CN112177620A - 一种地下工程tbm穿越复杂软硬复合地层的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，包括以下步骤：确定掘进前方软硬复合地层混合类型及开挖断面的软硬复合比；根据确定的软硬复合地层混合类型及隧道轴向上各断面的软硬复合比，划定掌子面前方软硬地层中的治理区域；设计适用于复杂软硬复合地层施工的注浆参数；对TBM掘进机前方地层的设计区域进行注浆加固；对划定的治理区域进行注浆加固；注浆效果进行评估，注浆效果达到设计要求后，TBM启动掘进，本发明的施工方法保证了TBM的安全掘进。

Description

一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法

技术领域

本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

TBM因其具有断面成型好、信息化程度高、安全高效及环保等特点，已被广泛应用于长距离地铁隧道施工。软硬复合地层作为一种不良地质，分布广泛。发明人发现，隧道施工不可避免地要遇到岩体在物理力学性质、赋存状态等方面相差较大的复合地层。TBM单一全断面开挖方式本身不利于围岩稳定，同时软硬地层交界面常是一个曲面，复合地层的软硬复合比往往随TBM掘进过程中不断变化，这使TBM的推力和刀盘转矩数值变化波动性大，导致TBM在复合地层中施工往往会面临诸如TBM姿态失调、卡机、刀圈偏磨、刀圈卷刃、挡圈断裂或脱落、刀盘磨损、极端条件下刀盘开裂、冲击载荷造成机头强烈振动等一系列技术难题，严重干扰着TBM机器安全和施工效率，导致工期延误及追加工程投资等后果，造成重大经济损失。此外，由于TBM开挖岩石破碎过程中，滚刀在软、硬岩中的推力或贯入度不一致，软、硬岩层交界面出现“非协调变形”现象，当发现问题时，往往已经造成TBM姿态失调，导致TBM掘进偏离设计轴线方向，进而造成地面隆起，因此需要进行纠偏，影响到包括工期因素在内的工程综合经济性，有时甚至关系到施工的成败。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，能够对复杂地层进行有效治理，提高了TBM掘进机的施工安全性，有利于TBM掘进机的掘进安全。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明的实施例提供了一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，包括以下步骤：

确定掘进前方软硬复合地层混合类型及开挖断面的软硬复合比；

根据确定的软硬复合地层混合类型及隧道轴向上各断面的软硬复合比，划定掌子面前方软硬复合地层中的治理区域；

设计适用于复杂软硬复合地层施工的注浆参数，对TBM掘进机前方地层的设计区域进行注浆加固，对划定的治理区域进行注浆加固；

对注浆效果进行评估，注浆效果达到设计要求后，TBM掘进机启动掘进。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，确定掘进前方软硬复合地层混合类型的方法为：通过地球物理勘探方法与钻孔取芯分析初步探明周边工程地质情况，结合场区工程地质水文地质资料，查明地质特征及地下水分布情况，确定掘进前方复杂软硬复合地层围岩展布形态和范围，判断软硬复合地层混合类型。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，根据地质剖面图中隧道轮廓线横断面与各地层的位置关系，结合补充的沿隧道轴线的钻孔取芯结果，确定隧道各断面的软硬复合比，根据软硬复合比和软硬复合地层混合类型划定治理区域。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，当确定的软硬复合比α位于0.3-0.7时，根据软硬复合比和软硬复合地层的混合类型划定治理区域，否则无需划定治理区域。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述TBM掘进机前方地层进行注浆加固的设计区域的前侧边界位于掌子面前方1.4m-1.6m距离处，加固厚度为0.8m-1.2m，设计断面加固宽度范围为10m-12m。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，所述TBM前方地层的注浆加固采用水泥-水玻璃双液浆的前进式分段注浆工艺，具体步骤为：

在地表开设多个第一钻孔；

在第一钻孔内置入套管，注浆管底端设定距离处分别绑扎第一膜袋、第二膜袋，在套管内下注浆管；

进行分段注浆，每段的注浆方法为：

向第二膜袋内注入浆液，使其与第一钻孔孔壁贴合，向第一膜袋内注入浆液，使其挤密周围地层，注浆管内注入浆液，浆液通过注浆管底端出浆孔流向设计区域地层。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式：

当软硬复合地层为规则层理型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于层理面最低点所在水平面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处；

当软硬复合地层为不规则侵入型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于隧道底板所在水平面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处；

当软硬复合地层为上软下硬型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于掌子面区域软、硬地层分界面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，治理区域的注浆加固采用水泥单液浆的后退式分段注浆工艺，具体步骤为：

在地表开设多个第二钻孔；

在第二钻孔孔口处设置套管，在套管内埋设袖阀管，在袖阀管与第二钻孔孔壁之间施工套壳料；

进行分段注浆，每段注浆的具体方法为：将注浆内管下降至需要注浆的部位，注浆内管泵入清水，直至冲开袖阀管的橡胶袖阀及对应位置的壳料，在注浆内管内泵入浆液直至达到设定压力并稳定，浆液通过注浆内管底部双塞管的出浆口流出并扩散到治理区域的地层。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，进行注浆加固的同时，实时观察TBM掘进机周边围岩跑漏浆情况，实时监测注浆影响范围内的地表变形情况，在线监测注浆参数，动态调整注浆参数及工艺。

结合第一方面，本发明的实施例提供了第一方面的一种可能实施方式，采用地球物理探测、钻孔电视法及检查孔法综合评价注浆加固效果，通过分析比较注浆前后地球物理探测结果，使用钻孔电视采集注浆加固后孔壁信息，布设检查孔并进行取芯，检查取芯状况和测试注浆后地层渗透能力，综合判断注浆治理效果。本发明的有益效果：

1.本发明的施工方法，通过软硬复合地层的混合类型和软硬复合比，确定了掌子面前方的治理区域，明确了注浆区域钻孔深度与各断面软硬复合比之间的函数关系，为施工设计提供有效指导，进而设计了适用于软硬复合地层施工的注浆参数及确定了合理的注浆范围，通过注浆治理，有效降低了TBM掘进机前方复合地层的软硬复合比，充分保障TBM机器安全，有效解决了复杂软硬复合地层施工带来的TBM姿态失调、卡机、刀圈偏磨、刀圈卷刃、挡圈断裂或脱落、刀盘磨损、极端条件下刀盘开裂、冲击载荷造成机头的强烈振动等难题，提高了TBM施工安全性，延长了刀盘刀具寿命，整体上缩短了TBM的掘进时间，大幅度降低工程成本。同时保证了治理效果，避免了因盲目注浆导致的TBM机器受损等二次灾害，创造了良好的社会效益和经济效益。

2.本发明中的施工方法，将钻探和物探相结合，全面准确判定地层的软硬性质。依据各地层的位置关系将软硬复合地层类型总结为规则层理型、不规则侵入型、上软下硬型，提高了对复合地层地质特征的认识，指导后续地质治理工作，避免了因盲目注浆导致的较软区域没有加固或加固强度不够，而较硬区域重复加固的问题，使注浆效果得以保证。并根据软硬复合比数值提出了一个处治范围，统一了软硬复合地层的注浆治理标准，解决了不同断面软硬复合比随TBM掘进过程中不断变化，导致的注浆参数频繁调整的难题，极大的提高了注浆效率。

3.本发明的施工方法，通过双膜袋注浆工艺对TBM掘进机前方地层的设计区域进行注浆加固。第二膜袋可以有效防止浆液上返，保证了水泥-水玻璃双液浆的注浆效果。第一膜袋膨胀后的体积大于第二膜袋，第一膜袋膨胀后有效挤密周围岩体，提高密实度，多个第一膜袋膨胀后挤密的土石体形成墙体作用，与水泥-水玻璃双液注浆加固体共同保护TBM掘进机。第一膜袋与第二膜袋共同发挥作用，在TBM前方形成了类似于一堵墙的保护层，有效隔离后期治理中的水泥浆液和水，防止TBM刀盘被水泥浆液固结，避免了浆液无序扩散进入TBM掘进机内部造成堵塞。

4.本发明中，基于多种方法的检测结果，综合评定复杂软硬复合地层注浆加固效果，可靠性高，对加固效果认识全面，避免了TBM盲目启动引发的刀盘卡机事故及对地层二次加固注浆情况的发生，极大降低了TBM施工的安全风险。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1是本发明实施例1的施工工艺流程图。

图2是为软硬复合地层混合类型为规则层理型断面示意图；

图3为软硬复合地层混合类型为不规则侵入型断面示意图；

图4为软硬复合地层混合类型为上软下硬型断面示意图；

图5为本发明实施例1上软下硬型软硬复合地层治理方案剖面示意图；

图6为本发明实施例1规则层理型软硬复合地层治理方案剖面示意图；

图7为本发明实施例1不规则侵入型软硬复合地层治理方案剖面示意图；

图8是本发明实施例1水泥-水玻璃双液双膜袋注浆工艺示意图；

图9是本发明实施例1水泥单液袖阀管注浆工艺示意图；

其中，1、粉砂质泥岩；2、含砾石英砂岩；3、侵入型矿脉或侵入型岩脉；4、角砾岩；5、全风化花岗岩；6、强风化花岗岩；7、地下水位面；8、黏土层；9、全风化花岗岩层；10、TBM掘进机；11、强风化花岗岩层；12、第一钻孔；13、治理区域下边界；14、治理区域上边界；15、填土层；16、第二钻孔；17、钢套管；18、膜袋注浆小管；19、第一膜袋；20、第二膜袋；21、注浆管；22、注浆内管；23、袖阀管；24、橡皮圈；25、套壳料；26、双塞管。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，软硬复合地层严重干扰着TBM机器安全和施工效率，针对上述问题，本申请提出了一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法。

本申请的一种典型实施方式中，如图1所示，一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，包括以下步骤：

步骤1：联合运用地球物理勘探方法与钻孔取芯分析，探明周边工程地质情况，结合场区工程地质水文地质资料，查明区域地质特征及地下水分布情况，确定掘进前方复杂软硬复合地层围岩展布形态和范围，初步判断软硬复合地层混合类型。

具体的，利用三维地震法探测技术，在洞内对TBM掘进机掘进前方软硬复合地层进行探测；综合三维地震法探测结果和场区工程地质水文地质资料，确定地下水位面7，绘制TBM前方软硬复合地层分布区域及形态，本实施例中，如图5所示，地层由上至下依次为:填土层15、黏土层8、全风化花岗岩层9、强风化花岗岩层11。

以钻孔取芯结果为准对地球物理探测结果进行修正，若二者结果不符，在疑义位置补充钻孔结果，然后得到掘进前方复杂软硬复合地层围岩展布形态和范围。根据掘进前方复杂软硬复合地层围岩展布形态和范围，初步判断软硬复合地层混合类型。

软硬复合地层类型包括规则层理型、不规则侵入型、上软下硬型。规则层理型复合地层如图2所示，不规则侵入型复合地层如图3所示，上软下硬型复合地层如图4所示。

步骤2：根据初步探测结果，沿隧道轴线进行地表钻孔取芯，根据补充的取芯结果对复杂软硬复合地层分布范围进行验证和调整。根据地质剖面图中隧道轮廓线横断面与各地层的位置关系，确定开挖断面软硬复合比。根据软硬复合比及软硬复合地层的混合类型划定治理区域。

软硬复合地层定义为掌子面上同时出现两种或两种以上力学性质明显差异，并对TBM掘进机运行及掘进效率产生较大影响的地层。软硬的分界以饱和单轴抗压强度来界定，单轴抗压强度>30MPa为硬岩，单轴抗压强度<30MPa为软岩。复合地层的软硬复合比定义为隧道开挖横断面上较软地层与隧道开挖断面面积的比值，如下式：

式中，α为软硬复合比，A_软为掌子面上较软地层的面积，A为隧道开挖断面面积。

如果软硬复合比位于0.3-0.7，则需要根据步骤1确定的软硬复合地层的混合类型及软硬复合比划定治理区域，否则不需要进行治理。当软硬复合比在0.5左右时，对TBM的刀盘磨损最严重，需要对划定的治理区域进行注浆加固。临界软硬复合比(α＝0.3或α＝0.7)的确定主要从TBM掘进安全性及稳定性角度考虑，α位于0.3-0.7区间时，隧道掌子面各地层受力呈明显的各向异性，此时TBM滚刀在软、硬岩中的推力相差较大，不利于TBM掘进安全，降低掘进效率，因此确定出TBM在复杂软硬复合地层施工中的临界软硬复合比。

规则层理型复合地层如图2所示，软岩和硬岩交替分层设置，软岩可以为粉砂质泥岩1，硬岩可以为含砾石英砂岩2，软硬复合比为为0.41。不规则侵入型复合地层如图3所示，矿脉或岩脉侵入硬岩中，所述矿脉和岩脉为侵入型矿脉和侵入型岩脉3，硬岩可以为角砾岩6，软硬复合比为0.34。上软下硬型复合地层如图4所示，上层为软岩，下层为硬岩，软岩可以为全风化花岗岩5，硬岩可以为强风化花岗岩6，软硬复合比为0.45。

根据轴线钻孔取芯结果，进一步明确TBM前方软硬复合地层混合类型。根据软硬复合地层混合类型及软硬复合比，确定出软硬复合地层处所划定治理区域的下边界13、上边界14及前后边界。

治理区域上边界的设置主要为了提高隧道开挖区域掌子面的地层稳定性，上部加固区厚度的确定依据实际的地层分布情况而从力学角度考虑，使其与掌子面岩层强度接近，地层受力均匀，治理区域上边界设计为隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面。治理区域下边界的设置主要为了解决软硬复合地层物理力学性质差异较大的问题，注浆加固软弱岩层，使隧道掌子面区域岩层由强度各向异性转变为各向同性，因此治理区域下边界设计为软、硬地层的分界面。治理区域前后侧边界的设计主要考虑浆液在地层中的扩散距离，前侧边界设计为最后一排注浆孔前方0.8m-1m处。后侧边界的设计考虑TBM掘进机前方地层的防护要求及浆液在地层中的扩散距离，后侧边界设计为第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处。

如图6所示，当软硬复合地层为规则层理型复合地层时，治理区域上边界14位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面。对于上边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为3m。治理区域下边界13位于层理面最低点所在水平面。对于下边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部下方5m处。前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，本实施例中设计为最后一排注浆孔前方0.8m，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处，本实施例中设计为第一排注浆孔后方0.5m；

如图7所示，当软硬复合地层为不规则侵入型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面。对于上边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部上方4m处。治理区域下边界位于隧道底板所在水平面。对于下边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部下方6m处。前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，本实施例中设计为最后一排注浆孔前方0.8m，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处，本实施例中设计为第一排注浆孔后方0.5m；

如图5所示，当软硬复合地层为上软下硬型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面。对于上边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部上方4.5m处。治理区域下边界位于软、硬地层分界面。对于下边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部下方4m处。前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，本实施例中设计为最后一排注浆孔前方0.8m，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处，本实施例中设计为第一排注浆孔后方0.5m。

步骤3：采用水泥-水玻璃双液浆对TBM掘进机10前方地层的设计区域进行注浆加固，如图8，具体为：

从地表开设垂直的第一钻孔12，采用水泥-水玻璃双液浆对TBM掘进机前方地层进行注浆加固。TBM掘进机前方地层进行注浆加固的设计区域的前方边界位于掌子面前方1.4m-1.6m距离处，加固厚度为0.8m-1.2m，设计断面加固宽度范围为10m-12m，本实施例中，设计区域前方边界位于掌子面前方1.5m处，设计区域宽度范围为12m。采用带有第一、第二膜袋的双膜袋注浆工艺加固。第一膜袋19膨胀后有效挤密周围岩体，提高密实度，图8中多个第一膜袋19膨胀后挤密的土石体形成墙体作用，与水泥-水玻璃双液注浆加固体共同保护TBM掘进机，有效隔离后期治理中的水泥浆液和水，防止TBM刀盘被水泥浆液固结，避免了浆液无序扩散进入TBM掘进机内部造成堵塞。

所用第一膜袋19长度为3m，宽度为3m，第二膜袋20长度为1m，宽度为2.2m。注入水泥-水玻璃双液浆后，膜袋迅速膨胀，体积增大，同时浆液结石体具备一定强度，可有效挤压周围岩体。第一膜袋19膨胀后的体积大于第二膜袋20，第一膜袋19膨胀后，膨胀半径介于0.4m-0.6m。第二膜袋20膨胀后，膨胀半径介于0.2m-0.4m。

所用水泥-水玻璃双液浆的双液体积混合比为1:1，其中水玻璃模数为2.6～3.4，密度为1.53g/m l，水玻璃浓度30～40波美度，水泥-水玻璃双液浆工程现场初凝时间40～50s。设计单孔注浆量为1500L，注浆压力根据不同地层和实际选用注浆流量调整。

可以理解的是，上述注浆参数本领域技术人员可根据实际需要进行设置，在此不进行详细叙述。

如图8所示，水泥-水玻璃双液注浆采用钢套管17配合膨胀膜袋注浆工艺，第一钻孔布置间距为1m，第一钻孔直径为Φ127mm，第一钻孔顶部布置12m长、直径为Φ108的钢套管17，隔绝地层中的地下水侵入。之后在套管内置入直径Φ89mm注浆管21，在距离注浆管末端设定距离处绑扎不同类型膨胀膜袋，本实施例中，所述第一膜袋19设定距离为4m，第二膜袋20设定距离为1m。

对于设计区域的注浆加固，采用前进式分段注浆工艺。每段的注浆过程中，先通过膜袋注浆小管18向第二膜袋20内注入水泥-水玻璃双液浆将膜袋撑开，使其充分与第一钻孔壁紧密贴合。接着通过膜袋注浆小管18向第一膜袋19内注入水泥-水玻璃双液浆，第一膜袋19迅速膨胀后挤压周围岩体，多个第一膜袋形成墙体作用。然后向注浆管内注入水泥-水玻璃双液浆，使其通过注浆管末端菱形出浆孔向地层扩散。第一膜袋19有效挤压岩体，提高密实度，第二膜袋20可以防止浆液上返，有效保证了TBM掘进机前方地层的注浆加固效果。一段注浆完成后，继续钻孔，注浆管下降，进行下一段的注浆。

复杂软硬复合地层治理区域针对性超前注浆治理：

复杂软硬复合地层软弱区域地表注浆治理，以软硬复合地层为上软下硬型为例进行说明：

具体为：加固划定的治理区域，即上下边界在拱顶轮廓线下方4m位置至拱顶轮廓线上方4.5m范围之间的区域，前后边界分别为掌子面前方13.8m位置和3.5m位置，对隧道开挖横断面上部较软的全风化花岗岩层9进行重点加固，这里指图5中框选出来的注浆治理区域。钻孔深度设计根据实际地层情况而定，由于实施例中断面软硬复合比逐渐减小，为了避免较软区域加固强度不够，而较硬区域重复加固导致的强度不足或强度浪费问题，本实施例中根据断面软硬复合比共设计了三种设计钻孔深度。不同位置的钻孔深度与各断面软硬复合比存在一个函数关系，表达式为：

式中，α为断面软硬复合比，随着TBM向前掘进而不断变化；y为不同位置的设计钻孔深度；y₀为不同位置的隧道埋深，本领域技术人员可根据实际需要确定。

从地表开设垂直的第二钻孔16至设计深度，第二钻孔底端到达设计区域的下边界，即软硬地层的交界面，第二钻孔布置间距为2m，采用后退式分段注浆工艺对治理区域地层分层注浆加固，每一注浆段长为3m。注浆段长和注浆孔间距过大降低注浆加固效果，过小会降低注浆施工效率。

本实施例中为隧道顶部上方4.5m处。治理区域下边界位于软、硬地层分界面。对于下边界的位置，本领域技术人员可根据实际需要确定，本实施例中为隧道顶部下方4m处，前后边界的位置依据钻孔取芯分析的各断面软硬复合比而定，设计为掌子面前方13.8m处和3.5m处。

后退式分段注浆工艺采用水泥单液浆，水泥浆液水灰比为1:1，所用水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，设计注浆终压为2-3MPa。

如图9所示，水泥单液注浆采用直筒型袖阀管注浆工艺，可使浆液劈裂或压密软弱岩层，注浆效果良好。第二钻孔开孔直径为Φ127mm，第二钻孔孔口设置5m长、直径为Φ89mm的钢套管，在钢套管内埋设Φ50mm袖阀管23，接着拌套壳料26并在袖阀管和第二钻孔孔壁之间填充套壳料，形成套壳。

套壳料25采用膨润土和水泥配制，配比范围为水泥：粘土：水＝1:1.5:1.88，浆液比重为1.5，漏斗粘度24～26s；实际施工时应通过多组室内及现场试验，选取最佳配比。

将注浆内管22下至需要注浆的孔段，启动注浆泵，压送清水，在此过程中压力逐步提高，直到清水冲开橡胶袖阀及所对应位置的套壳，压力回落后，泵送水泥浆液，一直注浆到设计所规定的压力并稳定为止；水泥浆液从注浆内管底端的双塞管设置的出浆口流出，流动方向如箭头所示，扩散入治理区域的地层中，浆液利用双塞管26两端的橡皮圈24进行密封，在此过程中可视需要或设计规定进行间歇注浆，直到符合设计要求为止。注浆段完成后进行提升，循环至注浆加固完成。对于注浆效果较差段，可重复注浆。

本实施例中，位于TBM掘进机前方6m范围内的地表第二钻孔的设计注浆压力不得大于1.8MPa，注浆压力过大容易击穿设计区域处第一膜袋膨胀后挤密的土石体及水泥-水玻璃浆液结石体，使水泥浆液进入隧道内，导致TBM掘进机被水泥浆污染、刀盘被水泥浆液固结。

其他两种混合类型的治理区域的注浆加固采用相同的方法进行，区别仅在于注浆加固范围、第二钻孔的开设深度及注浆参数不同，在此不进行重复叙述。

注浆治理过程观察TBM掘进机周边地层跑漏浆情况，实时监测地表变形，在线监测注浆参数，动态调整注浆参数及工艺。

具体的，在地表注浆过程中，密切观察TBM掘进机周边围岩跑漏浆情况，一旦出现跑漏浆情况立即停止注浆。在注浆影响范围内，布置监测断面，监测地表变形情况，断面间距为3-5m，一般设为3m，并绘制监测曲线。

进行地表隆起监测，在道路上布置监测点，注浆过程中使用全站仪每5分钟监测一次数据，控制单孔注浆隆起量不致过大，注浆总过程导致地表隆起量不超过规定值，确保注浆过程中路面、建筑物、管线的安全，同时进行现场目测巡视，主要观察是否出现渗、漏水、地表出现裂缝等现象。遇超过报警值时，应及时将监测信息反馈汇报并及时调整注浆方案，以保证安全注浆。

注浆参数在线监测。分别对注浆过程中注浆压力、流量进行监测，依据监测注浆孔口注浆压力、流量变化，依据设计方案严格控制注浆扩散范围，确保注浆效果。采用注浆压力差异控制技术，根据围岩介质条件，分区段选择注浆终压，随着地层由浅而深加固，逐渐提高注浆终压。采用注浆速率梯度控制技术，注浆过程中由高速率注浆转变为低速率慢渗注浆，利于岩体的充分强化。

动态调整注浆参数及工艺包括根据各种监测结果，动态调整前进式和后退式注浆方式、修改钻孔布置形式、调整所用注浆材料及配比、注浆压力、注浆结束标准、注浆加固范围等。

步骤4：采用地球物理探测、钻孔电视法及检查孔法综合评价软弱地层注浆治理效果，具体如下：

注浆加固完成后，分别采用洞内三维地震超前探测、钻孔电视法及检查孔法，获取治理区域的软弱岩层加固程度信息。三维地震法通过对比注浆前后地球物理探测结果，评估注浆加固效果。钻孔电视法使用钻孔电视采集注浆加固后孔壁信息，观察注浆效果。

根据注浆状况，选择注浆范围内可能存在薄弱环节的注浆部位布设检查孔，并且从以下两个方面检查：①检查取芯状况。检查孔采用取芯钻机取得完整岩芯，检查岩芯中注浆材料固结体的充填情况和固结强度，来检验注浆加固效果。②测试注浆后地层渗透能力。检查孔施作完成后，在检查孔内注入稀浆液，观察钻孔的吸浆量，以此来衡量注浆加固地层的渗透能力。检查孔数量设计为注浆孔数量的15％。

基于多种方法的检测结果，综合评定复杂软硬复合地层注浆加固效果。若注浆加固效果满足要求，停止注浆，否则对地层软弱区域继续注浆加固。

步骤5：注浆治理效果达到预期要求后，TBM掘进机高效率掘进，并及时支护，具体如下：

经过步骤4检查评估，注浆治理效果达到设定要求，重新启动TBM向前掘进。掘进前应合理调整TBM掘进机姿态及掘进参数，掘进过程中及时监测围岩收敛变形情况。

TBM掘进机重新启动前，应先对机器全面检查，排除机器故障，合理调整TBM掘进机姿态及掘进参数。TBM掘进机通过软硬复合地层过程中，减少停机时间，高效率掘进，穿越加固区域。

本实施例的施工方法，通过软硬复合地层的混合类型，确定了掌子面前方的治理区域，进而确定了注浆加固范围，通过注浆加固治理区域，有效降低了复合地层的软硬复合比，充分保障TBM机器安全，有效解决了TBM掘进机姿态失调、卡机、刀圈偏磨、刀圈卷刃、挡圈断裂或脱落、刀盘磨损、极端条件下刀盘开裂、冲击载荷造成机头的强烈振动等难题，有利于TBM掘进机的掘进安全，同时保证了治理效果，避免了因盲目注浆导致的TBM掘进机机器受损等二次灾害以及TBM掘进机盲目启动引发的刀盘卡机事故，创造了良好的社会效益和经济效益。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定掘进前方软硬复合地层混合类型及开挖断面的软硬复合比；

根据确定的软硬复合地层混合类型及隧道轴向上各断面的软硬复合比，划定掌子面前方软硬复合地层中的治理区域；

设计适用于复杂软硬复合地层施工的注浆参数，对TBM掘进机前方地层的设计区域进行注浆加固；对划定的治理区域进行注浆加固；

对注浆效果进行评估，注浆效果达到设计要求后，TBM掘进机启动掘进。

2.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，确定掘进前方软硬复合地层混合类型的方法为：通过地球物理勘探方法与钻孔取芯分析初步探明周边工程地质情况，结合场区工程地质水文地质资料，查明地质特征及地下水分布情况，确定掘进前方复杂软硬复合地层围岩展布形态和范围，判断软硬复合地层混合类型。

3.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，根据地质剖面图中隧道轮廓线横断面与各地层的位置关系，结合补充的沿隧道轴线的钻孔取芯结果，确定隧道各断面的软硬复合比，根据软硬复合比和软硬复合地层混合类型划定治理区域。

4.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，当确定的软硬复合比位于0.3-0.7时，根据软硬复合比和软硬复合地层的混合类型划定治理区域，否则无需划定治理区域。

5.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，所述TBM掘进机前方地层进行注浆加固的设计区域的前方边界位于掌子面前方1.4m-1.6m距离处，加固厚度为0.8m-1.2m，设计断面加固宽度范围为10m-12m。

6.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，所述TBM掘进机前方地层的注浆加固采用水泥-水玻璃双液浆的前进式分段注浆工艺，具体步骤为：

在地表开设多个第一钻孔；

在第一钻孔内置入套管，注浆管底端设定距离处分别绑扎第一膜袋、第二膜袋，在套管内下注浆管；

进行分段注浆，每段的注浆方法为：向第二膜袋内注入浆液，使其与第一钻孔孔壁贴合，向第一膜袋内注入浆液，使其挤密周围地层，注浆管内注入浆液，浆液通过注浆管底端出浆孔流向设计区域地层。

7.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于：

当软硬复合地层为规则层理型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于层理面最低点所在水平面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处；

当软硬复合地层为不规则侵入型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于隧道底板所在水平面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处；

当软硬复合地层为上软下硬型复合地层时，治理区域上边界位于隧道顶部上方软弱地层与其他岩层的分界面，下边界位于掌子面区域软、硬地层分界面，前侧边界位于最后一排注浆孔前方0.8m-1m处，后侧边界位于第一排注浆孔后方0.4m-0.6m处。

8.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，治理区域的注浆加固采用水泥单液浆的后退式分段注浆工艺，具体步骤为：

在地表开设多个第二钻孔；

在第二钻孔内设置套管，在套管内埋设袖阀管，在袖阀管与第二钻孔孔壁之间施工套壳料；

进行分段注浆，每段注浆的具体方法为：将注浆内管下降至需要注浆的部位，注浆内管泵入清水，直至冲开袖阀管的橡胶袖阀及对应位置的壳料，在注浆内管内泵入浆液直至达到设定压力并稳定，浆液通过注浆内管底部双塞管的出浆口流出并扩散到治理区域的地层。

9.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，其特征在于，进行注浆加固的同时，实时观察TBM掘进机周边围岩跑漏浆情况，实时监测注浆影响范围内的地表变形情况，在线监测注浆参数，动态调整注浆参数及工艺。

10.如权利要求1所述的一种地下工程TBM穿越复杂软硬复合地层的施工方法，采用地球物理探测、钻孔电视法及检查孔法综合评价注浆加固效果，通过分析比较注浆前后地球物理探测结果，使用钻孔电视采集注浆加固后孔壁信息，布设检查孔并进行取芯，检查取芯状况和测试注浆后地层渗透能力，综合判断注浆治理效果。

Images