可采用以下方法的一种或者多种的结合：
(1)利用刀盘预留孔喷射双组份复合膨胀泡沫或树脂填充空腔；
(2)通过刀盘预留孔人工向疏松地层导入PVC管或向不稳定地层导入玻璃纤维管，然后注入双组份复合膨胀泡沫或者树脂实施加固；
(3)在刀盘前方通过超前钻机打自钻锚杆，延伸进掌子面深处，成扇型分布，同时注入化学浆液或水泥混合物；
(4)在刀盘斜上方利用超前钻机通过支撑盾预留孔安装管棚，成扇型分布，并进行超前固结灌浆加固；
(5)在刀盘前方，采用钻孔设备来钻孔安装PVC或玻璃纤维可注射管，通过橡胶套筒阀向地层注入水泥混合物；
(6)采用人工开挖方式实施上部小导洞或旁洞开挖，并安装钢拱架和喷砼，通过小导洞将或旁洞设备运到工作面，采用玻璃纤维管注射双组份复合膨胀泡沫、树脂或水泥混合物。
4.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：刀盘改造中，通过边刀和高刀位刀座改造将TBM标准开挖直径增加到6140mm。
5.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：通过对双护盾TBM护盾进行盾体改造，使TBM主机盾体变成“前大后小”的锥形形状。
6.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：将扭矩增加到6070KN。
7.根据权利要求1所述的双护盾TBM防卡机方法，其特征在于：将推力增加到43000KN。
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