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1、TBM通过断层破碎带的施工技术王梦恕 王占山(中铁隧道集团有限公司 洛阳 471009)摘 要 对TBM快速通过断层破碎带的技术进行了阐述；介绍了可能遇到的各种不利情况及其处理措施。关键词 TBM 断层破碎带 快速通过 处理措施1 概述TBM由于其高效、安全的优越性能,近年来得到愈来愈多的应用,但其对断层破碎带等不良地质条件的适应性较差。这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响,不仅可能导致TBM掘进作业时间利用率降低,甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况。必须采取有效的措施,否则处理不当就会给施工带来严重后果。我国云南天生桥水电站引水隧洞、意大利戈森萨铁路隧道以及奥地利坎波罗索铁路
2、隧道在TBM通过断层带时都遇到TBM刀盘被卡住的事故,造成长时间的停机。中铁隧道集团在摩沟岭隧道工地施工时,也出现了TBM被卡20多天的教训。TBM施工有其自身的特点。在切削岩石时其对围岩的扰动比钻爆法要小,但初期支护不如钻爆法及时;初期支护前岩石暴露时间长,极易发生危石损伤设备的事故,这就需要根据设备分布位置,选择合适时机进行及时支护,必须合理布置初期支护设备位置,其支护能力必须承受全部地层荷载,所以在进行初期支护方面没有钻爆法机动灵活。对TBM的这些特点,我们在断层破碎带施工时必须给以很好的考虑。2 断层破碎带对TBM施工的影响断层破碎带会对TBM施工造成很不利的影响,主要有:a. 开挖后
3、工作面及拱顶坍塌,剥落。将TBM刀盘埋入,刀盘旋转困难。b. 开挖面及边墙坍塌,撑靴支撑力不够,不能提供TBM掘进所需的足够的支反力。c. 给喷锚支护带来困难。d. 围岩软硬不均,刀盘旋转时易产生震动,影响刀具的使用寿命,增加刀具消耗。e. 当围岩软硬不均时可能会引起TBM机体的摆动增加。给掘进方向的控制带来困难。f. 如存在涌水则会由于水压作用,工作面发生坍塌,涌水淹埋刀盘及机体,增大刀盘的旋转扭矩;水的作用造成侧壁坍塌,支撑靴无法支撑;涌水淹没机体等。3 通过断层破碎带的主要辅助设备采用合适的设备来快速、安全通过断层破碎带等不良地质地段是至关重要的。目前主要的设备有超前钻机、锚杆机、环梁安
4、装器等。这些设备一般安装在掘进机的头部、刀盘支撑体后面、大梁顶部,以便在掘进过程中一旦发现险情就能及时利用他们进行处理。我国天生桥水电站引水隧道开挖时,引进了美国罗宾斯公司的10.8m直径的掘进机,同时引进了与之配套的三大设备:超前钻机、锚杆机、环梁安装器。秦岭隧道施工时,为顺利通过断层破碎带,在WIRTH TB880E型开敞式掘进机上也装备了超前钻机、锚杆机、环梁安装器等设备。超前钻机能在护盾外边以6仰角在刀盘上部84的区域内进行探测钻进或预注浆加固岩层。前部锚杆钻机可在150的顶部区域内钻孔,后部锚杆钻机可在两边壁各90范围内钻孔。锚杆钻机钻孔深度达3.5m,孔径38mm,水平移动距离3.
5、8m。环梁安装器允许在TBM掘进机在刀盘护盾后进行钢拱架的组装和安装。同时,为防止落石危害施工人员和设备,掘进时在护盾外缘安装了长90cm的指点形护盾,另外又在护盾下缘焊接了一排钢管,可利用它进行超前锚杆支护。4 通过断层破碎带和处理措施超前地质预报超前预加固（需要时）掘进支护当要通过断层破碎带时,我们一般按以下步骤(图1)进行施工,并根据断层破碎带的具体情况采取不同的措施。图1 通过断层破碎带的步骤具体的步骤和措施为:a. 掘进前:超前地质预报的预测,以确定破碎带边缘、长度、破碎程度以及含水情况等。根据破碎带的不同情况采取不同的处理措施。对于轻微破碎地段,对TBM不会造成影响时,可不进行处理
6、:对于一般的破碎地段,采用先掘进,再处理的办法;对于严重破碎地段,掘进机无法施工时,停止掘进,用TBM所配的钻孔注浆设备进行超前加固,然后打超前钻孔检查,证明可行时再向前掘进并进行处理。如破碎段长,且破碎严重,一般加固仍无法使用TBM顺利通过时,可用钻爆法开挖成洞,TBM随后跟进通过。b. 掘进时 合理选用TBM掘进参数。在不同的地质条件下,TBM所需要的推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴支撑力等掘进参数是不同的。在TBM通过断层破碎带时,可适当减少TBM的掘进速度、刀盘转速等掘进参数,这样能有效地减小对围岩的扰动,从而减小或避免发生坍方,使TBM安全通过。 同时,要根据掘进中部分掘进参
7、数的相对变化,了解前方围岩的变化情况(例如通过推进压力的大小可推知围岩强度情况,通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况),从而及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施,使TBM快速、安全通过。 c. 掘进后 加强支护。对一般破碎地段,可采用喷混凝土或喷纤维混凝土、局部加锚杆喷纤维混凝土的支护措施;对严重破碎地段,可采用架设钢拱架、挂网、喷射混凝土或纤维混凝土的支护措施。4.1 超前预报与预测 由于地质勘探的局限性,掘进机在隧洞掘进中往往会遇到一些地质图上没有反映出来的不良情况。为了进一步探明掘进机前方断层破碎带的确切情况,应积极开展工程地质超前预报工作,以便详细掌握断层破碎带的情况,从而采取合
8、理的措施。 目前,其常用的方法有:a. 利用TBM上配备的超前钻机;b. 利用超前预报系统(如地震地质预报系统TSP);c. 利用平导地质情况推断;d. 利用出露的岩石、出碴的情况以及掘进时的异常情况进行判断等。 在秦岭隧道施工中,通过TBM自带的超前钻机(超前探测2030m)和TSP202超前地质探测仪进行了超前地质预报,并通过II线平导以及出露的岩石、出碴的情况和掘进时的异常情况对前方地质情况进行了综合判断,较好地探明了前方破碎带的情况,为TBM顺利通过奠定了基础。4.2 预加固 根据前方的地质情况判断是否适合TBM掘进,若适合,则继续向前掘进;反之,则需对前方不良地质地段进行加固,或采用
9、其它方法通过。如与其它方案在工期、经济性等方面进行比较后认为预加固方案可行,则利用TBM直接向前方断层破碎带等不良地质地段进行加固处理。可利用TBM所配备的超前钻机,结合TBM自身配备的注浆设备,对隧道前方断层破碎带的围岩进行超前预注浆和超前管棚注浆加固。在钻孔前,为防止掌子面出现围岩坍塌和漏浆,可利用TBM自身配备的喷射系统在刀盘开挖后喷射一层混凝土,但严禁刀盘后退以防塌落卡死刀盘。在进行注浆前,先用水冲洗钻孔,注浆时,为防止串浆和漏注,可先从两侧的钻孔向拱顶对称注浆。注浆参数应根据围岩的工程地质和水文地质(如围岩孔隙率、裂隙率、渗透系数、涌水量、水压等)并结合试验来选择确定。 4.3 对坍
10、塌的处理 根据坍塌规模的大小采取不同的措施。 a. 小规模坍塌 作业面顶部和面部发生若干坍塌或小范围的剥离,但不扩大;刀盘护盾与岩壁间有小块石头掉下,拱部或侧壁发生小坍塌,但没有继续发展扩大的迹象。掘进正常,推力、扭矩变化不大,机械(尤其主机区域)没有异常的振动和声响,碴均匀集中,偶尔混有大块岩碴。可采用如下的支护措施:撑靴以上部位挂钢筋网、打系统锚杆,视情况架立钢拱架。 b. 中等规模坍塌 作业面剥落严重,拱顶严重坍塌或局部剥落,但刀具还可运转;撑靴部位坍落严重,垫衬、倒换困难:护盾与岩壁间落下大量石块。掘进时机械振动较大,有异常的噪音,推力有减弱的倾向,扭矩增大,并有上下变动的倾向,皮带输
11、送机上大块增多,伴有少量细碴,碴堆忽多忽少,不均匀。可采用以下支护措施:利用手喷混凝土系统向坍塌处喷射混凝土,及时封闭围岩,减少岩石暴露时间。安装全圆钢拱架,拱架安装前先在撑靴以上部位挂钢筋网。打注浆锚管,以提高撑靴的承载能力。 c. 大规模坍塌 拱顶及洞壁发生大面积坍塌,且发展很快以致于常规施工方法无法控制;从护盾边缘观察拱顶坍塌很深,大量石块从护盾与岩壁之间落下,坍塌向后部区域扩大;撑靴撑着的洞壁部位大量坍落,从而不能取得反力,无法换程。掘进时机械振动特别大,在主控室即能听到掌子面发出的巨大声响。推进时,扭矩变得很大,刀具旋转困难或不能旋转;岩碴大量产生,发生堵塞,严重时刀盘被石块卡住,无
12、法旋转,碴中以大块为主,几乎没有细碴。可采用如下支护措施:TBM停止掘进,采取辅助对策,从TBM后方打探孔,在坍塌部位注浆,除去坍塌处的土碴,并用细石混凝土等充填,并架立钢拱架支护。 如引黄入晋工程,在通过一般断层破碎带时采用了如下措施:对于较小断层、破碎带: a喷混凝土,b锚喷,c锚喷+钢筋网;如遇较大的断层、破碎带则施做喷锚网并安装12号槽钢预制环形钢支撑,当塌方卡死TBM时,从TBM上方做一导洞,进入TBM刀盘前方进行钻爆法处理和注浆,然后再启动TBM通过处理段再掘进。 秦岭隧道在通过fsnll、fsnl2较大断层时,采取了以下施工措施:停止掘进,利用超前钻机预注浆加固处理岩层,但钻机未
13、试用成功,只有立钢拱架支护。由于坍塌厉害,拱架严重变形,部分拱架侵入衬砌净空超过5cm。主机通过后先清完钢筋网上虚碴,剪开钢筋网,在坍塌处纵向加设工字钢支撑,环向布设钢筋网,并利用岩石间隙纵横穿插22钢筋,与钢筋网焊接,形成钢筋骨架。在原钢拱架上立模灌浆,在坍塌处形成一封闭钢筋混凝土拱。待混凝土凝固后,割断拱架,凿除侵入界限的混凝土,重新安装钢拱架。 另外,断层破碎带的喷射混凝土非常重要。手喷混凝土时必须做好相关设备的防护工作,避免混凝土回弹料污染主机设备。喷射混凝土必须从填充岩面空洞、裂缝开始,在钢拱架地段,钢架与围岩之间空隙必须用喷射混凝土填充密实。4.4 TBM在软弱破碎地层撑脚处的围岩
14、加固技术TBM掘进时,支撑靴支撑着设备的重量并将推力和刀盘扭矩的反力传递给边墙岩壁,当边墙岩壁强度足以承受支撑靴压力时,TBM方可正常掘进。因此,对小范围的边墙坍方,可通过锁死部分支撑靴,减小对围岩的支撑压力,同时相应地减小TBM推力、推进速度,在TBM不停机的情况下通过坍方地段;如果边墙相对软弱,可在支撑靴处加垫枕木垛增大接地面积,然后通过。当隧道边墙发生较大的坍方或边墙围岩强度不足以承受撑靴压力,而以上措施又不能奏效时,可先停机,在撑靴处打数根注浆锚管,注浆后提高地层承载力;也可在采用喷锚网+钢拱+灌注混凝土的联合支护方式进行处理后再掘进。4.5 软弱地带下沉处理根据前方地质情况,如判断可
15、能发生下沉并且施工中简单处理仍可能发生严重下沉时,可预注浆加固处理,达到一定的强度后再掘进通过。如在掘进中发生TBM下沉,则将TBM后退到断层软弱区外,后退前应对开挖面及开挖段进行初期支护,以防塌落。然后装上枕木垛,用千斤顶对TBM进行姿态校正,之后再浇注混凝土置换,为使混凝土能承受撑靴的压力,混凝土必须浇注至起拱线。 4.6 断层破碎带涌水的处理 TBM掘进时,突发涌水会给施工带来严重影响,甚至危及人员及财产安全。因而,处理方案应坚持的原则为:预测先行,预防为主;防微杜渐,确保安全。一般可采用以下步骤、措施: a. 掘进前:打超前钻孔,可结合破碎带探孔,探测钻孔出水量、水压;确定涌水点里程。打超前放水孔进行放水,放水过程中,时刻观察水压及水量变化,如水压减小,在做好排水系统的条件下,TBM继续掘进。如排水孔水压及水量不减,开挖后会造成工作面及侧壁坍塌或排水设施跟不上,必须采用注浆堵水。 b. 掘进后:对工作面的涌水或注浆后的剩余水量及时排离工作面。对侧壁的漏水采用挡遮、引排措施,保证喷混凝土质量。喷混凝土后,由于水压升高,有可能使一次支护破坏,则采用引排方法或壁后注浆法封堵。当水压过高,水量过大时,采用围岩注浆,将水填堵在围岩内部。 秦岭隧道I线工程出口段,对于断层破碎带的涌水采取了以下处理措施:
