CN114033407B - 一种不良地质条件下tbm施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种不良地质条件下TBM施工方法，包括下列步骤：地质预报与判识、TBM机载地质预报、超前处置措施、TBM掘进、初期支护、钢管片支护区域施作喷射混凝土，其中超前处置措施包括强烈岩爆段超前处置措施、节理密集带超前处置措施。本发明解决了TBM在不良地质，尤其是在强烈岩爆段和节理密集带因初期支护结构不能及时、快速形成支护能力，容易造成的岩块破坏支护结构、砸坏设备、威胁施工人员、设备安全、降低施工效率的问题。使TBM在不良地质段掘进时，不良地质体刚露出护盾后就可以得到及时且足够的支护，提高TBM施工的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及盾构TBM施工技术领域，具体涉及一种不良地质条件下TBM施工方法。
背景技术
岩爆地层、节理密集带是TBM（Tunnel Boring Machine，隧道掘进机）施工时常遇到的典型不良地质。岩爆是隧道开挖过程中，因岩体聚积的弹性势能在一定条件下突然猛烈释放致使岩石爆裂并弹射出来的现象，一般发生在岩体强度、地应力高，完整性好的硬岩地层中。岩爆会破坏隧道开挖工作面、危及人员和设备安全，是隧道施工面临的重大风险及难题。节理密集带是指岩体节理密集分布的地层，此类地层中岩体呈现碎块状、富水、自稳能力差等特点。
受TBM装备结构固有属性的影响，TBM法施工具有以下特点：一是支护作业的滞后性。从TBM刀盘前端到护盾尾部，这段区域（最短的有6m长）围岩没有支护，直到TBM持续向前掘进，使这段区域出露护盾后才可进行支护。二是支护作业的局限性，由于护盾内部和护盾尾部布置了拱架安装机、锚杆钻机、应急喷射混凝土装置、内置皮带的主梁等大型设备，挤占了有限的空间，致使施作超前钻孔、超前管棚、超前注浆等超前处理措施较为困难。
上述特点造成TBM法施工隧道的初期支护结构不能及时、快速形成支护能力，而是需要一定的周期。隧道初期支护结构一般包含锚杆、钢筋网片、钢筋排、钢拱架和喷射混凝土等主要内容，主要依靠锚杆钻机、拱架安装机和湿喷机等设备施作，这些设备沿TBM轴线依次布置。由于进行喷射混凝土作业的湿喷机距离掌子面80m左右，从围岩出露护盾开始进行支护作业，到完成喷射混凝土作业周期长达1周以上，在此期间，这长度近80m的隧道处于支护能力不足的阶段。
若在地质条件良好的地层，初期支护结构不能及时、快速形成支护能力对隧道施工过程几乎没有影响，若遇到岩爆地层、节理密集带，这些施工特点对TBM施工的不利影响就突显出来了。岩爆地层中，尤其是强烈岩爆会产生大量的岩石碎块；节理密集带本身岩体呈碎裂状，自稳能力差。TBM在上述不良地层掘进时，护盾顶部的岩体碎块大量堆积挤压护盾，会造成护盾收缩，岩体碎块出露护盾后挤压钢筋排等支护结构，会造成钢筋排变形、拱架安装不到位，甚至破坏支护结构，砸坏设备；岩石碎块松散造成锚杆施作困难。此外，岩爆地层中，初期支护作业期内还会发生迟滞性岩爆，会造成支护结构变形甚至损坏。这些问题严重威胁施工人员、设备安全，降低施工效率。
发明内容
本发明针对TBM在不良地质，尤其是在强烈岩爆和节理密集带因初期支护结构不能及时、快速形成支护能力，容易造成岩块破坏支护结构，砸坏设备，威胁施工人员、设备安全、降低施工效率的问题，提出一种不良地质条件下TBM施工方法，使TBM在不良地质段掘进时，不良地质体刚露出护盾后就可以得到及时且足够的支护，提高TBM施工的安全性。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种不良地质条件下TBM施工方法，包括下列步骤：
（1）地质预报与判识：根据当前TBM掘进里程段，结合前期地质勘察报告对TBM刀盘前方地质条件进行预判，初步确定前方可能出现的不良地质类型；
（2）TBM机载地质预报：利用搭载在TBM上的地质预报设备对TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性进行进一步探测，并与前期地质勘察报告结果进行对比，进一步确定TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性，根据岩层特性，调整TBM施工方法；
（3）超前处置措施：当预报TBM刀盘前方待掘进区的不良地质为强烈岩爆或节理密集带时，采用对应的步骤（4）或步骤（5）对不良地质实施超前处置措施；
（4）强烈岩爆段超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，钻孔范围覆盖拱部120°范围，空间允许时增大覆盖范围，直至覆盖整个岩爆区，钻孔外插角5°～9°，从护盾位置向掘进断面外圈扩散，钻孔深度15～50m，孔径89～108mm，孔内注射高压水，提前释放应力；
（5）节理密集带超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，然后向孔中安装超前小导管，利用超前小导管向节理密集带注入水泥浆或化学浆，当达到设计终压并继续注浆10min，进浆速度变为开始进浆速度的1/4，检查孔涌水量小于0.2L/min时结束单孔注浆；
（6）TBM掘进：采用超前处置措施后，TBM在强烈岩爆段和节理密集带不良地质段掘进时均遵循短进尺的原则，TBM平均掘进速度控制在5~10mm/min；
（7）初期支护：当TBM进入已进行预处理的不良地质段掘进时，利用TBM护盾里的多功能拼装机拼装好整环的钢管片；随着TBM往前掘进，利用辅助推进油缸将已拼装好的整环钢管片推出护盾，确保不良地质刚露出护盾即被封在钢管片外侧；
（8）钢管片支护区域施作喷射混凝土：随着TBM持续往前掘进，TBM上的喷浆桥行走到之前安装钢管片的区域，利用喷浆桥对钢管片上未模筑混凝土段施作喷射混凝土。
优选的，在所述步骤（2）中，搭载在TBM上的地质预报设备用来探测岩爆和节理密集带破碎地层，其中采用微震监测的方式探测TBM刀盘前方待挖掘区域岩爆段落的空间位置及岩爆等级，利用HSP探测TBM刀盘前方待挖掘区域节理密集带等破碎地层的空间位置。
优选的，所述步骤（5）中，向节理密集带注入的水泥浆中的水灰比不超过1；所述化学浆为聚氨酯灌浆材料。
优选的，所述步骤（7）中，在钢管片上预留多个锚杆/注浆孔，利用锚杆钻机穿过钢管片上预设的注浆孔施作预应力中空注浆锚杆，再通过锚杆注水泥浆或水泥砂浆固结因强烈岩爆产生的碎裂岩块，同时利用预留的注浆孔注水泥砂浆，填充钢管片和已开挖的围岩周围间隙；利用TBM上安装在多功能拼装机后面的钢模板系统与已安装好的钢管片组成钢模板，在钢管片上TBM的撑靴工作区域模筑混凝土，便于后续TBM撑靴能够正常工作，同时保护钢管片不被撑靴压坏。
在现有技术方案中，TBM在不良地质条件下（强烈岩爆和节理密集带）初期支护的主要结构为钢筋排+钢拱架+喷射混凝土的复合衬砌结构，但这个复合衬砌结构不是一次性就能施工完成，而是分步骤的：首先是施作钢筋排，其次是安装钢拱架（圆环状，与隧道形状一致），最后喷射混凝土。但这种方式存在以下问题：
一是支护能力形成滞后。钢筋排和钢拱架在围岩露出TBM护盾后即可施作完成，但是之后的喷射混凝土作业比较滞后，需要TBM继续往前掘进，直至喷浆桥达到钢筋排和钢拱架支护区，才可施作，以完成整个初期支护结构。受TBM装备结构限制，从钢筋排和钢拱架施作区到喷浆桥之间的距离约70m，不良地质条件下TBM一般需要1周以上的时间才能完成这段长度的掘进工作。这段时间内，这段近70m的隧道是长期处于初期支护结构不完整的时期，存在很大的安全隐患。
二是会产生次生灾害。不良地质段如强烈岩爆，可视为小型地震，主要在TBM施工过程中发生，产生强烈的冲击波和大方量的岩石碎块会冲击、挤压钢筋排+钢拱架支护结构；节理密集带本身结构破碎，自稳能力差。当TBM往前掘进，这些岩石碎块露出护盾后掉落在钢筋排上挤压钢筋排和钢拱架支护结构，当超过其支护能力后就会造成钢筋排+钢拱架变形，甚至损坏。而为了修补受损的钢筋排和钢拱架，需要将原有支护受损区域拆除，重新安装新的支护结构，安全风险极高。
本发明中的技术方案解决了上述两个问题。一是通过预处理方式主动释放部分岩爆地段的能量，或加固节理密集带，提升其自稳性；二是主要利用支护能力更强的钢管片支护结构，快速形成支护能力，即便前期预处理效果不好，当围岩露出护盾后，由支护能力更强的、已形成环状的钢管片支撑破碎岩块、承受岩爆冲击；三是利用钢管片上的注浆孔，快速注浆固结管片外侧的碎裂岩块，使其形成整体提升已成型隧道围岩结构强度，避免隧道产生变形。
附图说明
图1是本发明中采用的钢管片结构示意图；
图2是TBM超前钻机的示意图；
图3是 TBM采用钢管片进行支护的示意图；
图中标号：1为钢管片；2为注浆孔；3为TBM超前钻机；4为TBM刀盘；5为辅助推进油缸；6为TBM护盾；7为多功能拼装机；8为水泥砂浆。
具体实施方式
下面结合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。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。
实施例1：一种不良地质条件下TBM施工方法，包括下列步骤：
（1）地质预报与判识：根据当前TBM掘进里程段，结合前期地质勘察报告对TBM刀盘前方地质条件进行预判，初步确定前方可能出现的不良地质类型。
（2）TBM机载地质预报：利用搭载在TBM上的地质预报设备对TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性进行进一步探测，并与前期地质勘察报告结果进行对比，进一步确定TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性，根据岩层特性，调整TBM施工方法。
搭载在TBM上的地质预报设备用来探测岩爆和节理密集带破碎地层，其中采用微震监测的方式探测TBM刀盘前方待挖掘区域岩爆段落的空间位置及岩爆等级，利用HSP探测TBM刀盘前方待挖掘区域节理密集带等破碎地层的空间位置。
（3）超前处置措施：当预报TBM刀盘前方待掘进区的不良地质为强烈岩爆或节理密集带时，采用对应的步骤（4）或步骤（5）对不良地质实施超前处置措施。
（4）强烈岩爆段超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，钻孔范围覆盖拱部120°范围，空间允许时增大覆盖范围，直至覆盖整个岩爆区，钻孔外插角5°～9°，从护盾位置向掘进断面外圈扩散，钻孔深度15～50m，孔径89～108mm，孔内注射高压水，提前释放应力。
（5）节理密集带超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，然后向孔中安装超前小导管，利用超前小导管向节理密集带注入水泥浆或化学浆，当达到设计终压并继续注浆10min，进浆速度变为开始进浆速度的1/4，检查孔涌水量小于0.2L/min时结束单孔注浆。其中，向节理密集带注入的水泥浆中的水灰比不超过1；所述化学浆为聚氨酯灌浆材料。
（6）TBM掘进：采用超前处置措施后，TBM在强烈岩爆段和节理密集带不良地质段掘进时均遵循短进尺的原则，TBM平均掘进速度控制在5~10mm/min。
（7）初期支护：当TBM进入已进行预处理的不良地质段掘进时，利用TBM护盾里的多功能拼装机拼装好整环的钢管片；随着TBM往前掘进，利用辅助推进油缸将已拼装好的整环钢管片推出护盾，确保不良地质刚露出护盾即被封在钢管片外侧；在钢管片上预留多个锚杆/注浆孔，利用锚杆钻机穿过钢管片上预设的注浆孔施作预应力中空注浆锚杆，再通过锚杆注水泥浆或水泥砂浆固结因强烈岩爆产生的碎裂岩块，同时利用预留的注浆孔注水泥砂浆，填充钢管片和已开挖的围岩周围间隙；利用TBM上安装在多功能拼装机后面的钢模板系统与已安装好的钢管片组成钢模板，在钢管片上TBM的撑靴工作区域模筑混凝土，采用的混凝土标号为C30，便于后续TBM撑靴能够正常工作，同时保护钢管片不被撑靴压坏，参见图1-图3。
（8）钢管片支护区域施作喷射混凝土：随着TBM持续往前掘进，TBM上的喷浆桥行走到之前安装钢管片的区域，利用喷浆桥对钢管片上未模筑混凝土段施作喷射混凝土，采用的混凝土标号为C30。
实施例2：某次节理密集带地层下敞开式TBM施工过程。包括下列步骤：
（1）地质预报与判识：根据TBM当前所在的里程段，结合地质勘察报告预判TBM前方10m处将进入节理密集带地层，地质勘察报告揭示该段节理密集带宽30m，该段地层为喜山期花岗岩，弱风化，节理很发育，整体呈碎块状，为Ⅳ级围岩，施工中易坍塌，需加强支护。
（2）TBM机载地质预报：利用搭载在TBM上的HSP超前地质预报系统对TBM前方节理密集带的分布和里程进行进一步确认。该技术遵循惠更斯-菲涅尔原理和费马原理，前提条件是介质存在差异的波阻抗（密度*纵波速度）。利用溶洞（腔）、软弱夹层、破碎地层、断层、节理密集带、富水构造带等地质体与背景地层存在明显的波阻抗差异，为预报提供了理论基础。该方法利用TBM 刀盘滚刀破岩产生的震动信号作为探测震源，对前方不良地质体进行空间成像，实现预测预报。通过HSP超前地质预报进一步确认TBM刀盘前方8m处就已进入节理密集带，这段节理密集带宽度达到36m。
（3）超前处置措施：当TBM掘进至距离节理密集带约2m的位置时，开始超前预处理作业。利用TBM设备上自带的超前钻机进行超前钻孔，钻孔范围为TBM拱部120°内，各个孔之间的环向间距为50~60cm，孔的轴线与隧道轴线夹角控制在5~9°，钻孔深度为9m。然后向孔中安装超前小导管，利用超前小导管向节理密集带注入水泥浆（水灰比1:1，水泥为42.5R普通硅酸盐水泥，速凝剂掺量为水泥用量的5%），注浆压力控制在0.8~1.0MPa，当达到设计终压1.5MPa后继续注浆10min，进浆速度为开始进浆速度1/4，注满10min后停止注浆。此外，利用TBM刀盘上预留的注浆孔进行超前水平注浆，注浆参数同上。
（4）TBM掘进：在掘进至距离节理密集带地层约2m时，将TBM平均掘进速度由之前的30mm/min降至8mm/min，每掘进6m施作一次超前注浆作业，直至超前注浆作业区长度全部覆盖节理密集带地层。
（5）初期支护：在下一掘进完成后露出护盾的围岩为节理密集带之前的一次超前注浆期间，在多功能拼装机上安装好钢管片抓举头，并安装好1环钢管片（钢管片环宽0.9m，分为8块，分别为5个标准块，2个邻接块和1个楔形块，钢管片之间均采用m28高强度螺栓连接）。随着TBM往前掘进，利用辅助推进油缸将已拼装好的整环钢管片推出护盾，确保节理密集带地层刚露出护盾即被封在钢管片外侧。然后利用钢管片上预留的注浆孔往钢管片与节理密集带地层之间的空隙中注水泥砂浆，填充钢管片和已开挖的围岩周围间隙，按照先底部，后下部两侧，再上部两侧，最后顶部的顺序依次完成注浆。最后利用TBM上安装在多功能拼装机后面的钢模板系统与已安装好的钢管片组成钢模板，在钢管片上TBM的撑靴工作区域模筑混凝土（混凝土强度等级C30）。
重复上述步骤（3）、（4）、（5）直至TBM通过长达36m的节理密集带地层。施工过程中，TBM掘进顺利，钢管片支护结构稳定可靠，未出现以往钢拱架安装不到位或者钢拱架变形的情况。作业人员在钢管片的保护下进行超前注浆和钢管片壁后注浆作业，未出现以往的掉块伤人事故。
本发明采用地质预报方法，能够提供比地质勘察报告更精细的地质信息；针对不同类型的不良地质条件采用对应的超前处置措施，能够缓解不良地质体对TBM施工的不利影像；通过采用钢管片支护方式，突破了现有技术中的传统支护方式的局限性，产生了新的技术效果。以往TBM施工未曾采用钢管片支护，均是传统的钢筋排+钢拱架+喷射混凝土的支护结构；而本方案提出的是钢管片+喷射混凝土支护结构。此外，以往的钢筋排和钢拱架支护结构无法进行注浆固结碎裂岩块，只能等到施作喷射混凝土时，将碎裂岩块、钢筋排、钢拱架和喷射混凝土固结为一体，比较滞后；而本方案可在施作喷射混凝土之前就将碎裂岩块和钢管片固结，提高了支护的及时性，避免了不良地质条件下隧道因支护不及时而产生变形。
上面结合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，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，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 (4)
1.一种不良地质条件下TBM施工方法，其特征在于，包括下列步骤：
（1）地质预报与判识：根据当前TBM掘进里程段，结合前期地质勘察报告对TBM刀盘前方地质条件进行预判，初步确定前方可能出现的不良地质类型；
（2）TBM机载地质预报：利用搭载在TBM上的地质预报设备对TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性进行进一步探测，并与前期地质勘察报告结果进行对比，进一步确定TBM刀盘前方即将挖掘但尚未挖掘的岩层特性，根据岩层特性，调整TBM施工方法；
（3）超前处置措施：当预报TBM刀盘前方待掘进区的不良地质为强烈岩爆或节理密集带时，采用对应的步骤（4）或步骤（5）对不良地质实施超前处置措施；
（4）强烈岩爆段超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，钻孔范围覆盖拱部120°范围，空间允许时增大覆盖范围，直至覆盖整个岩爆区，钻孔外插角5°～9°，从护盾位置向掘进断面外圈扩散，钻孔深度15～50m，孔径89～108mm，孔内注射高压水，提前释放应力；
（5）节理密集带超前处置措施：利用TBM设备上自带的超前钻机或者专用的钻进设备进行超前钻孔，然后向孔中安装超前小导管，利用超前小导管向节理密集带注入水泥浆或化学浆，当达到设计终压并继续注浆10min，进浆速度变为开始进浆速度的1/4，检查孔涌水量小于0.2L/min时结束单孔注浆；
（6）TBM掘进：采用超前处置措施后，TBM在强烈岩爆段和节理密集带不良地质段掘进时均遵循短进尺的原则，TBM平均掘进速度控制在5~10mm/min；
（7）初期支护：当TBM进入已进行预处理的不良地质段掘进时，利用TBM护盾里的多功能拼装机拼装好整环的钢管片；随着TBM往前掘进，利用辅助推进油缸将已拼装好的整环钢管片推出护盾，确保不良地质刚露出护盾即被封在钢管片外侧；
（8）钢管片支护区域施作喷射混凝土：随着TBM持续往前掘进，TBM上的喷浆桥行走到之前安装钢管片的区域，利用喷浆桥对钢管片上未模筑混凝土段施作喷射混凝土。
2.根据权利要求1所述的不良地质条件下TBM施工方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，搭载在TBM上的地质预报设备用来探测岩爆和节理密集带破碎地层，其中采用微震监测的方式探测TBM刀盘前方待挖掘区域岩爆段落的空间位置及岩爆等级，利用HSP探测TBM刀盘前方待挖掘区域节理密集带等破碎地层的空间位置。
3.根据权利要求1所述的不良地质条件下TBM施工方法，其特征在于，所述步骤（5）中，向节理密集带注入的水泥浆中的水灰比不超过1；所述化学浆为聚氨酯灌浆材料。
4.根据权利要求1所述的不良地质条件下TBM施工方法，其特征在于，所述步骤（7）中，在钢管片上预留多个锚杆/注浆孔，利用锚杆钻机穿过钢管片上预设的注浆孔施作预应力中空注浆锚杆，再通过锚杆注水泥浆或水泥砂浆固结因强烈岩爆产生的碎裂岩块，同时利用预留的注浆孔注水泥砂浆，填充钢管片和已开挖的围岩周围间隙；利用TBM上安装在多功能拼装机后面的钢模板系统与已安装好的钢管片组成钢模板，在钢管片上TBM的撑靴工作区域模筑混凝土，便于后续TBM撑靴能够正常工作，同时保护钢管片不被撑靴压坏。
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