CN114135304A - 遭遇溶洞不良地质段的tbm掘进施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，采用三维地震波、激发极化、超前地质钻孔物探与超前钻探长短结合的方式进行超前地质预报，探明TBM施工前方围岩地质特征；通过掌子面玻璃纤维锚杆注浆加固、拱部超前径向超深孔加固和隧底超前管桥施工相结合的超前预加固手段，有效加固TBM掌子面前方范围围岩，保障TBM顺利稳定推进；并通过针对性的初期支护加强、加固措施，同时初支后加强监控量测，保证TBM掘进期间初支体系结构的长期稳定和施工安全，旨在解决TBM在溶洞不良地段施工难度大、容易出现围岩失稳垮塌造成TBM卡机、栽机的技术问题。

Description

遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法

技术领域

本发明涉及隧道工程TBM施工技术领域，具体涉及一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法。

背景技术

随着我国经济建设的蓬勃发展，地面空间的开发已趋成熟，地下空间的开发与利用正处于高速发展的阶段，而地下隧道的开挖正是地下空间建设的重要一环。全断面隧道掘进机(TBM)是一种用于地下工程全断面开挖的机械施工设备，在地下隧道建设中具有施工效率高、安全可靠、施工质量高等优点，根据工程实践经验，当隧道的长度与直径之比大于600时，采用TBM进行隧道施工是经济的，因而在国内外得到越来越广泛地使用。

在我国西南地区岩溶地质分布非常广，该地区隧洞施工中经常遭遇一定规模的岩溶、溶洞地质段，施工过程中常伴随着洞室失稳坍塌、软弱变形、突水涌泥等地质灾害问题，给隧洞施工带来很大的技术难度和安全风险。因此，在西南地区隧洞施工中，TBM经常遭遇岩溶溶洞等极端不良地质，受TBM设备结构形式和施工特点影响，岩溶溶洞段隧洞施工开展难度大，施工工效和施工效果大打折扣，常常会造成工程工期的延误和工程建设成本的增加。

因此，研究开发出的可靠、高效和可广泛推广应用的岩溶溶洞地质隧洞超前预加固处理配合全断面硬岩掘进机安全掘进通过的施工方法具有较强的必要性和重要性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，以解决TBM在溶洞不良地段施工难度大、容易出现围岩失稳垮塌造成TBM卡机、栽机的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，包括以下步骤：

S1，采用出露围岩地质描述、护盾后方顶拱、隧底超前地质钻探、三维地震波法超前地质预报探明隧洞前方范围地质情况；

S2，通过TBM刀盘刀孔、刮渣口向掌子面前方施做4m和6m长度的φ32mm玻璃纤维锚杆，并选用水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯化学灌浆材料注浆；

S3，自顶护盾后方120°范围施做30m长、直径95mm钻孔，安装φ76mm无缝钢管，灌注水泥净浆、水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯化学浆液对顶拱以上部位破碎岩体进行加固；

S4，采用潜孔钻机自TBM底护盾后方钻设φ126mm超前钻孔，安装φ108mm无缝钢管，采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆灌浆，超前加固隧底围岩；

S5，全断面施做φ25mm中空锚杆，间排距1.0m，钢支撑间距为0.3m，所述钢支撑背侧设有φ16mm钢筋排；

S6，自顶护盾后方拱部120°范围内打设φ42mm导管，灌注水泥净浆或聚氨酯化学浆液，对拱部松散体进行固结和回填；

S7，拱部塌腔段埋设φ108mm注浆管，每个断面埋设3个预埋管，排距2.5m，塌腔内回填C20混凝土，厚度≥3m；

S8，在溶腔段不良地段施工时，在掘进断面内每1m布设一组监测点，每个断面共设3组，每12小时进行一次监测。

优选的，所述步骤S1中，所述隧底超前地质钻探为利用TBM搭载的超前钻探机自顶护盾后方向施做2个φ95mm探孔，所述探孔与顶护盾夹角12°，孔深30m。

优选的，所述步骤S2中，所述玻璃纤维锚杆上沿纵向方向设有6mm溢浆孔，所述溢浆孔间距为200mm。

优选的，所述步骤S3中，所述钻孔外倾角为20°～30°，孔间距为1m， 所述水泥净浆、水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯化学浆液比例为1:1～0.5:1。

优选的，所述步骤S4中，所述钻孔的深度为6～8m，孔间距1m，所述水泥浆或水泥水玻璃双液浆灌浆比例为1:1～0.5:1。

优选的，所述步骤S6中，所述相邻钢支撑之间采用H125型钢，环向间距为0.5m。

优选的，所述步骤S7中，所述导管深度为5～8m，环向间距为0.5m，纵向间距为1m，外插角为19～21°，所述水泥净浆或聚氨酯化学浆液为1:1～0.5:1。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

1.本发明通过超前钻探、三维地震波法、激发极化等多种预报方式结合探明了隧洞前方范围地质情况，为TBM掘进施工方案的确定提供了针对性的指导，从而确保施工安全。

2.本发明通过掌子面玻璃纤维锚杆注浆加固、拱部超前径向超深孔加固和隧底超前管桥施工相结合的方式，起到了有效加固掌子面前方范围围岩的效果，有效解决了TBM法掘进超前预加固施工难、效果差的难题，保障了TBM顺利稳定推进，避免了因围岩失稳垮塌造成大的卡机、栽机风险。

3.本发明通过有效的初期支护加固、监控量测及安全管理措施，保证了TBM掘进期间初支体系结构的长期稳定和施工质量、安全。

附图说明

图1为TBM顶拱超前钻探示意图。

图2为TBM隧底超前钻探示意图。

图3为掌子面玻璃纤维锚杆注浆加固示意图。

图4为TBM拱部超前径向超深孔加固施工示意图。

图5为循环管棚断面结构示意图。

以上各图中，1为全断面隧道掘进机，2为顶部超前探孔，3为底部超前探孔，4为玻璃纤维锚杆，5为加长玻璃纤维锚杆，6为循环管棚。

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。

在本发明技术方案的描述中，需要理解的是，如涉及术语“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1：一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，参见图1至图5，包括超前地质预报、超前预加固、全断面隧道掘进机1控制掘进、加强初支护施工、初支护径向注浆加固、全断面隧道掘进机1设备改造、监控量测、施工缺陷处置等施工措施；

S1，采用出露围岩地质描述、护盾后方顶拱、隧底超前地质钻探、三维地震波法超前地质预报的方法探明隧洞前方范围地质情况。

具体实施方式如下：

（1）地质调查：现场踏勘实地查明全断面隧道掘进机1当前施工隧洞地段的山体的自然情况，包括山坡的形态和坡度、河流两岸阶地对称情况、山体垭口和鞍部的分水岭的分布。分析上述自然情况与河流切割、地质构造、岩层分部的关系。

（2）超前钻探：利用全断面隧道掘进机1搭载的超前钻机自顶护盾后方向施做2个φ95mm超前探孔2，超前探孔2与顶护盾夹角12°，孔深30m。完成底护盾后方隧底渣体清理后，在左、右侧位置面向掌子面方向各打设1个深度30m，偏角12°（以实际打设情况为准）的超前地质探孔。

根据钻孔钻进速度的变化、钻孔冲洗液颜色、气味、岩粉及遇到的其它情况来推断隧洞前方围岩的岩性、强度、完整性、溶蚀风化范围、规模等的地质情况。

（3）三维地震波法超前地质预报：三维地震波地质预报是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧洞掌子面前方及周围临近区域的地质情况，可超前探明掌子面前方100m，隧道左右、上下各20m范围的地质状况，具有预报距离相对较长、精度较高等优点，可对隧洞轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面的进行较好效果的探测。

（4）激发极化超前地质预报：激发极化探测方法是以围岩和含水地质构造的电性参数差异为物理基础。通过在掌子面布置一定数量的电极，在掌子面上布置测量电极和供电电极，同时在边墙上布置多圈供电电极。探测时，供电电极供入直流电，测量两个电极间的电势差，从而计算出视电阻率剖面。通过反演计算，得到探测区域围岩电阻率剖面，对含水构造表现为低阻，对完整围岩表现为高阻，从而达到对探测区域地下水分布情况探测的目的。

S2，掌子面超前玻璃纤维管4注浆加固，通过全断面隧道掘进机1刀盘刀孔、刮渣口向掌子面前方施做4m和6m长度的φ32mm玻璃纤维锚杆4，选用水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯化学灌浆材料自玻璃纤维锚杆4注浆，浅孔注浆掌形成掌子面止浆墙，深孔注浆加固掌子面前方堆积体。采用YT-28钻机将玻璃纤维管钻进至掌子面松散体内，由于刀盘内部作业空间狭窄，单节玻璃纤维管长度为1m，采用套管连接。32mm玻璃纤维管钻进前使用手电钻对第一节1m长钻杆延直径相对位置钻设2排6mm溢浆孔，孔间距20cm。选用水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯化学灌浆材料自玻璃纤维管注浆，加固掌子面堆积体，形成掌子面止浆墙。止浆墙形成后再自刀盘内刀孔向掌子面施做6～8m加长玻璃纤维锚杆5，灌注水泥净浆对掌子面前方进行超强固结加固。

S3，拱部超前径向超深孔加固，自顶护盾后方120°范围施做30m长、直径95mm钻孔，外倾角20°～30°，孔间距1.0m，顶管安装φ76mm无缝钢管，灌注1:1～0.5:1水泥净浆、水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯化学浆液对顶拱以上部位破碎岩体进行加固。全断面隧道掘进机1掘进20m后视围岩情况进行下一循环管棚6施工。

S4，隧底超前管桥施工，采用潜孔钻机自全断面隧道掘进机1底护盾后方钻设φ126mm底部超前钻孔3，钻孔深度6～8m，孔间距1.0m，安装φ108mm无缝钢管，设置溢浆孔，采用1:1～0.5:1水泥浆或水泥水玻璃双液浆灌浆，超前加固隧底围岩。全断面隧道掘进机1掘进2m后，施做底部超前探孔3，若围岩条件仍较差，继续按本方案实施下一循环隧底超前加固措施。

S5，全断面隧道掘进机1控制掘进，全断面隧道掘进机1宜保持全断面隧道掘进机1“抬头”掘进的姿态，防止全断面隧道掘进机1在软弱围岩段“栽机”或进入不良地质段后全断面隧道掘进机1持续“低头”掘进垂直方向侵限过大。

全断面隧道掘进机1掘进刀盘扭矩、电机电流较稳定时，采用低推力、低转速、低贯入度的方式掘进，这样能有效地减小对围岩的扰动，从而减小或避免发生塌方。全断面隧道掘进机1掘进刀盘扭矩、皮带机压力波动大时，若刀盘扭矩大、皮带机压力小适当增大刀盘转速；若刀盘扭矩小、皮带机压力大适当减小刀盘转速；若无电机电流超限刀盘停止旋转、皮带压死风险时适当增大推进压力，避免原地空转刀盘出渣导致掌子面垮塌；若刀盘扭矩、速度、皮带机压力均较正常时，适当降低推力减小撑靴压力，避免撑靴压力过大致使周边围岩破碎垮塌。

在超前加固措施完成后试转刀盘，若刀盘无法转动时，人工对刀盘刀孔、刮渣孔、刀仓渣体进行清理，清理至刀盘恢复正常转动，采取“边刀仓内清渣，边掘进”的模式掘进施工。

S6，初支护加强施工，具体实施方式如下：

（1）溶腔段出露护盾后在设计最强锚喷支护类型初期支护的基础上进行加强，全断面施做6m长φ25中空锚杆，间排距1.0m，H150钢支撑间距调整为0.3m，钢支撑背侧密布φ16mm钢筋排。相邻钢支撑间采用H125型钢加强纵向连接，环向间距0.5m。

（2）采用应急喷砼设备喷C25聚丙烯粗纤维砼对初支钢支撑270°范围应急封闭封闭。

（3）隧底90°范围纵向连接前清理虚渣厚度15cm，隧底90°范围内换填改性早强C25混凝土，换填混凝土厚度30cm，混凝土表面与钢支撑内翼缘板齐平。

S7，初支护背侧径向浅孔注浆加固，

（1）自顶护盾后方拱部120°范围内打设φ42小导管，深度5～8m，环向间距0.5m，纵向间距1.0m，外插角约20°，灌注1:1～0.5:1水泥净浆或聚氨酯化学浆液，对拱部松散体进行固结和回填。

（2）两侧撑靴范围打设φ42注浆导管，间距1.0m，长度3.0m，梅花型布置，注水泥浆、水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯灌浆材料对塌腔范围松散岩体进行加固，加固完成后清理撑靴范围溶腔内虚渣，厚度不小于1m，喷C25聚丙烯粗纤维混凝土回填，喷射混凝土面与拱架内翼缘板齐平。

S8，初支护背侧灌浆回填施工，

（1）拱部塌腔段埋设φ108mm注浆管，每个断面埋设3个预埋管，排距2.5m，预埋管长度根据出露塌腔深度随机确定，塌腔内回填C20混凝土，厚度不小于3m。

（2）根据溶洞发育情况从顶拱处预设φ108mm无缝钢管顺溶洞发育走向至隧洞底部作为排水通道，间排距2.0m，管口采用钢筋网封闭防止松渣堵塞管口，对应隧洞底部回填区采用钻机造孔，保证排水流畅。

S9，监控量测，在溶腔段不良地质段施工期间持续进行变形段围岩监控量测，根据监测数据变化及现场围岩观察情况调整监测频率。在监控量测作业指导书及监控量测方案要求基础上，加密布设量测点，在掘进断面内每1m布设一组测点（存在不利组合结构和软弱夹层部位或结构面抗剪强度较低部位加密设监测断面），每个断面3组（拱顶及两侧拱腰）。每12h进行一次监测。在取得监测数据后，由监测人员整理分析监测数据。发现变形异常时，及时采取相应的措施。

监测管理采用变形总量、变形速率、初期支护表观现象和变形时态曲线等4项对隧道施工安全进行综合等级管理。变形总量与变形速率应控制在管理等级范围内，及时巡视观察初支表观有无异常，同时结合变形时态曲线形态进行综合分析处理。

S10，施工质量控制，

（1）质量标准严格执行正洞全断面隧道掘进机1施工刚性质量管理办法。

（2）钢拱架应与岩面密贴，拱架与钢筋排焊接牢固，拱架背后空腔必须采用喷砼或注浆回填密实。

（3）回填注浆管伸入塌腔体内，靠近岩壁，保证注浆饱满。

（4）注浆前完成塌腔及松散体封闭，注浆过程中如有漏浆需进行封堵。

（5）拱架各连接部位连接螺栓必须紧固到位，同时脚板周边满焊，拱架之间纵向连接必须焊接牢固且间距符合要求。

（6）进行盾尾围岩临时加固时，拱架竖撑需与拱架密贴并连接紧固，纵向连接横撑。

（7）进行围岩超前加固时严格按要求控制管棚角度、间距、范围保证成型管棚具有较好的棚护作用。

（8）注浆作业时水泥浆搅拌好放入储浆桶后，在吸浆过程中要不停地搅动，注意防止浆液离析，影响配比参数。

（9）注浆过程中，如发生其它孔串浆，可关闭该串浆孔继续注浆，但若发生频繁时，应加大钻孔与在注浆孔的间隔或钻一孔注一孔，减少串浆现象。

（10）值班工程师加强过程管控，保证施工质量符合管理要求。

S11，施工安全控制，

（1）成立专职地质组，配备专职地质工程师，做好地质描述和超前地质预报，提出对策和措施。施工中工程师指导和督促各种措施、技术交底的落实，保证标准化作业。施工过程中，地质工程师轮流值班，及时发现地质变化情况，制订特殊地段的施工方法和可靠的措施并严格实施，监控指导现场施工，科学组织、合理安排、严格管理、确保安全。

（2）防坍塌：通过超前地质预报对前方地质情况做出判断，制定相应的施工方法和合理的支护参数。

（3）加强施工监控量测信息反馈，为施工提供及时、准确的信息，及时对指导施工的技术方案进行调整，保证施工安全进行。

（4）在施工过程中，持续监控风险应对措施的效果，及时评估分析改善施工方案，逐步减少风险的危害。

S12，全断面隧道掘进机1设备改造，受全断面隧道掘进机1掘进姿态下沉及初支变形的一定影响，初支净空局部侵限，全断面隧道掘进机1后配套设备通过难度大，须对全断面隧道掘进机1后配套较高的设备进行尺寸缩小改造，以保证全断面隧道掘进机1设备顺利通过。

S13，开挖初支护侵陷处理，全断面隧道掘进机1掘进通过溶腔断层段后测量复核开挖轴线、扫描初支断面，根据隧洞开挖轴线和初支变形数据，采用人工配合小型机械扩挖倾限隧洞、替换初支体系，确保隧洞初支净空满足设计尺寸要求。

实施例2，滇中引水工程香炉山隧洞7#施工支洞TBM掘进施工

2020年11月20日～2021年2月2日，滇中引水工程“云岭号”TBM在香炉山7#施工支洞X7K1+813～X7K1+846区间掘进施工过程中遭遇巨石填充性特大溶洞地质。TBM掘进前方隧洞围岩受全填充溶蚀构造和大倾角张裂断裂破碎带交织影响，掌子面和隧洞拱部围岩无法自稳，受TBM掘进刀盘扰动持续垮塌堆积在刀盘前方，形成散土夹块石坡状溜坍体，施工过程中块石卡在刀盘刮渣口，造成TBM频繁卡机受困，且拱部大规模塌腔体严重影响隧洞整体结构稳定性，给该段隧洞支护造成较大安全风险。

TBM采用该发明方案掘进施工，历时84日，TBM安全稳步掘进通过溶腔不良地质段。

实施例3，滇中引水工程香炉山隧洞TBM掘进施工

2021年7月18日～2021年9月2日，滇中引水工程“云岭号”TBM在香炉山隧洞DLⅠ55+750～55+843区间掘进，遭遇芹菜塘断裂带，区间隧洞埋深856～874m，主要以泥岩、碳质泥岩为主，岩体破碎，区间发育多个溶腔地质段，隧洞施工稳定性差、失稳垮塌、软岩变形问题。

TBM采用该发明方案掘进施工，历时47日，TBM安全稳步掘进通过溶腔不良地质段。

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，或者是对相关部件、结构及材料进行等同替代，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 (7)

1.一种遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，采用出露围岩地质描述、护盾后方顶拱、隧底超前地质钻探、三维地震波法超前地质预报探明隧洞前方范围地质情况；

S2，通过TBM刀盘刀孔、刮渣口向掌子面前方施做一定长度的玻璃纤维锚杆，并选用水泥—水玻璃双液浆或聚氨酯化学灌浆材料注浆；

S3，自顶护盾后方120°范围施做钻孔，并安装无缝钢管，灌注水泥净浆、水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯化学浆液对顶拱以上部位破碎岩体进行加固；

S4，采用潜孔钻机自TBM底护盾后方钻设超前钻孔，安装无缝钢管，采用水泥浆或水泥水玻璃双液浆灌浆，超前加固隧底围岩；

S5，全断面施做中空锚杆，所述钢支撑背侧设有钢筋排；

S6，自顶护盾后方拱部120°范围内打设导管，灌注水泥净浆或聚氨酯化学浆液，对拱部松散体进行固结和回填；

S7，拱部塌腔段埋设注浆管，每个断面埋设一定数量的预埋管，排距2～3m，塌腔内回填C20混凝土，厚度≥3m；

S8，在溶腔段不良地段施工时，在掘进断面内每隔一定距离布设一组监测点，每个断面共设2～4组，每隔一定时间进行一次监测。

2.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S1中，所述隧底超前地质钻探为利用TBM搭载的超前钻探机自顶护盾后方向施做2个φ95mm探孔，所述探孔与顶护盾夹角12°，孔深30m。

3.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S2中，所述玻璃纤维锚杆上沿纵向方向设有6mm溢浆孔，所述溢浆孔间距为200mm。

4.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S3中，所述钻孔外倾角为20°～30°，孔间距为1m， 所述水泥净浆、水泥-水玻璃双液浆或聚氨酯化学浆液比例为1:1～0.5:1。

5.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S4中，所述钻孔的深度为6～8m，孔间距1m，所述水泥浆或水泥水玻璃双液浆灌浆比例为1:1～0.5:1。

6.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S6中，所述相邻钢支撑之间采用H125型钢，环向间距为0.5m。

7.根据权利要求1所述的遭遇溶洞不良地质段的TBM掘进施工方法，其特征在于， 所述步骤S7中，所述导管深度为5～8m，环向间距为0.5m，纵向间距为1m，外插角为19～21°，所述水泥净浆或聚氨酯化学浆液为1:1～0.5:1。

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