CN112502720B - 敞开式tbm通过断层破碎带的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞开式TBM过断层破碎带的施工方法，其充分利用TBM自身特点，一方面通过盾尾、刀盘注浆加固改善不良地质，另一方面通过盾尾泄水避免地下水造成不良地质进一步恶化，同时兼顾超前地质探测判明前方地质情况，指导现场施工及方案确定。该方法不仅适用于TBM过小断层施工，亦使用于过大断层施工，充分发挥了TBM自身的优越性，降低了卡机风险，较采用传统的绕洞法进行TBM过断层施工，工期、成本、安全及质量均实现可控。

Description

敞开式TBM通过断层破碎带的方法

技术领域

本发明新型涉及TBM施工技术领域，具体涉及一种敞开式TBM通过断层破碎带的方法。

背景技术

隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）是一种用机械破碎岩石、出渣与支护实行连续作业的综合设备。TBM施工具有以下优点：

1.掘进效率高：连续作业，能保证破岩、出渣、支护一条龙作业；特别在稳定的围岩中长距离施工时，优势更为明显；2.开挖少施工质量好：超挖量少，内壁光滑，不存在凹凸现象，支护工程量，工程费用降低；3.对岩石的扰动小：能够改善开挖面的施工条件；周围岩层稳定性好，施工安全性好。

当前，在长大隧道施工过程中，广泛的采用TBM挖掘；但是由于地质影响，掘进施工通过不良地质区段时，经常遭遇断层破碎带后所面临的各类难题，如发育地下水造成细小颗粒流失、掌子面及盾尾破碎不能自稳、盾体及掌子面围岩溜坍造成TBM卡机（护盾抱死或刀盘被卡）等。由于盾体及刀盘设备影响，无法有效进行刀盘周边积渣清理及超前预加固。遭遇卡机后，采用绕洞钻爆法脱困处理施工工程量大、安全风险性较高、施工组织难度大、工期不可控。不良地质段TBM卡机对工期及成本影响极大。

针对这一类情况，为了隧道掘进工程的顺利进行，需要开发一种不良地质段对前方不良地质加固、改良的处理施工方法，以实现TBM不良地质段超前预加固及防止TBM卡机。

发明内容

本发明旨在提供一种敞开式TBM通过断层破碎带的方法，解决现有技术中敞开式TBM难以通过岩石断层破碎带或在断层破碎带极易卡机的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明主要采用以下技术路线：

主要是从改善围岩角度着手，采用掌子面循环化灌+盾尾循环管棚+超前泄水洞的措施联合进行超前预加固处理，以达到适合TBM掘进的地层：①通过盾尾设置超前泄水孔（或泄水洞）兼地质探孔，为掌子面化灌及盾尾管棚施作创造便利条件；②通过刀孔打设玻璃纤维管进行聚氨酯类化学浆加固以防掌子面溜坍造成卡机；③通过主梁作业平台进行管棚施工以达到对掘进范围上方围岩的棚护，同时为保证加固范围可通过盾尾管棚进行超前注浆（单液浆/双液浆）加固；由于TBM特殊性，作业空间无法实现超长距离加固，如断层破碎带范围较长，则采用分段循环加固的方式以保证TBM高效通过。具体技术方案如下：

设计一种敞开式TBM通过断层破碎带的方法，包括如下步骤：

（1）施作超前泄水孔/洞兼地质探孔：于护盾后方拱腰两侧打设泄水孔兼地质探孔，或在TBM撑靴后方左、右侧各开设一个泄水洞，泄水洞施工完成后必要时可继续在泄水洞掌子面向前打设泄水孔进行超前泄水；

（2）超前地质加固：在掌子面使用循环化学灌浆加固软弱破碎围岩；盾体区域注浆加固后施作盾尾管棚；通过盾尾管棚进行超前注浆加固；

（3）掘进及支护：在盾体区域、掌子面前方破碎体加固完成后，慢速且连续不停的掘进；

TBM掘进揭露破碎围岩后满铺钢筋排、拱架采用纵向型钢连接；撑靴处破碎围岩模筑混凝土或采用混凝土换填，其余部位应急喷浆封闭；揭露围岩塌腔灌喷回填并预留注浆管注浆回填密实；破碎围岩喷浆封闭后径向钻孔注浆加固；

（4）后续处置措施：TBM通过断层破碎带后，进行初支背后围岩注浆加固，并监测支护结构稳定性及地下水情况，保证隧道结构稳定安全；

（5）分段循环加固：当超前加固完成后进行掘进，每次掘进长度根据掌子面围岩情况确定；当加固段掘进完成后围岩破碎垮塌则进行下一循环注浆加固直至通过不良地质段。

在所述步骤（1）中，在所述步骤（1）中，于护盾后方拱腰两侧采用潜孔钻机布打设孔深为35～50m，偏角10°～15°，仰角10°～15°的泄水孔兼地质探孔。

在所述步骤（2）中，掌子面化学灌浆前于TBM刀盘内采用单节长度为1m的自进式玻璃纤维管作为注浆管，各节之间采用套管连接；采用手持式风钻或改造后的气腿式风钻将玻璃纤维管钻进至松散体内，深度4～5m；然后进行化学注浆。

在所述步骤（2）中，管棚施作前在盾尾向护盾区域打设注浆管，长度6～8m，环向120°范围内布设，间距0.4m，注化学浆液，以加固盾体区域围岩，同时形成止浆盘，便于超前管棚注浆止浆。

在所述步骤（2）中，盾体区域加固完成后，自盾尾以外插角10°～15°，环向间距0.3m向掌子面前方施作直径为φ76，长度为25～35m的管棚。

在所述步骤（3）中，在估盾体区域、掌子面前方破碎体加固完成后，采用慢速掘进，刀盘转速控制在3r/min以内，根据刀盘扭矩、电机电流、皮带机压力等参数实时进行刀盘转速调整，根据掘进速度控制推力，低速匀速掘进。

本发明的主要有益技术效果在于：

（1）本方法适用于解决地下工程建设范畴中采用TBM工法进行隧道施工遭遇断层破碎带后所面临的各类难题，如发育地下水造成细小颗粒流失、掌子面及盾尾破碎不能自稳、盾体及掌子面溜坍造成卡机等，以保证TBM高效通过断层破碎带。

（2）本发明创新采用掌子面循环化灌+盾尾循环管棚+超前泄水洞的综合处治方法，快速高效。

（3）本发明在掌子面创新使用循环化灌有效固结软弱破碎围岩，同时避免常规水泥浆液固结施工设备。

（4）本发明在掌子面创新使用玻璃纤维锚杆，有效提高围岩稳定性，同时兼顾注浆管，创新材质避免损伤刀具及刀盘。

（5）根据超前地质预报，在盾尾进行高角度打设泄水孔兼地质探测孔，既实现地质探测作用又达到泄水效果，有效预防了地下水造成围岩进一步恶化，同时又改善了作业环境。

（6）采用循环加固方式，有效解决了采用TBM工法施工超前加固作业空间小不能实现长距离加固的缺点，同时循环加固相较于一次超长距离加固方法更为安全可靠。

附图说明

图1为本发明断层破碎带联合处治平面示意图（采用泄水洞）。

图2为本发明刀盘化学布孔示意图。

图3为本发明盾体区域加固布孔示意图。

图4为本发明的管棚施作侧面示意图。

图5为本发明的管棚施作正面示意图。

以上图中，1为TBM掌子面，2、3为泄水洞，4、6为管棚，5、7、8为泄水孔，9为玻璃纤维管，10为刀盘，11为注浆管，12为主作业平台,13为TBM。

具体实施方式

下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。

实施例一：

2019年10月21日，高黎贡山隧道出口正洞TBM掘进至里程D1K221+544.913处时,盾尾揭示拱腰左侧岩体强风化，完整性差，岩体破碎呈块状及角砾状，掌子面及盾尾出现涌水，最大涌水量为150m³/h，受流水冲刷松散围岩，大量渣体被裹挟堆积至隧底，同时引起掌子面及盾尾区域持续坍塌，TBM被迫停机。

TBM掘进受阻后，现场层打设多个泄水孔进行泄水以降低流水对围岩浸泡冲刷的影响，但打设泄水孔泄水过程中易被堵塞无法保证长期有效的泄水。为达到泄水改善地层对避免掘进过程因地下水导致围岩变差，需超前进行泄水，采取，因此在正洞开挖方向左侧并行开设探测洞进行超前泄水以及地质探测，降低水位及水压后，采取刀盘及盾尾注浆加固，盾尾管棚循环加固掘进通过断层破碎带。

总体施工工艺流程：

施作超前泄水（泄水洞）兼地质探孔→超前地质加固（掌子面化学灌浆+盾尾管棚施作）→掘进支护及后续处置措施→下一循环。

具体步骤如下：

1.超前泄水（泄水洞）兼地质探孔施作

1）超前泄水孔施作

如果地层含水量较为丰富，为保证泄水效果、掌子面前方围岩地质探测尽可能全覆盖及兼顾考虑泄水位置不影响工人正常施工作业，于护盾后方拱腰两侧采用潜孔钻机布打设孔深为35m，偏角12°，仰角15°的泄水孔兼地质探孔（可根据不同机型，适当调整角度、孔深及孔数，以达到泄水效果及地质探测效果为依据）。

2）超前泄水洞施工

参见图1，如果地层含水量极为丰富，泄水孔无法达到良好的泄水效果，则在TBM撑靴后方左、右侧各开设一个泄水洞，泄水洞底面标高为隧道内轨顶面向下0.7m（即泄水洞底面为仰拱预制块面），泄水洞开口与隧道夹角60°，坡度设置为3%～5%，隧道与泄水洞净间距设置为12m；泄水洞正常断面净空尺寸为1.8m（宽）×1.9m（高），泄水洞末端设置6m长加宽段，加宽段断面净空尺寸为3m（宽）×2.3m（高），泄水洞长度60m（对应TBM掌子面前方约20m）。泄水洞采用钻爆法开挖、人工出渣的方式施工。泄水洞施工完成后在泄水洞掌子面向前打设φ90mm/φ130mm泄水孔进行超前泄水。TBM掘进通过第一泄水段后停机进行第二段超前泄水以此循环进行直至TBM通过断层。

采用泄水洞进行超前泄水兼地质探孔，其效果明显较泄水孔更为理想，但泄水洞施工涉及施工组织、工法、机械设备及工期等则较泄水孔施工更为复杂。因此，选择泄水洞进行超前泄水应综合考虑各方面因素，同时各项参数应以具体情况适当调整。

2.超前地质加固

1）掌子面化学灌浆

由于TBM设备的特殊性及刀盘内作业空间狭小的因素，刀盘内采用单节长度为1m的自进式玻璃纤维管作为注浆管，各节之间采用套管连接；参见图2。采用手持式风钻或改造后的气腿式风钻（气腿长度1～1.5m）将玻璃纤维管钻进至松散体内，深度4～5m；然后注化学浆液。

2）盾尾管棚施作

① 盾体区域加固：

为保证管棚施工开孔顺利及避免管棚施作过程中造成盾体区域松散体持续垮塌造成盾体被压死，管棚施作前通过盾尾斜向上按照环向间距1.0m布置注浆管对盾体区域进行注浆加固（以改善盾体区域围岩，形成管棚注浆止浆墙），注浆管打设范围为主作业平台范围（参见图3），前段可呈放射型向两端扩散，用以增大注浆加固范围。注浆管采用Φ42注浆导管（自加工），长度6-8m，如松散体厚度较大，成孔困难时，可利用T-28钻机将前端带有尖锥的小导管顶入。盾体区域注浆加固采用化学浆（布孔间距、注浆管长度可根据设备情况灵活调整，最终以达到盾体区域加固为根本目标）。

②盾尾管棚施作

参见图1、图4、图5，盾体区域加固完成后，自盾尾以外插角10°～15°，环向间距0.3m向掌子面前方施作直径为φ76，长度为35m的管棚4。管棚4采用潜孔钻机打设，当成孔困难或钻杆无法退出时，以钻机钻杆充当管棚（管棚施作范围、长度、直径及角度均可根据钻机型号、作业空间等灵活调整），盾尾管棚除棚护作用外，可利用其进行超前注浆加固，注浆材料选用结石强度高、可灌性好、抗渗性、耐腐蚀等特点的水泥基灌浆材料，一般采用水泥基单/双液浆，如漏浆难以封堵，为避免固结损坏TBM，则需采用化学浆液。

3）化学灌浆

①注浆材料：注浆材料选用聚氨酯类化学浆液，化学浆液分为堵水型及加固型，注浆以加固型为主，如地下水发育，则采用堵水型，现场根据实际情况合理选择化学浆液类型，浆液性能指标如下表所示。

表1 化学浆液主要性能指标表 （堵水型）

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表2 化学浆液主要性能指标表 （加固型）

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②注浆设备：该浆液无需专用计量的储浆设备，以其包装桶作为储浆进料、计量桶即可。注浆泵采用3ZBQS-12/20型气动注浆泵，该型号泵其进气压力为0.4～0.63MPa，由3m³/min的空压机即可带动使用。自动实现1:1体积进料、混料和输出，注浆压力0～3MPa。

③注浆：安装好气动注浆泵，灌浆前进行试运行，系统正常后，停泵，安装灌浆变接头、连接可曲挠管、安装混合器、连接注浆管路，开始灌浆。通常情况下，开灌速度选择中低速，即灌浆泵活塞往复次数在60次/min左右，确认掌子面工作正常、无返浆现象时可适当提高灌浆速度，灌浆泵活塞往复次数可提高到80～100次/min，当灌浆压力升高和有返浆现象时，根据施工情况逐步降低灌浆速度，直到最后达到闭浆条件，停止灌浆。

④注浆结束标准：灌浆结束标准后，对灌浆效果的检查评价以定性评价为主，辅以定量评价。具体方法如下：

Ⅰ掌子面出水已封堵或明显减少；

Ⅱ清理刀盘内和掌子面返浆的发泡浆液，检查返浆面积，利用风镐凿下固结体，判断固结情况；

Ⅲ设置检查验证孔，补灌浆，不进浆则表明该部位灌浆效果已达预期；

Ⅳ根据累计钻孔灌浆量计算单孔延米灌浆量和当次灌浆平均延米灌浆量判断当次灌浆效果。

4）单/双液浆注浆

①浆液配置

表3 浆液配比参数

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②注浆

Ⅰ注浆优先选用单液浆，在漏浆严重情况下施工双液浆；

Ⅱ注浆之前，连接注浆管路，并对管路进行试压力，以此确定管路是否漏浆和空载压力；

Ⅲ注浆时合理确定注浆顺序，先从拱顶部位开始。注浆时密切观察注浆流量、注浆压力及周围初支情况,如出现压力迅速上升而浆液却不易注入或注入量很小的情况，应降低浆液浓度，同时检查注浆管有无堵塞，并加以疏通。

③注浆结束标准

单孔结束标准:注浆压力逐步升高至设计终压，并继续注浆10min 以上，且进浆速度为开始进浆速度的1/4，注浆结束时的进浆量小于20L/min。

3.掘进支护及后续处置措施

1）掘进及支护

①掘进：经评估盾体区域、掌子面前方破碎体加固完成后，采取三低（低推力、低转速、低贯入度）、一快（快速支护封闭）、一连续（连续施工）、宁慢勿停的掘进原则掘进，尽量减少刀盘对地层的振动和扰动，避免TBM卡机受阻。

具体参数及注意事项如下：

Ⅰ采用慢速掘进，刀盘转速控制在3r/min以内，根据刀盘扭矩、电机电流、皮带机压力等参数实时进行刀盘转速调整。

Ⅱ掘进过程中实时观察皮带上出渣量及皮带机压力防止皮带压死造成停机。

Ⅲ掘进时评估出渣量情况，洞外统计详细出渣量用以与理论出渣量对比，若出渣超量即根据情况进行盾尾或掌子面围岩加固。

Ⅳ每循环掘进完成后技术人员进入刀盘查看掌子面围岩情况，并根据围岩情况确定是否进行下一循环超前加固。

Ⅴ每次停机时顶护盾限位块高度安装至最大，防止停机过程护盾压力增大大导致护盾压死，恢复掘进时进行限位块处理预留回收空间，直至通过断层破碎带。

Ⅵ掘进过程中电工、维保工加强对设备的检查、维护，保证掘进连续进行，同时避免在断层中长时间停止导致围岩恶化。

②支护：TBM掘进揭露破碎围岩后满铺φ14钢筋排、HW150拱架采用纵向型钢连接，必要时加密拱架间距之0.45m；撑靴处破碎围岩模筑混凝土（或采用混凝土换填）其余部位应急喷浆封闭；揭露围岩塌腔灌喷回填并预留φ42注浆管注浆回填密实；破碎围岩喷浆封闭后径向钻孔注浆加固。

Ⅰ径向注浆加固：盾尾揭露变形及空腔段段围岩使用风钻按间距2m（环）×2m（纵），打设4.5m注浆孔（可根据破碎层厚度适当调整注浆孔深度及布置间距），埋设φ42mm钢花管进行单液浆/双液浆径向注浆加固。

Ⅱ破碎、软弱岩体置换：揭露围岩撑靴部位为松散堆积体或软弱岩层时无法提供撑靴反力需采用混凝土进行置换。混凝土置换前在撑靴上部0.5m处打设一排φ42小导管，纵向间距0.4m、长度3m（根据围岩情况调整小导管数量）与拱架、拱架连接型钢焊接牢固。加固完成后人工使用风镐、铁锹进行撑靴部位岩体开挖，开挖深度1m（根据围岩软弱程度调整），纵向长度4m,环向长度为撑靴范围上下两端各延伸0.5m。每次置换长度2m，完成一循环混凝土浇筑且初凝后进行下循环软岩置换，直至完成撑靴至护盾间软弱岩层置换。

Ⅲ模筑混凝土：撑靴处围岩松散破碎、存在塌腔、围岩具有一定强度情况下通过模筑混凝土及径向注浆加固的方式进行处理。利用已支护型钢钢架上安装模板（木模），分层浇筑C25混凝土。模板架立时需绑扎牢固，缝隙堵塞严密，防止漏浆，浇筑混凝土时应分层架立模板分层浇筑，分层浇筑时上层需在下层初凝前完成。

2）后续处置措施

TBM通过断层破碎带后，需进行必要的初支背后围岩注浆加固，并加强支护结构稳定性及地下水情况监测，保证隧道结构稳定安全。

①补充注浆加固：TBM区域受设备影响及空间限制，初支背后注浆加固势必存在盲区或不足之处，TBM通过后，需进行补充注浆加固。补充注浆需结合前期施工记录进行，主要加固方式为径向注浆，加固深度根据破碎松散围岩厚度确定，浆液选择一般为普通水泥浆，地下水发育处可采用水泥-水玻璃双液浆，保证初支背后密实。

②地下水监测：初支加固完成后，在出水量较大处，应打设泄水孔保证排水畅通，泄水孔内安装透水盲管，阻止细颗粒渣体随水流失，一是避免初支背后形成水压造成支护结构破坏，二是防止大量细颗粒物质流失形成临空面，发生突涌。施工过程中，应将地下水监测纳入监控量测同时进行，主要观测出水量的大小及变化情况，有无水压，以及是否携带大量泥沙流出。

4.下一循环：当超前加固完成后进行掘进，每次掘进长度根据掌子面围岩情况确定,当加固段掘进完成后围岩破碎垮塌则进行下一循环注浆加固直至通过不良地质段，掘进过程中每循环进入刀盘观察掌子面情况，若出现掌子面坍塌或注浆加固不到位时停机加密注浆。

上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是进行材料及方法步骤的等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (6)

1.一种敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）施作超前泄水孔/洞兼地质探孔：如地层含水量丰富，则于护盾后方拱腰两侧打设泄水孔兼地质探孔；如地层含水量丰富至仅靠泄水孔无法达到泄水效果时，则在TBM撑靴后方左、右侧各开设一个泄水洞，泄水洞施工完成后在泄水洞掌子面向前打设泄水孔进行超前泄水；

（2）超前地质加固：在掌子面使用循环化学灌浆加固软弱破碎围岩；盾体区域注浆加固后施作盾尾管棚；通过盾尾管棚进行超前注浆加固；

（3）掘进及支护：在盾体区域、掌子面前方破碎体加固完成后，慢速且连续不停的掘进；

TBM掘进揭露破碎围岩后满铺钢筋排、拱架采用纵向型钢连接；撑靴处破碎围岩模筑混凝土或采用混凝土换填，其余部位应急喷浆封闭；揭露围岩塌腔灌喷回填并预留注浆管注浆回填密实；破碎围岩喷浆封闭后径向钻孔注浆加固；

（4）后续处置措施：TBM通过断层破碎带后，进行初支背后围岩注浆加固，并监测支护结构稳定性及地下水情况，保证隧道结构稳定安全；

（5）分段循环加固：当超前加固完成后进行掘进，每次掘进长度根据掌子面围岩情况确定；当加固段掘进完成后围岩破碎垮塌则进行下一循环注浆加固直至通过不良地质段。

2.根据权利要求1所述的敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，于护盾后方拱腰两侧采用潜孔钻机布打设孔深为35～50m，偏角10°～15°，仰角10°～15°的泄水孔兼地质探孔。

3.根据权利要求1所述的敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，掌子面化学灌浆前于TBM刀盘内采用单节长度为1m的自进式玻璃纤维管作为注浆管，将其置入松散体内，深度4～5m，然后进行化学注浆。

4.根据权利要求1所述的敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，管棚施作前在盾尾向护盾区域打设注浆管，长度6～8m，环向120°范围内布设，间距0.4m，注化学浆液，以加固盾体区域围岩，同时形成止浆盘，便于超前管棚注浆止浆。

5.根据权利要求1所述的敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，盾体区域加固完成后，自盾尾以外插角15°～20°，环向间距0.3m向掌子面前方施作直径为φ76mm，长度为25～35m的管棚。

6.根据权利要求1所述的敞开式TBM通过断层破碎带的方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，在盾体区域、掌子面前方破碎体加固完成后，采用慢速掘进，根据掘进速度控制推力，低速匀速掘进刀盘转速控制在3r/min以内，根据刀盘扭矩、电机电流、皮带机压力实时进行刀盘转速调整。

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