CN110195604A - 一种线隧道正洞tbm掘进段施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法，根据施工围岩级别的不同，采用不同的施工方式，在软岩段施工时采用如下步骤：超前地质预报、加强超前支护、渗水引排、初期支护、仰拱施作、铺轨、设备区域抽排水、TBM掘进，换步作业进行下次循环；在硬岩段施工与软岩段相比不需要加强超前支护和渗水引排的过程。本发明能够有效减少围岩的扰动、防坍塌，施工过程安全性高，针对不同施工段采用不同的施工方法有利于提高开挖效率。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法。
背景技术
在山体隧道施工时，正洞和平导TBM施工段通常敞开式硬岩掘进机掘进施工，采用有轨运输，皮带机出碴方式，铺设仰拱块，正洞同步进行拱墙二次衬砌模筑砼施工，隧道贯通后，在隧道内实施拆机。由于遇到的情况不同所采用的的施工方式也会不同，在该施工部分要穿越硬质岩层和软弱岩层，而软弱岩层和岩性软弱遇地下水极易软化而发生软岩控制型大变形。针对这些地形需要设计不同的掘进施工方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种掘进施工效率高、施工安全性高、完成隧道结构稳固的线隧道正洞TBM掘进段施工方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法，包括以下步骤：
1）超前地质预报：运用TSP203、地质雷达、超前钻探、红外探水、地质素描等先进仪器和手段对施工掌子面前方30m范围内的地质情况进行综合超前地质探测和预报，预测掌子面前方的地质条件、水文条件，确定地层分界线，地层岩性，岩体强度、完整性、地下水发育情况、水压大小情况；
2）加强超前支护：采用超前管棚、超前注浆、径向注浆、加强支护措施加强掌子面防护；当遇易大变形地段施工时，采用超前小导管注浆支护方式超前加固围岩；当遇断层破碎地段时，采取注双液浆形式超前快速固结围岩破碎段；若变形较小时可采用加密加长径向锚杆，提高围岩自承能力，通过预注浆提高围岩稳定性，以控制塑性区的发展，还可设置小导管或中管棚加强超前支护，同时采用加密型钢架进行支护；
3）渗水引排：掌子面前方30m范围岩体为破碎带，探孔地下水成股状水涌出，水压≥0.5MPa时，判识围岩自稳能力较好，进行排水降压，之后采用支护方式进行加固围岩；判识围岩自稳能力差，介质在水作用下易流失，进行排水降压，之后采用注浆加固围岩；
4）初期支护：初期支护由挂钢筋网、喷射砼和锚杆单独或联合组成，Ⅲ、Ⅳ级围岩拱部120°范围内增加格栅钢架加强支护；Ⅴ级围岩地段拱墙增加格栅钢架加强支护；所述锚杆包括砂浆锚杆和中空锚杆，拱部采用注浆中空锚杆，其余边墙采用砂浆锚杆；
5）仰拱施作：包括仰拱开挖、初喷混凝土、安装仰拱钢拱架、终喷砼、防排水管安装、仰拱衬砌钢筋施工和仰拱回填；
6）铺轨、设备区域抽排水、TBM掘进，换步作业进行下次循环。
优选的，步骤2）中的超前管棚分为超前大管棚和超前中管棚，均采用潜孔钻机成孔，注浆泵注浆；超前大管棚采用直径为φ108，厚度为6mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前大管棚长35m；所述超前大管棚之间的环向间距为0.4m，外插角为3°。
优选的，步骤2）中的超前小导管采用直径为φ42，厚度为3.5mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前小导管长3.5m；所述小导管的排列方式为环向间距40cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°。
优选的，步骤4）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。
优选的，所述TBM掘进的作业面环境温度超28℃时，采用机械降温方式进行降温。
优选的，所述TBM掘进的作业面降温风量1905m3/min。
优选的，所述TBM掘进期间均采用射流巷道式通风，采用型号为3×AVH180风机匹配直径为2.0m的风管送风，所述风机功率为3×250kw。
优选的，所述风机出风口的风管采用负压风管，所述负压风管为每节长度200m的风筒。
本发明的有益效果是：
本发明首先进行超前地质预报，对即将开挖的隧道地质情况进行充分了解，有利于施工团队对待工作的隧道做出可能出现情况的施工方案和预案，避免在施工过程中出现突泥、突水、坍方等不可控的事故的发生，有利于增加对突发事件的可控性能，确保施工安全性。
在软岩施工地段经过超前地质预报可以确定是否需要进行加强超前支护和渗水引排，超前支护可以减少对围岩的扰动，可以有效抑制变形的发生和发展，增加隧道的稳固性和施工安全性；将渗水引排可以降低水量和水压，避免软岩的流失，抑制岩层的变形。在硬岩施工地段不需要超前支护和渗水引排的施工。
初期支护可以有效改善结构的受力状况，减少围岩的暴露和松动的情况，有利于结构和施工的安全性。
TBM掘进过程中会造成围岩温度过高，由于洞内具有大量粉尘，十分危险，要及时降温，采用射流巷道式通风有利于施工洞内通风顺畅，采用负压风管提高风管的送风效率。
本发明施工过程简单、围岩稳定性强、施工安全性高。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。
实施例1
一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法，当在软岩段施工时，施工过程包括以下步骤：
1）超前地质预报：运用TSP203、地质雷达、超前钻探、红外探水、地质素描等先进仪器和手段对施工掌子面前方30m范围内的地质情况进行综合超前地质探测和预报，预测掌子面前方的地质条件、水文条件，确定地层分界线，地层岩性，岩体强度、完整性、地下水发育情况、水压大小情况；对施工过程中可能出现的情况提前做出方案或预案。
2）加强超前支护：采用超前管棚、超前注浆、径向注浆、加强支护措施加强掌子面防护；当遇易大变形地段施工时，采用超前小导管注浆支护方式超前加固围岩；当遇断层破碎地段时，采取注双液浆形式超前快速固结围岩破碎段；若变形较小时可采用加密加长径向锚杆，提高围岩自承能力，通过预注浆提高围岩稳定性，以控制塑性区的发展，还可设置小导管或中管棚加强超前支护，同时采用加密型钢架进行支护。
超前管棚分为超前大管棚和超前中管棚，均采用潜孔钻机成孔，注浆泵注浆；超前大管棚采用直径为φ108，厚度为6mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前大管棚长35m；所述超前大管棚之间的环向间距为0.4m，外插角为3°。
超前大管棚施工流程包括以下步骤：施工准备工作→钻孔→清孔→顶进钢管棚→清孔→注浆作业。
施工准备工作：施工时先作砼导向墙，导向墙结构尺寸1m(高)*1m（宽），墙内预埋导向管，隧道正洞导向管采用Φ133mm钢管。
钻孔及清孔：洞口原地貌开挖前对管棚钻机作业平台提前规划，开挖过程中按照规划预留台阶式土体，作为管棚钻孔作业平台；以导向墙内预留的孔口管定位、定向，严格控制钻孔上抬量和角度；选用管棚潜孔钻机风动干钻法钻进成孔，风动冲击回旋钻头直径、钻压、转速、风量、风压等钻进参数满足施工需要。
顶进钢管棚：钻孔检测合格后，将钢花管连续接长，用钻机旋转顶进将其装入孔内，钢管采用企型口焊接连接，企型口开口长度5cm，高度为管径的一半。为使钢管接头错开，第一节管采用3m和6m交替布置，孔位编号为奇数的第一节管采用3m长钢管，孔位编号为偶数的第一节采用6m长钢管，以后每节均采用6m长钢管。钢管用钻机顶进，单号孔顶进有孔花钢管，双号孔顶进无孔钢管。
注浆作业：采用全孔压入式向大管棚内压注水泥砂浆，用注浆泵按先下后上，先稀后浓的原则注浆。注浆量由压力控制，注浆初压0.5～1.0MPa，终压2.0MPa。达到结束标注后，停止注浆。注浆完成后及时清除管内浆液，并用同等级水泥沙浆或C20砼紧密充填，增强管棚的刚度和强度。
洞内断层带、破碎围岩段采用超前支护中管棚，超前支护中管棚采用Ф60、Ф50注浆管，管内填筑水泥砂浆，工艺流程无导向墙施工工序，其它施工工艺与大管棚施工工艺流程相一致。
超前小导管施工流程包括以下步骤：施工准备工作→钻孔→清孔→安装钢插管→清孔→注浆作业。
超前小导管采用直径为φ42，厚度为3.5mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前小导管长3.5m；所述小导管的排列方式为环向间距40cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°。
超前小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止浆液前冲，小导管中间部位钻φ10mm的注浆孔，注浆孔呈梅花形布置(防止注浆出现死角)，间距为15mm，尾部1m范围内不钻孔以防漏浆，末端焊直径为6mm的环形箍筋，以防打设小导管时端部开裂，影响注浆管联接。
超前小导管安装方法：在预定的位置用风动凿岩机钻孔，把管子插入孔内，带好丝扣保护帽，专用顶头顶入到要求的深度，使麻丝柱塞与孔壁充分挤压紧。然后再用CS胶泥填充孔口，注浆管的外露长度为30cm，以便连接孔口阀门和管路。
超前小导管注浆所用浆液为水泥浆液，水灰比1:0.8-1.1（重量比），施工时由试验室选定，使用不低于42.5强度的水泥。
超前小导管的注浆量设计：
注浆压力为0.5～1Mpa，浆液单孔注入量Q和围岩的孔隙率有关，根据扩散半径及岩层的裂隙进行估算，其值为：
Q=πR2Lη(m3)
式中：R—浆液扩散半径(m)；
L—压浆段长度(m)；
η—岩层孔隙率，砂土取40%，粘土20%，断层破碎带5%。
3）渗水引排：掌子面前方30m范围岩体为破碎带，探孔地下水成股状水涌出，水压≥0.5MPa时，判识围岩自稳能力较好，进行排水降压，之后采用支护方式进行加固围岩；判识围岩自稳能力差，介质在水作用下易流失，进行排水降压，之后采用注浆加固围岩；
4）初期支护：初期支护由挂钢筋网、喷射砼和锚杆单独或联合组成，Ⅲ、Ⅳ级围岩拱部120°范围内增加格栅钢架加强支护；Ⅴ级围岩地段拱墙增加格栅钢架加强支护；所述锚杆包括砂浆锚杆和中空锚杆，拱部采用注浆中空锚杆，其余边墙采用砂浆锚杆；
初期支护的施工过程为初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。
喷射砼支护施工程序为：超前地质预报→开挖→初喷砼4cm→施工放样→安装钢架和挂钢筋网→监测→施作系统锚杆→喷射至设计厚度。
砂浆锚杆的施工程序为：先进行定位做施工准备，使用锚杆台车或风动凿岩机钻锚孔，钻完锚孔后，用高压风吹净锚孔内岩屑，并检查锚孔深度，然后将含有锚杆导向架的锚杆送入锚孔内，直达锚孔底，并注意转动砂浆锚杆，使砂浆锚杆尾端外露出锚孔口10cm，以便和钢筋网进行焊接；在砂浆锚杆尾端锚孔口部位安装止浆塞，之后采用注浆管将砂浆锚杆尾端与砂浆锚杆专用注浆泵连接，拱部、边墙采用双管排气法注浆，将内径Φ4～5mm，壁厚1～1.5mm的软塑料排气管同锚杆一起送入钻孔至孔底，并在孔外留1m左右的富余长度，然后将注浆管固定在锚孔口位置，并将锚孔口堵塞，在确认排气管畅通后，开始注入砂浆，直到排气管不排气或溢出稀浆时停止，并将排气管拔出，待砂浆达到强度后安装垫板拧紧螺帽。注浆所用浆液的水灰比按重量计为1:0.8-1.1，其中水泥的强度不低于42.5。
中空锚杆施工钻孔使用锚杆台车或风动凿岩机钻孔，钻孔前根据设计要求定出孔位，钻孔保持直线并与所在部位岩层结构面垂直，钻孔直径φ42mm，钻孔深度大于锚杆设计长度10cm。中空注浆锚杆施工程序为：钻完孔后，用高压风吹净孔内岩屑；将锚头与锚杆端头组合，戴上垫片与螺母；将组合杆体送入孔内，直达孔底；将止浆塞穿入锚杆末端与孔口取平并与杆体固紧；注浆时确保浆液注满孔体，注浆压力达到设计或规范要求，待排气管溢出浓浆时停止注浆；待浆液强度达到70%后，在锚杆末端套上拱形垫板，然后按规定扭矩拧紧螺母。注浆所用浆液的水灰比按重量计为1：0.4～0.5，注浆压力为0.3～0.8MPa ，水泥浆随拌随用。
格栅钢架在洞外按设计加工成型，洞内安装在初喷砼之后进行，与锚杆焊接。格栅钢架间设纵向连接筋，格栅钢架间以喷砼填平，格栅钢架拱脚安放在牢固的基础上，架立时垂直隧道中线，当格栅钢架和围岩之间间隙过大时设置垫块，用喷砼喷填。
喷射砼分二次完成，即初喷和复喷。喷射砼以湿喷为主，含水量较大地段采用潮喷工艺。喷射料由洞外的砼拌合站拌合，砼输送车运输。初喷的喷射砼厚度为4～5cm，及早快速封闭围岩，钻爆段采用轮式湿喷机械手，TBM掘进段采用TBM自带的湿喷机械手。复喷在拱架、挂网、锚杆工序作业完毕后进行。采用湿喷工艺，由喷射机械手施工。
喷射砼分段、分片、分层进行，由下向上，从无水、少水向有水、多水地段集中，多水处安放导管将水排出。施喷时喷头与受喷面基本垂直，距离保持在1.5～2.0m。格栅钢架、钢拱架时，钢架与岩面之间的间隙用喷射砼充填密实，喷射顺序先下后上对称进行，先喷钢架与围岩之间空隙，后喷钢架之间，钢架应被喷射砼所覆盖，保护层不得小于4cm。喷前先找平受喷面的凹处，再将喷头成螺旋形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，绕圈直径约30cm，力求喷出的砼层面平顺光滑。一次喷射厚度控制在6cm以下，每段长度不超过6m。
5）仰拱施作：包括仰拱开挖、初喷混凝土、安装仰拱钢拱架、终喷砼、防排水管安装、仰拱衬砌钢筋施工和仰拱回填；
6）铺轨、设备区域抽排水、TBM掘进，换步作业进行下次循环。
所述TBM掘进的作业面环境温度超28℃时，采用机械降温方式进行降温。所述TBM掘进的作业面降温风量1905m3/min；所述TBM掘进期间均采用射流巷道式通风，采用型号为3×AVH180风机匹配直径为2.0m的风管送风，所述风机功率为3×250kw。所述风机出风口的风管采用负压风管，所述负压风管为每节长度200m的风筒。
实施例2
一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法，当在硬岩段施工时，施工过程与软岩段施工相比，缺少步骤2）和3），其他步骤与实施例1中的步骤相一致。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）超前地质预报：运用TSP203、地质雷达、超前钻探、红外探水、地质素描等先进仪器和手段对施工掌子面前方30m范围内的地质情况进行综合超前地质探测和预报，预测掌子面前方的地质条件、水文条件，确定地层分界线，地层岩性，岩体强度、完整性、地下水发育情况、水压大小情况；
2）加强超前支护：采用超前管棚、超前注浆、径向注浆、加强支护措施加强掌子面防护；当遇易大变形地段施工时，采用超前小导管注浆支护方式超前加固围岩；当遇断层破碎地段时，采取注双液浆形式超前快速固结围岩破碎段；若变形较小时可采用加密加长径向锚杆，提高围岩自承能力，通过预注浆提高围岩稳定性，以控制塑性区的发展，还可设置小导管或中管棚加强超前支护，同时采用加密型钢架进行支护；
3）渗水引排：掌子面前方30m范围岩体为破碎带，探孔地下水成股状水涌出，水压≥0.5MPa时，判识围岩自稳能力较好，进行排水降压，之后采用支护方式进行加固围岩；判识围岩自稳能力差，介质在水作用下易流失，进行排水降压，之后采用注浆加固围岩；
4）初期支护：初期支护由挂钢筋网、喷射砼和锚杆单独或联合组成，Ⅲ、Ⅳ级围岩拱部120°范围内增加格栅钢架加强支护；Ⅴ级围岩地段拱墙增加格栅钢架加强支护；所述锚杆包括砂浆锚杆和中空锚杆，拱部采用注浆中空锚杆，其余边墙采用砂浆锚杆；
5）仰拱施作：包括仰拱开挖、初喷混凝土、安装仰拱钢拱架、终喷砼、防排水管安装、仰拱衬砌钢筋施工和仰拱回填；
6）铺轨、设备区域抽排水、TBM掘进，换步作业进行下次循环。
2.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，步骤2）中的超前管棚分为超前大管棚和超前中管棚，均采用潜孔钻机成孔，注浆泵注浆；超前大管棚采用直径为φ108，厚度为6mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前大管棚长35m；所述超前大管棚之间的环向间距为0.4m，外插角为3°。
3.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，步骤2）中的超前小导管采用直径为φ42，厚度为3.5mm的热轧无缝钢管加工而成，且每根所述超前小导管长3.5m；所述小导管的排列方式为环向间距40cm，纵向相邻两排的水平投影搭接长度不小于150cm，外插角为5～10°。
4.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，步骤4）中的初期支护步骤为：初喷砼，再铺设钢筋网，然后钻设径向锚杆，再复喷砼至设计厚度。
5.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，所述TBM掘进的作业面环境温度超28℃时，采用机械降温方式进行降温。
6.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，所述TBM掘进的作业面降温风量1905m3/min。
7.根据权利要求1所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，所述TBM掘进期间均采用射流巷道式通风，采用型号为3×AVH180风机匹配直径为2.0m的风管送风，所述风机功率为3×250kw。
8.根据权利要求7所述的线隧道正洞TBM掘进段施工方法，其特征在于，所述风机出风口的风管采用负压风管，所述负压风管为每节长度200m的风筒。
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