TBM掘进技术在软岩隧洞中的应用

2011-04-14高燕芳

水利与建筑工程学报 2011年6期

高燕芳

(山西省水利水电工程建设监理公司,山西太原 030002)

当前,全断面岩石掘进机(TBM)在隧道施工中已经得到了广泛的应用[1]。TBM掘进技术在硬岩掘进中具有较强的适应性;对软岩,盾构的优势则较为明显。设备的选型往往依据岩体的特征确定。对于长距离隧洞,围岩条件复杂多变,在对岩体情况超前预报的基础上,选择适用的掘进设备,对确保工程顺利进行非常重要。

1 7#隧洞单护盾TBM施工

1.1 7#隧洞围岩情况

甘肃引洮工程7#隧洞全长17.286 km,洞线NE62°布置,隧洞最大埋深368.00 m。隧洞围岩类别主要为Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩。其中,Ⅳ类围岩分布于隧洞前段,围岩岩性主要由白垩系K1hk3岩层构成,局部段为上第三系N2L3砂岩、砂砾岩。总体由较软岩组成,为软硬互层的中厚层结构,单斜构造,裂隙较发育,围岩中有少量的基岩裂隙水,呈滴渗状态,不整合界面附近呈线状流水。Ⅴ类围岩分布于隧洞后段,围岩岩性主要由上第三系N2L3及白垩系K1hk4的岩层构成。岩性为K1hk4泥质胶结的粉细砂岩,局部夹薄层泥岩,岩性软弱;岩性为上第三系N2L3砖红色,砂质泥岩、泥质粉砂岩,局部为砂岩、砂砾岩,泥质胶结为主,胶结程度差,属极软岩,遇水易膨胀,饱水后崩解,失水干缩,具弱膨胀性。

1.2 TBM在不同围岩情况下的掘进方案

1.2.1 上第三系红层地段

由于泥岩本身不富水或者不透水,为防止刀盘和刀具被糊,掘进过程中通过控制刀盘喷水或者不用刀盘喷水,可减少刀盘和刀具被糊;刀盘喷水减少或者不用后会造成掘进过程中粉尘大量增加,因此需在刀盘出渣口、皮带机以及与皮带连接处设置喷水(最好形成水帘或雾状)装置,配合使用除尘风机,可减少粉尘。同时增设2～3道皮带刮渣装置,防止皮带被糊打滑,在皮带出渣口处加强渣土清理,防止出渣口被堵。

优化掘进参数,特别是TBM掘进的主推力、刀盘转速、刀具贯入度、掘进速度等主要参数的协调优化,防止刀具悬磨,刀盘糊住。在该种地层条件下,在能控制盾体滚动和管片滚动的前提下,尽量增大推力,降低刀盘转速,降低刀具消耗,减少换刀频率,提高掘进效率。

冬季加强防寒工作,加强运输组织,出现渣土受冻沾粘在矿车上时及时采用风镐清除。

1.2.2 上第三系含砾砂岩

加强TBM设备保养、维修,防止TBM异常停机时间过长,导致围岩收敛抱死TBM主机。在TBM异常停机且判断停机时间较长时,一是派专人观察和测量盾体与围岩间隙,二是可通过盾体上的预留孔洞注入油脂或者膨润土浆液。

针对含砾砂岩段TBM掘进,优化掘进参数,采取大推力,低刀盘转速,减少围岩扰动,防止掌子面塌方;严格控制出渣量,必要时可增加刮渣口封堵装置,减少刀盘开口率,同时配合进行掘进参数优化。

在尾盾处增加排水泵,加强隧道清渣、排水,快速安装管片,达到掘进速度均匀,TBM连续、快速地通过此地层。

管片无法回填豆砾石时,应从工作孔内插入小导管进行注浆加固,使管片背部形成固结圈保证管片稳定,如管片漏水严重时,可灌注双液浆进行封堵。

1.2.3 不整合接触面

由于TBM是反坡施工,TBM在经过不整合接触面时特别加强隧道排水,拟洞内增设一趟Φ 100钢管排污管路,同时TBM后配套上增设排水水管卷筒,随掘进向前延伸,后配套上增设污水箱进行污水沉淀,隧洞增设沉淀水箱,定期清理,防止管道内泥沙沉积。TBM通过竖井工作面后,拟从竖井处排水,利用竖井井架和吊泵进行抽排。同时编组上增设水箱,可利用水箱将污水运出洞外。

1.2.4 含水疏松砂岩洞段支护问题

竖井工作面处理主洞不良地质洞段仅进行初期支护,由于含水疏松砂岩结构疏松,基本无自稳能力,初支结构将承受较大周边围岩压力。为保证TBM能顺利空推通过,含水疏松砂岩洞段应考虑较大的预留变形量。另外需根据施工过程中监控量测情况,对初期支护参数进行动态调整,确保隧洞结构安全。

1.2.5 滑行轨道床底部围岩换填问题

隧洞开挖后,底部滑行轨道床无法及时施做,底部围岩在开挖后可能出现涌沙现象,可能导致无法向前开挖。鉴于可能存在的该种问题,在对底拱66°范围进行换填,换填层为开挖轮廓线以下50cm,换填料为C15干硬性混凝土,换填完成后立即封闭底拱,同时挂网喷射10cm～15cm厚C20混凝土,保证底拱不出现涌沙。同时换填后可显著提高承载力,滑行轨道床施做后可满足TBM顺利滑行通过。

1.3 7#隧洞TBM掘进进展情况

引洮工程7#隧洞于2009年12月始掘进。2010年4月,TBM遇到含水疏松砂岩,掌子面坍塌较严重,掘进速度大幅下降。2010年7月至9月,对TBM进行了前盾延伸改造,并封堵了部分刮渣口,出渣量和刀盘扭矩均得到有效控制。2011年1月,该工程进行了方案调整:严重不良地质洞段通过斜井,采取钻爆法处理。2011年8月TBM移至进口掘进,目前,工程进展顺利。

2 9#隧洞双护盾TBM施工

2.1 9#隧洞围岩情况

9#隧洞全长18.275 km,穿薄层黄土覆盖的中低山峁梁区,最大埋深444 m,最浅埋深仅为10 m～15 m,且横穿沟道。洞身段长度18175 m,其中,属于IV、V类围岩的洞段长度约13800 m左右,其余洞段围岩较好,为Ⅱ、Ⅲ类围岩。岩性较差洞段围岩主要为粘土质粉砂岩、含砾砂岩、夹砂岩、砂砾岩、含漂石的砾岩等,以泥质胶结为主,胶结程度差,结构疏松,属极软岩。地下水具微承压性,隧洞开挖中局部呈渗-线状流水。Ⅴ类围岩,极不稳定,不能自稳,变形破坏严重,围岩中地下水水质较差,对普通混凝土具硫酸盐结晶型强侵蚀性。