CN111828031B - 敞开式tbm隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,通过超前地质预报信息确定掌子面前方是否存在软弱破碎富水地层区域;若未探测到软弱破碎富水地层区域,则TBM可以按照计划继续掘进,否则TBM停机,在护盾后方区域位置架设可拆卸受控定向钻进系统;根据现场情况确定导向轨迹,经隧道腰部边墙向掌子面钻进;通过钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方富水情况;若掌子面前方水压大于0.1MPa,先进行排水再进行注浆加固,若水压小于0.1MPa不影响注浆则直接加固;恢复TBM掘进;重复上述过程多次,完成整条TBM线路的掘进。该方法开挖量小,解决了富水地层对TBM主机的直接影响,为TBM快速通过软弱破碎富水地层保驾护航。
Description
技术领域
本发明涉及TBM在软弱破碎富水地层掘进中掌子面前方超前加固工程技术领域,具体涉及敞开式TBM法隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法。
背景技术
敞开式全断面岩石隧道掘进机(TBM)以其快速、高效、环保等优点,在山岭隧道以及地铁项目中得到了广泛的应用,和以往人工钻爆法相比,在很大程度上提高了施工效率,也取得了良好的应用效果。但是,在TBM掘进过程中常常会遇到软弱破碎富水等不良地质,尤其是在隧道掌子面前方,若不停机提前处理,就会造成TBM被淹、护盾被卡以及TBM被埋的后果。因此,急需研究一种既能保证TBM在软弱破碎富水地层不停机掘进,又能保证TBM掌子面前方的不良地质体得到有效的处理的新方法。
目前,针对软弱破碎富水等不良地质隧道施工掌子面超前加固研发的工艺技术较多,如专利号:CN201910175204.1公开的“一种用于软岩隧道掌子面加固装置及其施工方法”;专利号:CN201710832510.9公开的“隧道掌子面加固方法及结构”;专利号:CN201410666100.8公开的“一种软弱围岩隧道修建的超前加固施工方法”;专利号:CN201710971986.0公开的“一种高压富水软弱围岩山岭隧道的超前预注浆方法”。还有在TBM施工的隧道现场采用的一些掌子面超前加固的方法,例如:超前锚杆加固、小导管超前注浆加固以及化学灌浆加固等方法等。上述方法虽然都取得了一定的效果,但是仍存在很多问题。主要体现在一下几点:(1)其中一些方法仅适用于钻爆法掌子面超前加固,应用于TBM时由于刀盘和护盾的阻挡导致很难实施;(2)上述方法的加固范围有限,并且应用于TBM时一般很难垂直于掌子面加固,只能沿着护盾以一定的角度打射注浆管,导致加固效果不太理想且浪费材料,造成施工速率慢且成本较高;(3)上述方法应用于富水地层TBM掌子面超前加固时均存在一定的风险,当富水地层水压过大,超前加固容易导致突涌水,造成TBM刀盘和主机被淹的后果。
目前很多山岭隧道施工都用到TBM,但是掌子面前方的不良地质体加固一般用的是超前锚杆、超前管棚等技术。上述加固技术是从护盾顶部或者刀盘刀孔处向前打射锚杆、管棚等,施工空间狭小,故加固效果不好,加固位置不准确。
发明内容
技术问题:本发明的目的是要克服现有技术中存在的问题,提供一种方法简单、加固效果明显、能解决富水地层对TBM主机直接影响的敞开式TBM法隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法。
技术方案:本发明的敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,包括采用受控定向钻进系统、液态流体压力传感器,富水地层掌子面定向加固方法包括以下步骤:
(1)TBM设备钻进过程中,通过超前地质预报得到的信息确定掌子面前方岩体是否存在软弱破碎富水地层区域;同时探测破碎地层和含水构造,联合TBM设备实现前方地质实时探测;
(2)若超前地质预报未探测到掌子面前方岩体有软弱破碎富水地层区域,则TBM设备按照预定计划继续掘进,若探测到掌子面前方30m范围内岩体有软弱破碎富水地层区域,TBM设备停机,在TBM设备的护盾3-5m范围的后方区域下方位置架设可拆卸的受控定向钻进系统,并在受控定向钻进系统的钻头前方布置液态流体压力传感器;
(3)受控定向钻进系统安装好后,根据现场情况确定钻进导向轨迹,经隧道腰部边墙向掌子面前方钻进;
(4)通过受控定向钻进系统的钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方富水情况;
(5)判断掌子面前方的水压,
若判断掌子面前方的水压大于0.1MPa,则需要先进行排水,再进行注浆加固;
若判断掌子面前方的水压过小于或等于0.1MPa,则直接进行注浆加固;
(6)待注浆加固后,TBM继续掘进;
(7)重复步骤(1)至(6),完成整条TBM线路的掘进。
所述步骤(1)中的超前地质预报采用物探方法+电法探测的联合探测。
所述的电法探测为激发极化法+水平声波/地震波剖面法+三维地震波法联合探测。
所述的受控定向钻进系统中所用的螺杆钻型号为5LZ73、YL65、或YL54,随钻定向仪的型号为LHE-2000,全液压动力头式钻机的型号为FYD-2200。
所述掌子面前方的水压大于0.1MPa需要先进行排水的方式为:通过受控定向钻进系统的钻孔进行排水,排出的水直接排入TBM设备的护盾后方区域隧底下方的排水沟至洞外。
所述步骤(5)中注浆加固的注浆采用水泥浆液、超细水泥浆液、硅溶胶超细水泥浆液、水泥-水玻璃双液浆及聚氨酯类化学浆液注浆材料中的一种或多种进行加固。
当掌子面前方较完整,仅含有微裂隙水时,采用硅溶胶超细水泥浆液加固;当掌子面前方存在软弱破碎和富水时,采用水泥-水玻璃双液浆和聚氨酯化学浆液加固。
有益效果:由于采用了上述技术方案,本发明基于现有技术中存在的问题,在国内敞开式TBM引松供水工程、引汉济渭工程、铁路隧道工程以及供水工程等掘进过程中,经历软弱破碎富水地层的情形及使用的掌子面超前加固方法的基础上,采用了敞开式TBM法隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固新的技术方案,经过现场实验,获得了良好的效果,解决了富水地层对TBM主机的直接影响,能为TBM快速通过软弱破碎富水地层保驾护航。其方法简单,开挖量小,加固效果明显,在本技术领域内具有广泛的实用性。
附图说明
图1为本发明的掌子面超前加固示意图,
图1中:1-掌子面前方岩体,2-TBM刀盘,3-隧道腰部边墙,4-受控定向钻进系统,5-后方区域,6-钻进导向轨迹,7-软弱破碎富水区域,8-护盾。
图2为本发明的方法流程示意图。
图3为本发明的水岩一体超前预报系统预报流程图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述:
本发明的敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,包括采用受控定向钻进系统4、布置在受控定向钻进系统钻头前方的液态流体压力传感器,富水地层掌子面定向加固方法的具体步骤如下:
(1)TBM设备钻进过程中,通过超前地质预报得到的信息确定掌子面前方岩体1是否存在软弱破碎富水地层区域7;同时探测破碎地层和含水构造,联合TBM设备实现前方地质实时探测;所述的超前地质预报采用物探方法+电法探测的联合探测,以解决目前单一探测技术的不能同时探测破碎地层和含水构造的局限性,且能与TBM设备融为一体,实现前方地质实时探测。所述的电法探测为激发极化法+HSP法(水平声波/地震波剖面法)+三维地震波法联合探测。
(2)若超前地质预报未探测到掌子面前方岩体有软弱破碎富水地层区域7,则TBM设备按照预定计划继续掘进,若探测到掌子面前方30m范围内岩体有软弱破碎富水地层区域7,TBM设备停机,在TBM设备的护盾8的3-5m范围的后方区域5下方位置架设可拆卸的受控定向钻进系统4;所述的受控定向钻进系统)中所用的螺杆钻型号为5LZ73、YL65、或YL54,随钻定向仪的型号为LHE-2000,全液压动力头式钻机的型号为FYD-2200。
(3)受控定向钻进系统4安装好后,根据现场情况确定钻进导向轨迹6,经隧道腰部边墙3向掌子面前方钻进;以避免TBM刀盘及护盾的影响,从而快速达到掌子面。
(4)通过受控定向钻进系统4的钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方富水情况;
(5)判断掌子面前方的水压,
若判断掌子面前方的水压大于0.1MPa,则需要先进行排水再进行注浆加固;
若判断掌子面前方的水压过小于等于0.1MPa,则直接进行注浆加固;
所述注浆加固的注浆采用水泥浆液、超细水泥浆液、硅溶胶超细水泥浆液、水泥-水玻璃双液浆及聚氨酯类化学浆液注浆材料中的一种或多种进行加固;
所述掌子面前方的水压大于0.1MPa需要先进行排水的方式为:通过受控定向钻进系统4的钻孔进行排水,排出的水直接排入TBM设备的护盾8后方区域5隧底下方的排水沟至洞外;当掌子面前方较完整,仅含有微裂隙水时,采用硅溶胶超细水泥浆液加固;当掌子面前方存在软弱破碎和富水时,采用水泥-水玻璃双液浆和聚氨酯化学浆液加固。
(6)待注浆加固后,TBM继续掘进;
(7)重复步骤(1)至(6),完成整条TBM线路的掘进。
实施例1
依托工程:某隧道正洞;
工程概况:某隧道具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的地质特征,工程难度较大;
针对该隧道出口段拟采用主洞大直径TBM+平导小直径TBM施工。主洞TBM开挖直径9.03m,掘进全长12.37km,最大坡度为-9‰,最大埋深为1155m。其中有2段共计300m采用钻爆法施工后,步进通过;2段共计长度140m扩挖段,扩挖直径增加20cm。平导TBM开挖直径约6m,掘进全长10.18km,其中有2段共计180m采用钻爆法施工后步进通过。
具体实施方法:(1)利用水平声波/地震波剖面法,采用HSP206型超前地质预报仪及配套分析软件系统,现场采用阵列式探测布置方式,对隧道226+004工作面前方进行了测试,预报里程范围为:226+004~225+904(100m),分析结果为226+004~225+980存在明显反射异常,初步判断区段内节理裂隙发育,围岩强度较低,岩体较破碎,整体完整性和稳定性差,TBM通过存在很大风险,需要提前超前加固;(2)TBM掘进至桩号226+004~225+980前5m时停机维保,在护盾后5m区域下方安装受控定向钻进系统;(3)经过地质调查,经隧道右部边墙确定受控定向钻进系统导向轨迹;(4)通过钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方水头压力大于0.1MPa,现场采用受控定向钻进系统的钻孔进行排水,排出的水直接排入TBM设备的护盾后方区域隧底下方的排水沟至洞外,避免主机被水淹;(5)排水结束以后,经受控定向钻导向轨迹钻孔对掌子面前方破碎体进行聚氨酯化学灌浆;(6)注浆完成后,继续TBM的掘进,并顺利通过了桩号里程为226+004~225+980的位置,工程是由大里程向小里程掘进的,其中226+004表示226公里加4米的位置。
实施例2
依托工程:某隧道平导洞;
工程概况:某隧道具有“三高”(高地热、高地应力、高地震烈度)、“四活跃”(活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件、活跃的岸坡浅表改造过程)的地质特征,为本工程的建设带来极大的挑战;
该隧道出口段拟采用主洞大直径TBM+平导小直径TBM施工。平导TBM开挖直径6.36m,掘进全长10.18km,其中有2段共计180m采用钻爆法施工后步进通过。
具体实施方法:(1)利用水平声波/地震波剖面法和三维激发极化法联合探测,对隧道225+248工作面前方进行了测试,预报里程范围为:225+248~225+228(20m),分析结果为该段存在明显反射异常,初步判断区段内节理裂隙发育,围岩强度较低,岩体较破碎,整体完整性和稳定性差,TBM通过存在很大风险,需要提前超前加固;(2)TBM掘进至桩号225+248~225+228前4m时停机维保,在护盾后4m区域下方安装受控定向钻进系统;(3)经过地质调查,经隧道左部边墙确定受控定向钻进系统导向轨迹;(4)通过钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方水头压力小于0.01MPa,不需要排水,可直接注浆;(5)经受控定向钻导向轨迹钻孔对掌子面前方破碎体进行水泥浆加固;(6)注浆完成后,TBM恢复掘进,并顺利通过了桩号里程为225+248~225+228的位置。
实施例3
依托工程:某引水隧洞;
工程概况:某隧洞TBM施工段岭南工程采用一台Φ8.02m敞开式硬岩掘进机施工,主洞工程全长18275m(K28+085~K46+360),由TBM后配套安装洞(100m)、TBM主机安装洞(80m)、TBM步进洞(200m)、TBM始发洞(25m)、TBM检修洞(80m)、检修洞下游280m钻爆辅助段和TBM掘进施工段(9880m+7630m)组成;
该工程范围内主要涉及地层为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩。
具体实施方法:(1)利用水平声波/地震波剖面法和三维激发极化法联合探测,对隧道K32+035工作面前方进行了测试,预报里程范围为:K32+035~K32+085(50m),分析结果为该段存在明显反射异常,初步判断区段内节理裂隙发育,围岩强度较低,岩体较破碎,整体完整性和稳定性差,TBM通过存在很大风险,需要提前超前加固;(2)TBM掘进至桩号K32+035前3m时停机维保,在护盾后3m区域下方安装受控定向钻进系统;(3)经过地质调查,经隧道左部边墙确定受控定向钻进系统导向轨迹;(4)通过钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方水头压力小于0.005MPa,不需要排水,可直接注浆;(5)经受控定向钻导向轨迹钻孔对掌子面前方破碎体进行水泥-水玻璃加固;(6)注浆完成后,TBM恢复掘进,并顺利通过了桩号里程为K32+035~K32+085的位置。
Claims (3)
1.敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,包括采用受控定向钻进系统(4)、液态流体压力传感器,其特征在于,富水地层掌子面定向加固方法包括以下步骤:
(1)TBM设备钻进过程中,通过超前地质预报得到的信息确定掌子面前方岩体(1)是否存在软弱破碎富水地层区域(7);同时探测破碎地层和含水构造,联合TBM设备实现前方地质实时探测;所述的超前地质预报采用物探方法+电法探测的联合探测,以解决目前单一探测技术不能同时探测破碎地层和含水构造的局限性,且能与TBM设备融为一体,实现前方地质实时探测;
(2)若超前地质预报未探测到掌子面前方岩体有软弱破碎富水地层区域(7),则TBM设备按照预定计划继续掘进,若探测到掌子面前方30m范围内岩体有软弱破碎富水地层区域(7),TBM设备停机,在TBM设备的护盾(8)3-5m范围的后方区域(5)下方位置架设可拆卸的受控定向钻进系统(4),并在受控定向钻进系统(4)的钻头前方布置液态流体压力传感器;
(3)受控定向钻进系统(4)安装好后,根据现场情况确定钻进导向轨迹(6),经隧道腰部边墙(3)向掌子面前方钻进,以避免TBM刀盘及护盾的影响,从而快速达到掌子面;
(4)通过受控定向钻进系统(4)的钻头前方布置的液态流体压力传感器判断掌子面前方富水情况;
(5)判断掌子面前方的水压,
若判断掌子面前方的水压大于0.1MPa,则需要先进行排水,再进行注浆加固;所述掌子面前方的水压大于0.1MPa需要先进行排水的方式为:通过受控定向钻进系统(4)的钻孔进行排水,排出的水直接排入TBM设备的护盾(8)后方区域(5)隧底下方的排水沟至洞外;
若判断掌子面前方的水压过小于或等于0.1MPa,则直接进行注浆加固;
当掌子面前方较完整,仅含有微裂隙水时,采用硅溶胶超细水泥浆液加固;
当掌子面前方存在软弱破碎和富水时,采用水泥-水玻璃双液浆和聚氨酯化学浆液加固;
(6)待注浆加固后,TBM继续掘进;
(7)重复步骤(1)至(6),完成整条TBM线路的掘进。
2.根据权利要求1所述的敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,其特征在于:所述的电法探测为激发极化法+水平声波/地震波剖面法+三维地震波法联合探测。
3.根据权利要求1所述的敞开式TBM隧道软弱破碎富水地层掌子面定向加固方法,其特征在于:所述的受控定向钻进系统(4)中所用的螺杆钻型号为5LZ73、YL65、或YL54,随钻定向仪的型号为LHE-2000,全液压动力头式钻机的型号为FYD-2200。
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