CN111456758A - 一种应对岩爆的双护盾tbm管背支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明专利公开了一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，包括施工准备；预制管片安装；延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填；延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注；延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填；在岩爆冲击荷载的作用下，颗粒内部复杂的力链结构发生断裂和重组，同时力链结构又将瞬时局部冲击荷载进行空间延伸和时间延长，从而达到吸收和耗能效果，尽可能降低岩块弹射冲击破坏影响；延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注；固结豆砾石层形成一封闭圈，加强隧洞的支护和防渗能力，从而提升在高地应力地区整体施工安全性。
Description
技术领域
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法。
背景技术
随着川藏铁路、西电东送等国家重大工程建设的开展，隧道与地下工程行业面临着越来越多的深部工程问题。深部岩石力学问题，以高地应力最为突出，其表现形式就是岩爆和大变形。双护盾TBM(全断面隧道掘进机)法被广泛应用于高地应力地区，其全封闭环境，可有效防止高地应力隧道围岩强烈卸荷后，发生岩体剥落、弹射，甚至强烈崩落等剧烈岩爆对人员设备的危害，保证隧道施工安全。常规双护盾TBM施工中，在支护管片安装完毕后，及时进行豆砾石吹填后并同步注浆是对预制管片和岩壁间隙的填充，待水泥浆凝固后与管片形成共同刚性结构，抵抗围岩变形及提高抗渗能力。但在应对岩爆灾害时，采用原常规管背填充并注浆往往会导致管片开裂、错台，甚至支护失效。造成这种现象的原因在于：支护时未考虑岩爆隧道应力卸荷重布，应变具有时效特性等因素。由面及里、由浅入深，围岩在时间、空间上都存在释放弹性应变能的延迟效应，即时效特性。经过现场测试，川藏铁路多条典型隧道围岩地应力在20—89MPa之间，而开挖后稳定围岩的表层残余应力值接近于0，这个卸荷过程需要一个时间过程，这个应力释放和围岩变形的过程和时间决定了支护体系所受荷载。按传统工法，在吹填豆砾石后即马上同步注浆，浆体与豆砾石在数小时内固结形成刚体结构，而围岩继续释放弹性能时，刚性支护结构易发生脆性破坏，从而造成质量安全事故。基于以上问题，需要研发一种应对岩爆的双护盾TBM管背“先柔后刚”支护方法，根据围岩卸载判据，通过改变传统支护工艺流程，以确保支护结构既能在岩爆弹射时作为柔性缓冲机构保护支护管片，又能在应变趋于稳定之后能与围岩一起形成刚体整体，确保支护结构整体强度，保证工程质量，保障作业人员和设备安全。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，包括以下步骤：
S1、施工准备；
S2、预制管片安装；
S3、延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填；
S4、延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注。
具体地，步骤S1包括：根据工程要求准备好豆砾石、水泥和砂子，并对空压机和豆砾石喷射机设备进行性能检验；吹填材料选用粒径4-6mm的豆砾石；在预制管片上预留九个孔，九个孔按顺时针旋转方向进行编序，预制管片的顶部为第一预留孔，沿预制管片的顶部开始顺时针方向依次为第二预留孔、第三预留孔、第四预留孔、第五预留孔、第六预留孔、第七预留孔、第八预留孔、第九预留孔。
具体地，步骤S2包括：先在开挖洞型缘的底部位置回填豆砾石，安装预制管片的底部管片，然后安装预制管片的其它管片，第一预留孔至第九预留孔依次标注出预留孔1至9的位置以便准确做好施工记录，并将预吹填环管片上的豆砾石吹填预留孔打开。
具体地，步骤S3中豆砾石回填包括：往第五预留孔、第六预留孔内进行豆砾石回填，当储气罐压力达到0.25MPa时，送风上料；当预制管片衬砌达到三环以内时，安设孔口管,从第一环进行预制管片两侧、顶拱270°的范围豆砾石回填；
侧拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入两侧拱的第三预留孔、第八预留孔灌注，当豆砾石工观察到从前环的第四预留孔、第七预留孔有豆砾石滑出时停止灌注，取下喷头将第三预留孔、第八预留孔封堵，完成一次两侧拱的豆砾石回填；依次配合掘进、衬砌向前推进；
顶拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入顶拱部的第一预留孔、第二预留孔、第九预留孔灌注，当豆砾石工感觉到管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第一预留孔、第九预留孔封堵；将喷头装入第二预留孔灌注，豆砾石工观察灌注情况，当管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第二预留孔及时封堵，即完成一个循环的豆砾石回填过程。
具体地，步骤S2与S3之间还设置有步骤S21,步骤S21包括：在豆砾石充填结束后，监测豆砾石是否吹填饱满，如吹填饱满则进入下一步，如吹填不饱满则返回上一步继续吹填。
具体地，步骤S4中水泥浆灌注包括：安设孔口管，连通水泥管路，利用水泥注浆机从起始环开始水泥注浆，灌浆孔号依次为第五预留孔、第六预留孔、第四预留孔、第七预留孔、第三预留孔、第八预留孔、第二预留孔、第九预留孔、第一预留孔，根据注入浆液在预制管片背后形成的自然坡度，分为三层灌浆，第一层为第四预留孔至第七预留孔，第二层为第三预留孔至第八预留孔，第三层为第二预留孔至第九预留孔，再至第一预留孔；当灌浆孔口压力达到0.3MPa时，继续灌浆3～8分钟即可结束；当灌浆孔附近出现串浆时，即可停止注浆，止浆塞临时封堵该孔；待一个灌浆工段结束后，用封孔材料将注浆孔完全封闭，与管片内壁同弧面。
具体地，步骤S4还包括步骤：
S41、检查是否符合注浆标准，如符合则进入步骤S42，如否，则重新注浆；
S42、检查是否全孔位完成注浆，如是则进入步骤S43，如否，则进行下一个注浆孔注浆；
S43、注浆效果检查，如合格则注浆完毕，如否，则进行补孔注浆；注浆效果检查采用压水、取芯实验，压水实验在水泥注浆后6-9天进行，取芯实验在灌浆施工后25-30天后进行。
优选地，t1和T均为根据围岩岩性及地应力情况确定，t1为4-24小时；T为24-96小时。
本发明的有益效果在于：
延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填,充填的豆砾石层具有足够的抗冲击强度，其颗粒物质是一种能量快速耗散体系，在岩爆冲击荷载的作用下，豆砾石颗粒间发生滑动摩擦和非弹性碰撞，颗粒内部复杂的力链结构发生断裂和重组，同时力链结构又将瞬时局部冲击荷载进行空间延伸和时间延长，从而达到吸收和耗能效果，尽可能降低岩块弹射冲击破坏影响；
延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注；固结豆砾石层形成一封闭圈，加强隧洞的支护和防渗能力，从而提升在高地应力地区整体施工安全性。
附图说明
图1为本申请中的组合支护体系结构示意图；
图2为本申请中豆砾石层力学模型示意图；
图3为本申请中预制管片上工作孔的位置分布示意图；
图4为隧道围岩收敛变形与时间关系示意图；
图5为豆砾石颗粒对心碰撞挤压分析示意图；
图6为本申请的方法流程图。
图中：1-预制管片；11-凹槽；101-第一预留孔；102-第二预留孔；103-第三预留孔；104-第四预留孔；105-第五预留孔；106-第六预留孔；107-第七预留孔；108-第八预留孔；109-第九预留孔；2-豆砾石层；3-开挖洞型缘。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图6所示，一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，包括以下步骤：
S1、施工准备；
S2、预制管片安装；
S3、延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填；
S4、延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注。
具体地，步骤S1包括：根据工程要求准备好豆砾石、水泥和砂子，并对空压机和豆砾石喷射机设备进行性能检验；吹填材料选用粒径4-6mm的豆砾石(发挥小粒径颗粒的良好耗能特性)；如图3所示，在预制管片上预留九个孔，九个孔按顺时针旋转方向进行编序，预制管片的顶部为第一预留孔101，沿预制管片的顶部开始顺时针方向依次为第二预留孔102、第三预留孔103、第四预留孔104、第五预留孔105、第六预留孔106、第七预留孔107、第八预留孔108、第九预留孔109。
具体地，步骤S2包括：先在开挖洞型缘的底部位置回填豆砾石，安装预制管片的底部管片，然后安装预制管片的其它管片，第一预留孔101至第九预留孔109依次标注出预留孔1至9的位置以便准确做好施工记录，并将预吹填环管片上的豆砾石吹填预留孔打开。
具体地，步骤S3中豆砾石回填包括：往第五预留孔105、第六预留孔106内进行豆砾石回填，当储气罐压力达到0.25MPa时，送风上料；当预制管片衬砌达到三环以内时，安设孔口管,从第一环进行预制管片两侧、顶拱270°的范围豆砾石回填(在灌注时为防止产生偏压使预制管片发生错台或损坏，必须做到自下而上，单机工作、交叉对称灌注；送风上料时候，送料管道摆放尽量“平、直、顺”，与管片进料口连接牢固)；
侧拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入两侧拱的第三预留孔103、第八预留孔108灌注，当豆砾石工观察到从前环的第四预留孔104、第七预留孔107有豆砾石滑出时停止灌注，取下喷头将第三预留孔103、第八预留孔108封堵，完成一次两侧拱的豆砾石回填；依次配合掘进、衬砌向前推进(豆砾石回填压力为0.3-0.4MPa；当风管压力值超过0.4MPa且管道内豆砾石流速明显变缓，说明该孔内豆砾石将满)；
顶拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入顶拱部的第一预留孔101、第二预留孔102、第九预留孔灌注109，当豆砾石工感觉到管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第一预留孔101、第九预留孔109封堵；将喷头装入第二预留孔102灌注，豆砾石工观察灌注情况，当管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第二预留孔102及时封堵，即完成一个循环的豆砾石回填过程。
具体地，步骤S2与S3之间还设置有步骤S21,步骤S21包括：在豆砾石充填结束后，监测豆砾石是否吹填饱满，如吹填饱满则进入下一步，如吹填不饱满则返回上一步继续吹填。
具体地，步骤S4中水泥浆灌注包括：安设孔口管，连通水泥管路，利用水泥注浆机从起始环开始水泥注浆，灌浆孔号依次为第五预留孔105、第六预留孔106、第四预留孔104、第七预留孔107、第三预留孔103、第八预留孔108、第二预留孔102、第九预留孔109、第一预留孔101，根据注入浆液在预制管片背后形成的自然坡度，分为三层灌浆，第一层为第四预留孔104至第七预留孔107，第二层为第三预留孔103至第八预留孔108，第三层为第二预留孔102至第九预留孔109，再至第一预留孔101；当灌浆孔口压力达到0.3MPa时，继续灌浆3～8分钟即可结束；当灌浆孔附近出现串浆时，即可停止注浆，止浆塞临时封堵该孔；待一个灌浆工段结束后，用封孔材料将注浆孔完全封闭，与管片内壁同弧面。
具体地，步骤S4还包括步骤：
S41、检查是否符合注浆标准，如符合则进入步骤S42，如否，则重新注浆；
S42、检查是否全孔位完成注浆，如是则进入步骤S43，如否，则进行下一个注浆孔注浆；
S43、注浆效果检查，如合格则注浆完毕，如否，则进行补孔注浆；注浆效果检查采用压水、取芯实验，压水实验在水泥注浆后6-9天进行，取芯实验在灌浆施工后25-30天后进行。
本申请中t1和T均为根据围岩岩性及地应力等情况确定，一般情况下t1为4-24小时；T为24-96小时。
本发明在具体实施过程中有如下要求：
1、管片工作孔封堵：
灌浆结束后，对各管片衬砌上的工作孔封堵，洞段封孔砂浆采用微膨胀砂浆，28天抗压强度不低于45MPa；微膨胀砂浆施工前，须对工作孔内灰尘和污迹采用清水进行严格清理，工作孔封堵施工时，控制好其配比和时间，随办随用，保证砂浆施工时的性能，封孔需做到密实、平整。
2、灌浆效果检查：
压水试验和钻孔取芯检查：
(1)压水试验。灌浆完成7天后，每100延米洞段取5个孔做压水试验。施作孔径Φ40mm左右，孔深是豆砾石层一半且保证钻孔底部深入豆砾石灌浆层内弧面深度不少于30mm，试验水压力0.2MPa，钻孔内水饱和时间30min，然后每10min读数(ΔQL/10min)一次，当ΔQL/10min数小于10L/10min时，则代表该孔前后10m洞段范围内的水密性合格，否则为不合格。
(2)钻孔取芯检查。灌浆28天后做钻孔取芯检查。要求每100延米洞段取芯样4个，芯样直径为50mm，其中三个制成长直比1∶1试件，做抗压强度试验，若达到设计强度，则该芯样点前后各15m洞段合格。另外一个芯样自管片底部取出，用以观察豆砾石水泥浆结石表观质量。
本申请中采用到的参数如下所示：
豆砾石回填参数表
水泥灌浆参数表
本申请是一种应对岩爆的管背“先柔后刚”支护方法，考虑了TBM掘进中岩爆的时效特性，豆砾石层-管片组合呈柔性支护，缓冲岩爆冲击，待岩爆活跃期结束后，围岩卸荷变形减小至相对稳定时，再注浆固结豆砾石层，与管片、围岩形成共同刚性支护结构，提高防护能力，保证隧道安全。
本申请中，T由地质观察、监控量测结果综合判定，T>t2，即地质体稳定无岩体剥落、弹射等发生，围岩收敛变形趋于稳定，如图4所示。
“先柔后刚”支护方法工作原理为：在t1内围岩强烈卸荷，剧烈变形，而管片与岩壁之间间隙较大，可提供足够形变空间；t1后围岩卸荷趋缓，变形减小，充填的豆砾石层具有足够的抗冲击强度，其颗粒物质是一种能量快速耗散体系，在岩爆冲击荷载的作用下，豆砾石颗粒间发生滑动摩擦和非弹性碰撞，颗粒内部复杂的力链结构发生断裂和重组，同时力链结构又将瞬时局部冲击荷载进行空间延伸和时间延长，从而达到吸收和耗能效果，尽可能降低岩块弹射冲击破坏影响，豆砾石颗粒挤压分析如图5所示(图5中示出的V1、V2为豆砾石颗粒初始运动速度；R1、R2为豆砾石颗粒半径；D为豆砾石颗粒相对应变量)，豆砾石层充当缓冲垫层，柔性承荷，消耗岩爆能量，避免较大冲击荷载传递至预制管片，保护预制管片。
如图1和图2所示，分别为组合支护体系结构示意图、豆砾石层力学模型示意图，图中示出了围岩弹性能或挤压能P、管片对充填层的挤压力P2、豆砾石充填层2、充填层耗能变形量U、预制管片1、开挖洞型缘3。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
Claims (8)
1.一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、施工准备；
S2、预制管片安装；
S3、延时时间t1，在围岩卸荷趋缓，变形减小后进行豆砾石回填；
S4、延时时间T，在豆砾石层岩爆缓冲期应力场和裂隙基本发育完成后进行水泥浆灌注。
2.根据权利要求1所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S1包括：根据工程要求准备好豆砾石、水泥和砂子，并对空压机和豆砾石喷射机设备进行性能检验；吹填材料选用粒径4-6mm的豆砾石；在预制管片上预留九个孔，九个孔按顺时针旋转方向进行编序，预制管片的顶部为第一预留孔，沿预制管片的顶部开始顺时针方向依次为第二预留孔、第三预留孔、第四预留孔、第五预留孔、第六预留孔、第七预留孔、第八预留孔、第九预留孔。
3.根据权利要求2所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S2包括：先在开挖洞型缘的底部位置回填豆砾石，安装预制管片的底部管片，然后安装预制管片的其它管片，第一预留孔至第九预留孔依次标注出预留孔1至9的位置以便准确做好施工记录，并将预吹填环管片上的豆砾石吹填预留孔打开。
4.根据权利要求3所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S3中豆砾石回填包括：往第五预留孔、第六预留孔内进行豆砾石回填，当储气罐压力达到0.25MPa时，送风上料；当预制管片衬砌达到三环以内时，安设孔口管,从第一环进行预制管片两侧、顶拱270°的范围豆砾石回填；
侧拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入两侧拱的第三预留孔、第八预留孔灌注，当豆砾石工观察到从前环的第四预留孔、第七预留孔有豆砾石滑出时停止灌注，取下喷头将第三预留孔、第八预留孔封堵，完成一次两侧拱的豆砾石回填；依次配合掘进、衬砌向前推进；
顶拱范围豆砾石回填具体方法为：将联接喷豆砾石管道的喷头先、后装入顶拱部的第一预留孔、第二预留孔、第九预留孔灌注，当豆砾石工感觉到管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第一预留孔、第九预留孔封堵；将喷头装入第二预留孔灌注，豆砾石工观察灌注情况，当管道内没有豆砾石流动时停止灌注，取下喷头将第二预留孔及时封堵，即完成一个循环的豆砾石回填过程。
5.根据权利要求4所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S2与S3之间还设置有步骤S21,步骤S21包括：在豆砾石充填结束后，监测豆砾石是否吹填饱满，如吹填饱满则进入下一步，如吹填不饱满则返回上一步继续吹填。
6.根据权利要求5所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S4中水泥浆灌注包括：安设孔口管，连通水泥管路，利用水泥注浆机从起始环开始水泥注浆，灌浆孔号依次为第五预留孔、第六预留孔、第四预留孔、第七预留孔、第三预留孔、第八预留孔、第二预留孔、第九预留孔、第一预留孔，根据注入浆液在预制管片背后形成的自然坡度，分为三层灌浆，第一层为第四预留孔至第七预留孔，第二层为第三预留孔至第八预留孔，第三层为第二预留孔至第九预留孔，再至第一预留孔；当灌浆孔口压力达到0.3MPa时，继续灌浆3～8分钟即可结束；当灌浆孔附近出现串浆时，即可停止注浆，止浆塞临时封堵该孔；待一个灌浆工段结束后，用封孔材料将注浆孔完全封闭，与管片内壁同弧面。
7.根据权利要求6所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，步骤S4还包括步骤：
S41、检查是否符合注浆标准，如符合则进入步骤S42，如否，则重新注浆；
S42、检查是否全孔位完成注浆，如是则进入步骤S43，如否，则进行下一个注浆孔注浆；
S43、注浆效果检查，如合格则注浆完毕，如否，则进行补孔注浆；注浆效果检查采用压水、取芯实验，压水实验在水泥注浆后6-9天进行，取芯实验在灌浆施工后25-30天后进行。
8.根据权利要求1所述的一种应对岩爆的双护盾TBM管背支护方法，其特征在于，t1和T均为根据围岩岩性及地应力情况确定，t1为4-24小时，T为24-96小时。
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