强富水砂卵石冲沟段地层TBM施工技术探讨

2017-04-10张斌

水利技术监督 2017年1期

关键词：冲沟富水卵石

张斌

（山西东山供水工程有限公司，山西太原030002）

强富水砂卵石冲沟段地层TBM施工技术探讨

张斌

（山西东山供水工程有限公司，山西太原030002）

本文针对强富水砂卵石冲沟段地层出现的掌子面突泥涌水（最大涌水达到750m3/h），刀盘内涌进大量泥沙，主机下半部分和连接桥部位被泥沙淤积，导致TBM无法掘进；通过采取双护盾TBM穿越强富水砂卵石冲沟段地层施工工法，有效解决了双护盾TBM在强富水砂卵石冲沟段地层难于脱困的难题。

双护盾TBM；砂卵石冲沟段地层；掌子面

强富水砂卵石冲沟段地层容易出现的掌子面突泥涌水（最大涌水达到750m3/h），刀盘内涌进大量泥沙，主机下半部分和连接桥部位被泥沙淤积，导致TBM无法掘进。有关技术人员通过对补充勘探、降排水、围岩加固、支护结构等进行改进，形成了双护盾TBM穿越强富水砂卵石冲沟段地层施工工法［1］。双护盾TBM掘进机是一种特殊的连续掘进设备，由于它是将机、电、液压、传感、信息技术等多方面的技术融于一体，能够对破岩、出碴、支护等众多的作业来同时进行，具有快速、优质、高效、安全、环保、自动化和信息化程度高等特点，解决了双护盾TBM在强富水砂卵石冲沟段地层难于脱困的难题。

1 工程实例

山西省晋中东山供水工程是一项跨流域引调水工程，该项目供水工程施工十一标（YD14+ 418.86m～YD29+879.30m），其中TBM施工段长14635.44m，圆形断面，开挖直径4.16m。衬砌为C45（W 8、F150）预制混凝土管片拼装式结构，单管片型式为六边形蜂窝状结构，厚25cm，宽1.2m，由四个管片组成一个环，管片与管片之间要严格的链接，一般是通过定位谅解销进行锁定，并用膨胀橡胶止水带对所有的管片进行固定，然后在纵向缝内设置圆柱形PVC导向杆。衬砌后隧洞净直径3.4m。为了进一步减少管片和周岩之间的缝隙，要采用填砂的形式或者通过回填灌装的方式对缝隙进行填充，填充结实的强度一般为C15，以达到结构稳定和防渗止水效果。东鱼沟位于东山供水工程十一标9#隧洞桩号约YD27+470～YD27+ 070，长度约400m段；埋深约30m左右。

TBM在掘进过程中出现大量涌水，涌水量由144m3/h增至250m3/h，随涌水伴随大量涌泥，导致短时间内主机下半部分和连接桥部位被泥沙淤积，TBM无法继续掘进，采用“双护盾TBM穿越强富水砂卵石冲沟段地层的施工工法”。

2 钻孔质量控制

根据建设单位给定的目标要求，特别是对设计图纸上的桩位点，在实际的工程中要采用钢筋或者白灰点对桩位点进行标记，标记完成后，要标记号标记编号，在施工时就可以用钻机钻头对准标记的桩位点，这样施工就相对来说更为准确些。再进行钻头钻点的施工时，要使钻头尖完全对准桩位，钻机要保持平衡，立轴垂直，在施工的过程中要牢度，减少震荡，要控制导向架垂直度＜0.5%，使成桩后的桩位偏差＜20mm。

开钻是一种比较严格的要求，需要有技术组开设工作通知单，报监理批准，进行严格的审核，最后才能进行施工［2］。为了保证钻孔的垂直，需要借用具体的工具进行测量，一般采用的工具是水平尺测量机。在进行钻孔时，要一边操作、一边进行记录，特别是出现塌孔、漏浆等现象时要严格的记录下来，对孔的深度也要严格的记录下来。钻孔终孔后，及时将孔口盖好，以防杂物掉入孔内。记录表要填写清楚、整洁，对孔深、孔位、洞穴、涌水、漏水、岩土勘察等都要严格的记录，要写好记录报告。记录报告要经监理、技术员、机台长签字后当天交技术组。

施工过程中应对化学灌浆材料、灌浆实验程序和各道工序的质量进行检查并记录。预加固对灌浆强度要求低，只要按照灌浆工序达到闭浆条件，达到满填满灌即可认为灌浆合格。

只要进行地面灌浆，就要对洞内的各种情况进行观察，特别是对漏浆、渗水等现象要严格的观察，一旦出现以上这种问题，就要及时的和地面上保持联系，进行补救，以防地面注浆方式等不当而影响TBM正常施工。在钻进过程中应详细记录钻至基岩的孔深，并根据进尺快慢及掉钻情况判断塌空区，量测记录塌空的起始孔深。

图1 地表注浆堵水示意图（纵剖面）

图2 地表化学灌浆孔平面布置示意图

3 TBM脱困施工质量控制

3.1 方向控制

导向系统是一套适用于TBM快速掘进的测量导向系统，但导致TBM掘进偏差的因素很多，必须建立TBM掘进偏差控制制度［3］。当遇特殊情况时，应及时采取措施，严格控制司机调向，确保掘进质量，影响TBM偏差因素有以下几点。

（1）测量精度，由于TBM开挖断面为圆形，围岩具有应力和收敛变化，所以系统无法控制测量与施工测量的偏差直接影响掘进精度；

（2）灰尘大将直接导致发射的激光束无效，由于系统无法接收到光信号系统无法正常工作，故通风系统必须确保工作正常，尤其是除尘风机的运行正常，遇特殊情况时需停机通风；

（3）温度高、水汽大将导致空气不均匀，使激光束折射，这是激光导向系统的主要误差；

（4）地质条件差，将导致TBM支撑系统减弱，主机无法按设定的方向掘进，围岩坍落时应有相应的处理对策；

（5）由于TBM刀盘自重及旋转对围岩的反作用力，刀盘有偏低、偏左的趋势，掘进时应有意识地向右、向上掘进；

（6）必须确保没有灯光直射到目标屏上，此外要保证激光光路畅通；

（7）施工人员调向意识要强，通过学习及加强管理，来提高测工水平及操作人员业务水平。

3.2 开挖操作质量控制

（1）由于这种地面的复杂性，决定了挖掘机在这种条件下的掘金速度相对比较慢，必要的时候还要停止前进进行支护。由于在掘进的过程中，围岩的硬度比较大，掘进的刀具会收到正面和侧面两个方面的冲击，这样下来就会在一定程度上减少了它的使用的寿命。控制扭矩变化范围小于等于10%，并降低推进速度，控制贯入度指标在3mm以下［6］。

（2）刀盘转速选用低速，推进速度开始为20%。等围岩变化趋势稳定后，推进速度可上调45%左右，扭矩变化范围小于10%。

（3）当皮带机上出现一定比例（例如20%左右）的块状石渣时，降低推进速度，控制贯入度不大于3mm［4］。

3.3 管片安装质量控制

（1）对管片的养护。对于管片的养护，首先要从安装方面加强对操作人员的培训，减少因为安装出现的碰撞和挤压。在平时的维护中，要定期对辅助推进油缸进行维修、维护。在施工过程中，要根据具体的情况，采取不同的措施，特别是围岩条件不理想的时候，要超前处理并使用重型管片。

（2）管片接缝渗水质量控制。加强安装操作手的培训，减少安装中的误差；严格控制豆砾石的质量。不允许使用石粉含量大或严重逊径的豆砾石；在地质条件不好处，要超前处理并使用重型管片，确保管片不沉降。

（3）管片错台控制质量控制。为满足施工技术要求，合理控制管片安装质量，结合TBM滑行管片衬砌安装的实际情况，对安装前后管片接缝错台进行处理。

图3 带埋件管片拼装展开图

软岩、断层破碎带和膨胀由于掌子面围岩软硬偏差大，掘进过程刀盘会偏离洞轴线，单护盾模式掘进特别是转弯段掘进会使管片侧向受力引起管片挤压错台，而且由于塌空腔的存在，会使已衬砌管片在侧压力的作用下引起后期错台［5］。此时，TBM应采用低推进速度，刀盘低速高扭矩掘进，确保掘进姿态；转弯段应逐步调整；掌子面围岩软硬偏差大应降低推进速度，确保将管片错台控制在允许范围之内。

4 效益分析

针对TBM无法继续掘进，本工程通过采用“双护盾TBM穿越强富水砂卵石冲沟段地层的施工工法”，不仅成功穿越了该不良地质段，而且大大缩短了工期，降低了成本，取得了良好的经济效益和社会效益，为同类工程出现类似技术难题的应用奠定了一定基础。与洞内加固一段前进一段、TBM步步为营脱困施工的传统处理方法比较，在保证了施工质量的前提下，可节省直接投资250～300万元，至少缩短处理工期30天，节省窝工损失180～210万元。