TBM不良地质地段施工技术

2010-03-21宋涛

湖南水利水电 2010年4期

关键词：钻机间距钢管

宋涛

（辽宁省水利厅沈阳市110003）

1 超前地质预报

（1）TSP、HSP、BEAM等方法超前预报。

临近不良地质地段前，及时向监理工程师申请，进行超前地质预报，提前了解前方的地质状况，主要采用TSP、HSP、BEAM等方法，必要时申请进行超前钻孔取岩芯。

（2）不良地质情况综合判别。

不良地质体在被揭露之前往往表现出一些明显或不明显前兆标志，这些标志的出现，预示着隧洞即将临近不良地质体。预测短距离地质情况可根据掌子面出露的岩石情况、皮带机上渣料的粒径大小、形状，地下水的渗漏、掘进机参数的变化等进行综合判断。

●断层破碎带前兆标志：节理裂隙组数及密度剧增、岩石强度降低、出现碎裂岩、岩石风化相对强烈、泥质含量增加等。对于较大断层破碎带，TBM在掘进过程中，机械振动加大，在主控室即能听到掌子面发出的巨大声响。严重时刀盘被石块卡住，无法旋转，岩渣不均，渣中大块较多，掘进过程中没有切削细渣。

●突水、突泥前兆标志：节理裂隙组数增加、渗水量增大、且常常含有泥质物或浑浊。

地质工程师、1#皮带机观察人员、TBM操作工程师在掘进过程中，一旦发现上述情况，马上向现场当班工区主任和支护班长反映情况，当班工区主任和支护班长马上采取相应的措施，及时支护。原则上不良地质地段采取保守的支护措施。

2 合理调整掘进参数

不良地质地段TBM掘进参数的合理匹配，能够减少对围岩的扰动，减轻或防止围岩出现坍塌，保证顺利掘进。一般情况下，推进速度开始为20%，待围岩变化趋于稳定后，推进速度可上调到45%左右，并控制推力，通常推进速度不能大于2.4 m/h，控制贯入度指标在10 mm/r以下，特别破碎情况下，不能大于1.0 m/h；严格观察和控制驱动电机电流和扭矩变化范围；刀盘转速要适当降低，特别破碎情况下，控制在4.0 rpm以下，达到1#皮带机输出的岩渣料流较少，且不连续的状态。

3 不良地质段施工处理措施

3.1 断层破碎带处理措施

（1）较小断层破碎带处理。

TBM掘进过程中，对较小断层处理，撑靴以上紧贴岩面挂Φ8@100 mm×100 mm或Φ8@150 mm×150 mm钢筋网;打系统锚杆（Φ22、L=2.5 m），锚杆间距（0.8～1.0）m；视情况架立Ⅰ16拱架，间距（1.1～1.2）m，拱架之间打入长锚杆。每环钢拱架由五节弧形构件组成，按照设计尺寸制作，每节钢拱架端部焊连接钢板，相邻端板采用M20螺栓连接，在2榀拱架间，采用Φ22 mm纵向连接筋（纵向连接筋顶拱间距1 m，仰拱和边墙间距1.5 m），钢拱架接头处施作锁脚锚杆，钢架与锚杆焊牢，将钢架锁定到洞壁上。钢拱架应紧贴岩壁，有间隙时按2 m间距设楔形块挤紧，拱架与坍塌围岩间设型钢支撑。

必要时，立即进行喷射混凝土，及时封闭岩石。

（2）刀盘顶护盾上方围岩塌腔处理。

开挖后刀盘顶护盾段上方围岩出现部分崩塌或局部掉块时，主要采用Φ22、L=2.5 m锚杆，挂钢筋网（Φ8 100 mm×100 mm），将锚杆头与钢筋网焊接为一整体，再喷射混凝土。

开挖后围岩在刀盘或刀盘顶护盾处出现较大坍塌时，必须停机处理。先人工采用长6 m的4”钢管清撬护盾顶部危石，再进行人工超前喷混凝土（将随机安放在材料平板小车上的干喷机沿轨道推到第一节主梁下部），随后架立I16环形钢拱架（间距0.6 m），施作系统锚杆（Φ25 L=3.0 m间距0.8 m），并在钢拱架与围岩之间铺设焊接1.5 mm厚钢板封闭塌腔，然后铺设焊接钢筋网（Φ8 150×150 mm）便于喷射混凝土施工，再用Φ22钢筋纵向焊接在相邻钢拱架之间支撑上面的钢板和网片（特殊情况下可采用型钢纵向焊接），环形拱架随刀盘前进，逐榀架立，从钢板预留的灌浆口回填C25混凝土至钢板与塌腔围岩之间，回填密实使塌腔与周围岩石连危一体，待混凝土初凝稳定后，重新开始掘进。

（3）刀盘侧护盾两侧出现围岩塌腔。

TBM刀盘侧护盾两侧岩石坍塌、掉落，一般小面积的软弱结构，调整掘进参数TBM就可顺利通过；如果岩石特别破碎时，应该视情况，采取打锚杆、挂网、喷射混凝土，确保撑靴稳固支撑，顺利掘进。

当两侧发生较大坍塌时，造成TBM撑靴无法支撑，必须停机处理：

方案一、首先清理危石，利用临时安放在材料小车上的干喷机对塌腔及其周围喷100 mm厚混凝土，然后架立I16钢拱架(间距0.6 m～1.2 m)，在拱架与塌腔之间用1.5 mm厚钢板封闭，用棉纱封堵漏洞，再用C25混凝土回填塌腔，使回填混凝土与围岩连成一体，密实后整个钢板外围焊接钢筋网（Φ8 150 mm×150 mm），再喷射（80～120）mm厚混凝土，待混凝土初凝后方可掘进（必要时可在混凝土中掺加速凝剂，减少等强时间）。

方法二、人工清理危石后，利用临时安放在材料平板小车上的干喷机对塌腔极其周围喷100 mm厚混凝土，间隔（0.6～1.2）m安装短格栅与锚杆焊接，短格栅间焊接钢筋网（网格150 mm×150 mm），要求钢筋网帖靠喷射混凝土表面,再次喷射混凝土(80 mm～120 mm厚)将钢筋网埋入,向塌腔内填塞砂袋，确保撑靴稳固支撑，顺利掘进后，再将填塞砂袋取出，重新采用机械手喷射一定厚度的混凝土。

（4）较大断层破碎带或Ⅴ类围岩处理。

较大断层破碎带及Ⅴ类围岩处理措施：根据超前地质预报的成果，结合掘进过程中观察到的各种不良现象进行综合分析，确认处于较大断层破碎带或Ⅴ类围岩地段时，应本着保守支护的原则，采用超前处理的措施。利用TBM配备的锚杆钻机在拱部120°范围内布设超前锚杆Φ25、L=6.0 m；围岩十分破碎时，可选用超前小导管注浆或管棚等方法进行超前支护。随TBM掘进，人工清理局部危石，人工先在洞壁上喷一层C25混凝土，厚100 mm，尽早封闭围岩。利用钢拱架安装器布设I16钢拱架，间距为0.6 m；钢筋网采用Φ8@100 mm×100 mm；再利用锚杆钻机在环向240°范围内（人工采用手风钻实施下部120°范围）布设系统锚杆Φ25、L=3.0 m，间距0.8 m；混凝土喷射机械手在隧洞环向320°范围内自下而上复喷C25混凝土至设计总厚度（160 mm）。如果底部岩石也破碎，应及时封闭仰拱。

3.2 超前支护

在Ⅳ类、Ⅴ类围岩等自稳时间较短的不良洞段施工时，需进行超前支护。超前支护的方法视不良地质情况有超前锚杆、超前小钢管支护、超前小导管注浆加固、管棚支护。具体施工方法如下：

（1）超前锚杆的施工方法。

超前锚杆一般布置在拱部120°范围内，必要时也可在边墙局部布置，沿指型护盾间钻孔。与钢拱架配合使用，其尾部一般置于钢拱架腹部，或在系统锚杆尾部设置环向钢筋，将超前锚杆尾部与环向钢筋焊接牢固。

超前锚杆采用“先注浆后安装锚杆”的程序进行施工。沿开挖轮廓线测量放点后利用TBM上配备的锚杆钻机钻孔，超前锚杆采用Φ25钢筋，锚杆长度为6 m，钻孔孔径为42 mm，外插角10°，超前锚杆环向间距（30～40）cm，钻孔后采用早强水泥砂浆进行满孔注浆，并立即将锚杆插入孔内至孔底，在孔口安装好托板进行固定。锚杆尾部外露长度约（100～150）mm，超前锚杆尾部置于钢拱架腹部，或设环向钢筋将超前锚杆固定，以加强支撑。超前锚杆纵向两排的水平投影搭接长度不小于1.0 m。见表1、附图。

表1 超前锚杆布设参数表

附图超前锚杆施工方法示意图

在岩石很破碎情况下，须用迈式锚杆超前施工，它集钻、注、锚于一体，解决常规锚杆钻锚时的塌孔问题，能够保证复杂地质条件下的锚固质量。

迈式锚杆超前支护施工方法：

①施工前，沿开挖轮廓线环向间距30 cm标出锚杆位置。

②检查锚杆中孔无异物堵塞后，将钻头安装在锚杆一端，另一端通过套管连接在TBM配备的锚杆钻机上，对准掌子面前方标出的钻位采用锚杆钻机钻孔。

③钻至设计深度后，用水或高压风清孔，确认畅通后，卸下钻杆连接套，保持钻杆外露长度（10～15）cm。如锚杆加长，用连接套将打入的锚杆与待接锚杆连在一起，然后继续钻进，直到设计深度。

④钻孔结束后，卸下钻机，安装止浆塞，通过锚杆外露端将其打入孔口30 cm左右。

⑤注浆时用随机安放在材料平板车上的型号SGB6-10灌浆泵和浆液搅拌机，灌注水泥砂浆，水泥砂浆水灰比1∶1～0.8∶1。

⑥开动注浆泵注浆，浆液通过锚杆的中空部分注到前端，然后沿周围空隙倒流回杆尾，直至浆液从孔口周边流出或压力表达到设计压力位置（注浆终压1～2 MPa）。

⑦一根锚杆注浆完成后，迅速卸下注浆管及锚杆接头，清洗后移至下一锚杆使用。若停泵时间较长，则在下根锚杆注浆前放掉注浆管内残留灰浆。

（2）超前小钢管施工方法。

超前小钢管布置在节理裂隙较发育的洞段或围岩含夹层的洞段中。

①超前小钢管布设参数。

超前小钢管采用直径Φ32钢管，长度6.0 m，沿开挖轮廓线环向布置，环向间距:Ⅳ类围岩（40～50）cm，Ⅴ类围岩：（30～40）cm，外插角10°。

②超前小钢管安装。

超前小钢管钻孔孔位沿开挖轮廓线测量放点，沿指型护盾间钻孔。孔径为32 mm。小钢管顶部加工成尖锥状，小钢管尾部焊Φ6环形箍筋，用锤击或用钻机顶入孔内5.8 m左右，锚杆尾部外露长度约（100～150）mm，纵向两排的超前小钢管的水平投影搭接长度不小于1.0 m，洞段断面的超前锚杆尾部置于钢拱架腹部，或设环向钢筋将超前锚杆固定，以加强支撑。见表2。

表2 超前小钢管布设参数表

（3）超前注浆小导管的施工。

在软弱围岩地层中施工时，超前小导管用于开挖后拱部不能自稳的情况。采用超前小导管支护预加固地层，通过注浆，使小导管周围岩体固结形成承载壳，在小导管和承载壳的棚作用下，开挖时可有效控制拱顶坍塌，保证安全施工。

①超前注浆小导管的加工。

采用Φ42无缝热轧钢管加工而成，长3.5 m，小导管前端加工成锥形，以便插打，并防止注浆时浆液前冲。管壁每隔（10～20）cm交错钻溢浆孔（梅花形布置），以防止出现死角，孔眼直径为（6～8）mm，尾部1.0 m范围内不钻孔以防止漏浆。钢管外径42 mm，壁厚5 mm，接头采用厚壁管箍，丝扣长度100 mm。小导管末端焊Φ6环形箍筋，以防止打设时开裂，影响注浆管联接。

②小导管的孔位布设。

超前注浆小导管布置在拱部120°范围内，必要时可加大布置范围，沿指型护盾间钻孔。沿隧洞纵向周边线向外以10°外插角钻孔打入围岩，环向间距控制在（300～400）mm，纵向两排小导管水平搭接长度不小于1.0 m。

③钻孔。

测量放点后，采用TBM上配备的锚杆钻机钻孔，钻头直径不小于42 mm，钻孔深一般15 m左右。钻孔结束后，用气动锤将制作好的小导管顶入围岩，纵向两排小导管间水平搭接长度大于100 cm。

④注浆。

注浆前，用高压风将小导管内的积物进行清理。注浆设备采用SGB6-10灌浆泵，可采用水泥浆或水泥-水玻璃双液浆灌注。

水泥浆单液注浆：

采用灌浆泵灌注水泥浆，自下而上按孔进行，采用单孔注浆或加工一个分浆器进行多管并联注浆，注浆时浆液水灰比选1.5∶1、1∶1、0.8∶1三个等级由稀到浓逐级变换，注浆压力控制在（0.5～1.0）MPa，根据需要可在孔口设置止浆塞，注浆完后，立即堵塞孔口，防止浆液外流。注浆中若发生与其他孔串浆现象时，将串浆孔堵住，轮到该孔注浆时，拔出堵塞物，若此时该孔仍有浆液外流，则直接接管注浆，否则用高压风或水冲洗后再接管注浆。

水泥-水玻璃双液注浆：

水泥浆液和水玻璃浆液分别在两个容器内，按一定配比配制好待用。拟定配比为水泥：水玻璃=1∶1～1∶0.8（水玻璃浓度为30Be～35Be），并根据实验确定施工配比和凝结时间，注浆压力在（0.5～1.0）MPa之间，初拟为0.6 MPa。

小导管注浆后至开挖前的时间间隔，视浆液种类为（4～8）h。水泥-水玻璃双液浆为4 h，水泥净浆为8 h。

（4）管棚的施工。

管棚是利用钢拱架与沿开挖轮廓线向TBM前方打入钢管构成的棚架，主要用于软弱破碎岩体、大范围密集节理区、断层破碎带等部位，开挖后拱部仅能在很短时间内自稳的情况下，一般在开挖作业面顶拱布置，沿指型护盾间钻孔.在管棚及其承载壳的共同棚架作用下，进行安全施工作业，能有效地控制拱顶坍塌的发生。

①管棚布置。

管棚长（15～20）m，沿隧洞断面环向布设间距（钢管中心间距）为30 cm，沿隧洞纵向布设时，纵向两组管棚的搭接长度控制在（6～8）m。管棚的钢管分节组成，每节长4 m和6 m二种，钢管内径75 mm，壁厚5 mm，接头采用厚壁管箍，丝扣长度150 mm，并错开布置，同一横断面接头数量不超过50%，相邻钢管的接头相错量不小于1 m，钻孔应分为奇数和偶数，编号为奇数的孔第一节管采用6 m钢管，编号为偶数的孔第一节管采用4 m钢管。钢管上间隔25 cm按梅花形钻Φ8 mm的小孔。

②钻孔。

TBM施工时利用TBM主机上配置的锚杆钻机在隧洞拱部进行钻设超前孔，仰角为12°，孔径为105 mm，钻深孔需多次接管。钻杆连接套与钻杆同材质，两端加工成内螺扣（配合钻杆首尾端外螺扣），连接套的最小壁厚10 mm。

③顶管。

采用大孔引导和管棚钻进相结合的工艺，即先钻大于棚管直径的引导孔，然后用钻机的冲击和推力（顶进棚管时钻机不使用回转压力）将安有工作管头的棚管沿引导孔低速推进，冲击压力控制在（1.8～2.2）MPa，推进压力控制在（4～6）MPa。

接管后再顶管：第一根钢管推进孔内，孔外剩余（30～40）cm时，开动钻机反转，使顶进连接套与钢管脱离，钻机退回原位，大臂落下，人工装上第二节钢管，大臂重新对正，钻机缓慢低速前进对准第一节钢管端部，人工持管钳进行钢管联接，使两节钢管在联接套处联成一体。钻机再以冲击压力和推进压力低速顶进钢管。根据管棚设计长度，按同样方法继续接长钢管。

④棚管注浆。

为加强管棚的刚度和强度，按设计将钢管全部打好后，掏尽钢管内残渣，进行棚管补强。一般在钢管内注入水泥浆，水灰比控制在3∶1～1∶1之间，注浆初压（0.5～1.0）MPa，终压为（1.0～2.0）MPa，注浆结束后用M10水泥砂浆填充，形成钢管混凝土。

在管棚的支护作用下采用短行程进尺开挖，及时架设钢拱架，并进行锚喷支护。

4 富水带的施工技术措施

（1）高压涌水洞段对TBM施工的影响有：

①由于水压作用，工作面会坍塌，掩埋刀盘及机体，增大刀盘的扭矩。

②洞壁发生坍塌时，撑靴无支撑点，TBM不能推进。

（2）涌水处理措施：

处理涌水主要有引排和封堵两种措施。

①在TBM掘进过程中出现涌水，如涌水量较小，采用TBM设备上的6”水泵进行抽排；当涌水量较大，超过TBM随机配备6”水泵的抽排能力，启动应急备用水泵（在TBM上备用了3台WQ100-80-20-7.5污水泵）将水排至后备套以后，并全部启动沿线水泵，将水排至洞外。

②如涌水量采用水泵抽排仍得不到控制，TBM停止掘进，采用超前小导管注浆，形成帷幕，加固围岩。

③根据超前地质预报，当TBM掘进至可能与河流相通的断层或节理破碎带时，施作超前钻孔，探测钻孔出水量、水压、涌水里程等。如水量不大，利用TBM配备的钻机打排水孔排水。如水量较大、岩石破碎，地质条件不允许先排水时，应采用预注浆进行堵水，一次注浆长度（10～15）m，掘进长度为注浆长度的70%～80%，预留30%～20%作为下次注浆的止浆盘。