TBM综合支护系统在中部引黄引水隧洞不良地质段的应用

2018-06-04马浩

建筑机械 2018年4期

马浩

（中铁十八局集团轨道交通工程有限公司，天津 300222）

1 工程概况

中部引黄工程包括枢纽取水工程和输水工程。输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水。总干线包括4条隧洞，其中：1#隧洞长15.16km，2#隧洞长29.02km，3#隧洞长119.23km，4#隧洞长34.29km，其中3#隧洞总77+040.9～总118+395.8段长41.355km，采用TBM施工。总干TBM施工段采用两台双护盾TBM分别自上下游对向掘进，总干3#隧洞桩号为总45+368.3～总164+601.9，全长119.23km，纵坡1/2500～1/3000，进口洞底高程997.73m，出口洞底高程966.0m。设计流量临县分水口前（桩号总45+368.3～总115+188.6段）为21.17m3/s，分水口后（总115+188.6～总164+601.9段）为18.69m3/s。本文重点对水电站TBM施工过程中引水隧洞围岩支护措施进行探讨。

2 TBM施工条件下围岩支护特点以及支护方案

与钻爆法开挖施工存在一定的差异，TBM隧道施工有一定的特殊性，现对两种隧道开挖方式做如下介绍。钻爆法开挖方式较为简单，可操作性强，而且在开挖时必须确保隧洞工程掌子面处于临空状态，施工中可结合现场情况选取最佳的超前预报方案，保障施工阶段的顺利实施［1］。TBM法在开挖时掌子面是不能看见的，由于地质编录不能在短时间完成，施工人员如需进行超前钻孔作业，需中止相关设备的运行，这样必然会对正常的施工造成不同程度的影响，施工人员技术水平的高低对施工能否顺利实施起到了至关重要的作用。在超前支护形式中钻爆法较为单一，主要采取的是短超前管棚超前支护形式，而TBM法方式较为多样化，比如超前注浆、超前锚杆等。

TBM法在施工中对隧道围岩的影响程度较低，锚杆支护长度比钻爆法要小得多。钻爆法开挖掌子面开阔，采取的支护方式较为多样，针对不同类型的围岩所采取的支护方式也是不尽相同的，比如Ⅴ类和部分Ⅳ类围岩通常采取的是钢拱架进行支撑，但这种支护方式也存在一定弊端，一方面需耗费大量的资金，另一方面稳定性较差，起不到加固围岩的效果。

在岩爆支护设计中，钻爆法与TBM施工方式也有不同之处，主要表现在及时性方面。若采取钻爆法只能起到短期、随机支护的效果，锚杆支护长度可根据需要及时调整，不受相关因素的影响。而TBM可结合现场情况采取永久支护与临时支护相结合的支护效果，但美中不足的TBM支护锚杆长度受到了一定的制约。TBM全断面掘进时，在掌子面后的5m范围属于护盾占据的区域，由于该区域的特殊性，在实际施工该区域是一个盲区，很难找到一个最佳的方式对围岩进行防护，这也使得该区域围岩的稳定性较差，如遇到岩爆现象时，会对TBM设备造成一定的损伤，影响设备的正常运行，给施工的正常实施造成重重阻碍。因此在采取TBM法施工中，在岩爆倾向不明显的洞段区域，TBM机械设备的正常运行可有效避免岩爆等危险现象的发生。而对有强烈岩爆的洞段掘进时，施工单位应结合现场实际情况适当调整施工方案，采取钻爆法导洞与TBM主洞方式相结合的方式进行掘进，将两种方式的优势进行互补，保障施工的顺利实施。由于TBM设备的特殊性，在对岩爆强烈的洞段进行掘进时可采取如下支护方式：（1）对岩爆倾向强烈的围岩地段可采取钻爆法导洞与TBM主洞掘进相结合的方式进行施工；对岩爆倾向轻微的洞段，可直接采取TBM全断面掘进的方式进行施工。（2）在施工中，如果发现围岩从TBM护盾中裸露出来，应在第一时间采取有效的措施对围岩进行支护，并在顶拱一定范围内喷射高强度的钢纤维混凝土，进行加固处理，所采取的支护均应在TBM台车的L1区内完成。（3）在TBM台车L2区内应完成挂钢筋网、复喷混凝土等工作。

对岩爆发生频率较高的围岩地段，施工人员应根据需要增加锚杆的数量，按照锚杆数量合理进行挂网，不仅可起到加固围岩的效果，而且也能使围岩各部位受力均匀。喷射混凝土也是一种支护方式，高强度的混凝土能够提高围岩的强度，在实际施工中，应采取科学的施工方式，合理进行布置，以增强岩体的稳定性，最大限度避免岩爆等不安全事故的发生［2］。

3 隧洞施工支护工程施工

3.1 支护流程

隧道初期支护中应遵循一定的施工流程，这样才能提高施工效果，保障工程的顺利竣工。支护流程如下：首先应做好施工前的各项准备工作，将存在危险的围岩部位进行开挖并将内部的杂物进行彻底清理，做好通风排烟工作；其次初喷砼，并打超前锚杆；再次立钢拱架并将钢筋网挂在固定的区域；最后喷射混凝土，提高围岩强度。初期支护施工流程如图1所示。

3.2 锚杆施工

3.2.1 锚杆钻孔

锚杆施工与开挖钻爆工作应该同时进行，锚杆钻孔应使用风钻机进行钻孔，将孔内的杂物彻底清除后再进行注浆，使用型号为JZB-35注浆泵进行注浆作业，流程如图2所示。

图2 砂浆锚杆施工工艺图

锚杆长度不同所采用的钻孔方式也是不尽相同的，如果锚杆长度小于5m，可直接采取手风钻进行钻孔作业，若锚杆长度在5m以上时，需借助锚杆钻机进行钻孔。施工技术如下所示：

（1）施工人员在进行锚杆钻孔作业时钻孔位置的确定至关重要，严格按照施工图纸的要求进行确定，要确保孔位偏差控制在100mm以内。

（2）一般而言，锚杆孔的孔轴方向应严格按照设计图纸的要求确定。倘若施工图纸中未明确说明锚杆孔的孔轴方向时，锚杆的孔轴方向应与开挖面相互垂直，如需对锚杆周边进行加固处理，则锚杆的孔轴方向要与滑动面保持一定的夹角，而且与滑动面的运动倾向相反。

（3）实际施工过程中，首先应进行注浆作业，待达到相关要求后再安装锚杆，要注意的是注浆锚杆的钻孔孔径不小于锚杆直径，钻头直径应大于锚杆直径15mm。如果施工中采取的是先安装锚杆再进行注浆这种方式的话，则钻头直径要比锚杆直径大25mm以上。

（4）孔径深度也应满足施工图纸的相关要求，将误差控制在50mm以内。3.2.2 锚杆注浆施工

锚杆注浆施工技术要点如下：

（1）锚杆注浆机中的浆液应严格按照一定的配比进行配制，通过试验测定，此次施工中水泥与砂的比例应控制在1∶1～1∶2范围内，水泥与水的比例则控制在1∶0.38～1∶0.45。

（2）锚杆注浆工作完成后，要确保砂浆完全凝固后再拉拔锚杆。

3.3 喷射混凝土施工

3.3.1 喷射混凝土前的准备工作

喷射混凝土的方式有2种：一是干喷法；二是湿喷法。施工中为了减少回弹量，主要采取的是湿喷法，这样可有效降低粉尘浓度。喷射混凝土的骨料级配应满足一定的要求，可参照表1进行配制。湿喷混凝土施工流程如图3所示。

在混凝土喷射施工前，施工主办方应指派专人对喷射面进行全面检查，确保满足喷射相关要求。与此同时，还应做好喷射前的相关准备工作：

（1）将喷射面的杂物彻底清除后，使用高压风水枪将喷射面进行冲洗处理；（2）喷射混凝土过程中，要注意喷嘴与岩面的距离应控制在0.7m左右，喷射的方向应与岩石面相互垂直；（3）采取分层、自下而上的方式进行喷射，每层喷射完成后应等到混凝土完全凝结后再进行下一层的喷射；（4）开挖工作面结束后即可进行喷射作业，混凝土终凝到下一阶段放炮时间应控制在3h以上。如设备发生故障或者其他因素影响需临时中止喷射作业，施工人员需将喷射机以及输料管内残存的余料进行彻底清理；（5）做好混凝土的养护工作，养护时间至少1周，如果外界温度过高，还应采取喷水方式进行养护，提高养护效果。

图3 喷混凝土施工工艺流程图

表1 喷射混凝土用骨料级配表

3.3.2 钢筋网喷射混凝土

钢筋网喷射混凝土施工过程中，应参照施工设计图纸中的相关要求进行科学施工，确保钢筋网喷射混凝土支护厚度处于80～120mm范围内。钢筋应选择工厂生产的定型钢筋，要注意钢筋网的间距大于100mm。此外，钢筋与岩面之间的空隙必须使用喷射混凝土进行填充，将其与钢筋进行有效粘结。施工中如果发现喷射混凝土周围的空气湿度过高的话，应上报相关领导，征得同意后采取自然养护的方式进行处理。若存在混凝土剥落等现象时，应在第1时间采取有效的措施进行处理，提高施工效率。

3.4 钢拱架

（1）制作钢拱架。钢拱架的制作应在正规的加工厂完成，加工成型后将各配件进行拼装，并使用螺栓进行有效连接。

（2）钢拱架的安装。在安装钢拱架时，应事先在钢拱架基座部位预留15～20cm地基，对于软弱围岩部位可在钢拱架基座部位设置锚杆并喷射混凝土进行加固处理。初喷混凝土时，施工人员应在凹槽部位打入木楔，预留出连接板的位置。在安装过程中，如果发现钢制支撑与初喷层之间的间隙过大的话，可使用垫块进行填充处理，而且要注意钢制支撑与围岩接触距离应控制在50mm内［4］。钢拱架架立到位后应及时进行混凝土的喷射，采取分层喷射的方式进行处理，每层厚度控制在5～6cm左右，增强喷射效果，确保混凝土喷射作业的顺利实施。