双护盾TBM采用锚喷支护试验研究

2020-01-05黄正海邢阿龙汪华东

四川水利 2020年6期

关键词：工字钢管片锚杆

黄正海，邢阿龙，汪华东

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，成都，611130)

1 工程概况

西藏派墨公路位于西藏米林县和墨脱县境内，全长64.73km，其中的多雄拉隧道总长度4.784km，围岩主要为混合片麻岩和花岗片麻岩，平均抗压强度为75MPa～90MPa，石英含量为15%～30%，耐磨性指标在4～5.5之间。

开挖洞径9.13m，采用双护盾TBM独头逆坡掘进，开挖后衬砌厚度35cm的采用“6+1”型四边形预制混凝土管片，衬砌后隧洞直径8.1m。隧道进口高程3547m，出口高程3566m，最大埋深约为832m。

2 试验思路形成

2.1 双护盾TBM特点

双护盾TBM集隧道掘进、管片衬砌、回填、灌浆等功能为一体，在遇到软岩时，由盾尾推进液压缸支撑在已拼装的预制衬砌块上或钢圈梁上以推进刀盘破岩前进，一次完成开挖、衬砌和灌浆作业。所有工作内容均在护盾和预制混凝土管片的防护下进行，开挖成型的围岩不裸露，施工作业安全系数高，但受预制混凝土管片安装、灌浆的速度限制，总体掘进速度较慢。

双护盾TBM在遇到硬岩时，在不进行管片安装和灌浆即可保证施工和工程安全的情况下，可用支撑板撑紧洞壁，由主推进液压缸推进刀盘破岩前进，从而不受预制混凝土管片安装的限制，实现快速掘进的目的。

2.2 开敞式TBM特点

在较完整且有一定自稳性的围岩特别是在硬岩和中硬岩掘进中，开敞式TBM强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力，同时，全面的支护系统能够在掘进过程中同步对出露的不稳定围岩进行及时、系统的锚网喷和钢拱架支护，确保围岩总体稳定，有利于实现TBM快速掘进。掘进过程中不需要安装钢管片，反作用力来源于支撑系统。

2.3 试验期望目标

因双护盾TBM没有装备锚、网、喷等初期支护系统，为充分发挥TBM快速掘进的优势，同时增加TBM对不良地质段的适应能力，加快TBM总体施工进度，降低停机支护、卡机等风险，希望通过本次试验，总结出一套双护盾TBM与开敞式TBM支护系统相结合的快速掘进工艺。

2.4 本次试验中设备上的不足及对策措施

本工程采用的双护盾TBM未配置锚喷支护系统和后续混凝土二衬设备，无法实现开敞式TBM快速进行锚网支护施工的优点，无法实现同步衬砌。所以采取的对策措施包括：

(1)鉴于本次仅进行工艺试验，故暂不考虑喷射混凝土工序，待TBM掘进完成路面形成交通条件后再实施喷混凝土施工。

(2)增加支护施工人员，并配备10台手风钻，以加快锚杆钻孔施工速度，减少锚杆支护施工对TBM掘进速度的影响。

3 双护盾TBM锚网支护试验方案

3.1 试验前提条件

(1)要求试验段围岩在Ⅲ类A围岩以上，并不能有垮塌和大的掉块，没有高地应力，不能产生岩爆或偏压造成的崩塌、掉块，围岩具备经拱部80°范围锚杆及挂网支护后长时间(4个月)自稳能力。

(2)双护盾TBM转换为锚网支护施工时，在正常施工洞段和不良地质段，安装底部两块管片后均可以完成换步和姿态调整。

3.2 试验方案规划

(1)在Ⅱ类、Ⅲa围岩洞段选择长度300m进行双护盾TBM锚网支护施工试验。

(2)围岩脱离尾盾后立即实施挂网及随机锚杆施工，保证网片临时稳定。

(3)局部破碎段的Ⅲ类围岩洞段，采用锚杆、钢筋排、喷混凝土和锚杆、工字钢拱架、网片、喷混凝土两种联合支护措施。

(4)TBM锚网支护段的锚杆采用手风钻施工，利用TBM机上配套的4台空压机供风。

(5)根据超前地质预判结果和实际围岩情况，确定TBM锚网支护段和恢复管片衬砌位置。在TBM正常掘进与锚网支护转换时，锚网支护施工前应设置结束环。

(6)在试验段，TBM设备防护主要采用钢筋网片、胶皮、帆布、彩条布对电气设备、电路管线、豆粒石及砂浆、水泥罐等容易受水危害的部位进行主动防护。

3.3 试验施工程序

双护盾TBM锚网支护试验施工程序为双护盾模式掘进→清除护盾上的跌落小块体→围岩脱离尾盾后在管片安装器走台进行挂网及随机锚杆施工→底部两块管片安装及豆粒石砂浆回填→采用手风钻进行系统锚杆施工→豆粒石平台进行剩余系统锚杆施工并局部挂网→后期TBM掘进完成后按设计要求补齐挂网及喷混凝土施工。

4 TBM锚网支护试验的重点难点

4.1 TBM锚网支护施工洞段选择

以3.1(1)的要求为前提，否则必须恢复管片衬砌施工。施工洞段必须根据超前地质预判结果并结合实际情况来确定TBM锚网支护实施桩号及长度。

4.2 锚网支护施工对TBM设备的要求

双护盾TBM转换为锚网支护施工时，仅安装底部两块管片，借助辅推油缸支撑管片来完成换步和调向，会出现TBM主机抬头的现象，对TBM掘进轴线及高程控制不利。

4.3 TBM锚网支护施工结束后的初始环设置

TBM锚网支护段结束恢复管片安装时，必须设置初始环反力座。其作用是稳定分块安装的管片，抵抗辅推油缸推力实现换步。

4.4 降尘降噪及支护进度

本次试验因采用手风钻施工锚杆，支护进度与TBM掘进进度不匹配，所产生的粉尘和噪音远远大于TBM正常掘进施工，且影响TBM操作室电气系统和VMT设备等的正常运行。

4.5 隧洞内底板清渣

转为TBM锚网支护方式后因缺少衬砌管片的防护，围岩脱落石块和锚杆施工形成粉尘等远大于TBM正常掘进时的清渣量，尤其影响TBM设备喂片机的正常运行。

5 双护盾TBM锚网支护试验施工

5.1 试验施工准备

5.1.1 施工人员和新增设备准备

(1)根据TBM掘进情况和超前地质预判确定TBM锚网支护施工洞段。

(2)提前准备龄期达到28d的结束环管片。

(3)进行施工人员的组织、技术培训和安全培训。

(4)准备手风钻(YT-28)、挂网施工用电锤、混凝土搅拌机等设备。

5.1.2 TBM锚网支护材料储备

(1)材料包括设备防护材料(胶布、雨棚等)、锚杆、工字钢拱架、劳保用品等。

(2)要求提前进行滑行段管片生产，并根据各管片尺寸及拼装方式将底部管片进行分类堆放。

5.2 锚网支护试验过程

5.2.1 锚网支护施工前的准备工作

5.2.1.1 双护盾模式下施工结束环并进行加固

在转换为双护盾TBM锚网支护模式时，利用管片安装器环形平台在支护开始前对衬砌管片结束环进行加固。以约束固定已衬砌管片防止发生位移。加固措施为：

(1)预制管片增加预留孔，采用锚杆锚固锁定；

(2)辅推油缸加垫木临时顶撑，封堵挡头模板并回填豆粒石灌浆或灌注水泥砂浆。

5.2.1.2 锚网支护工艺

工艺流程为结束环管片衬砌→手风钻锚杆施工→结束环封堵模板施工→豆砾石回填灌浆→TBM锚网支护施工。

为防止管片上的预留孔出现漏气，用水泥砂浆将预留孔进行封堵，在管片安装完成后再对封堵砂浆进行清理，以确保抓吸稳固和安全。

5.2.1.3 特制管片生产

根据结束环反力座每个构件布置图和结束环反力座每个构件示意图，进行预制管片生产，且确保管片安装达到28d龄期。

5.2.1.4 结束环锚杆

结束环锚杆采用药卷锚杆φ25，L=3m(锚固深度2.8m)，锚杆端头钢垫板(15cm×15cm)固定。

5.2.1.5 豆砾石灌浆或砂浆回填

(1)因结束环管片在脱离尾盾后，与TBM尾盾几乎没有空间，为防止结束环回填灌浆时，水泥浆串浆，需将管片完全脱离尾盾后设置封堵模板，以确保末端管片回填饱满。

(2)需在TBM辅推油缸推出前，自上而下在辅推油缸蹬靴与末环管片之间加100cm长的35cm×35cm的方木撑垫，以便使末环管片完全脱离尾盾并具有50cm的侧面挡头模板施工空间。

(3)TBM推出结束环管片且封堵模板施工完成后，进行底拱砂浆回填(底部90°范围)。

(4)在底部砂浆灌注完毕之后，采用5mm～10mm豆砾石回填(顶部270°范围)管片外侧与围岩之间的空腔，自下而上且两侧交叉对称直到顶拱的吹灌方式充填密实，吹填风压为0.3MPa～0.5MPa。吹填完成后孔隙采用水灰比为0.5∶1的P.O42.5水泥浆液进行充填。

5.2.2 挂网施工

挂网施工包括拱部80°范围随机挂网和拱部246°范围的系统挂网，网片为长2.1m、宽1.5m，间距为15cm×15cm的φ8钢筋网。

(1)随机挂网在围岩脱离尾盾后立即实施，网片采用随机锚杆及电锤钻孔钢筋固定。

(2)系统挂网施工在路面形成后实施，网片采用系统锚杆及电锤钻孔钢筋固定。

5.2.3 底部管片安装

为保证TBM掘进换步正常进行及后配套台车高程适当、行走顺利，TBM锚网支护施工仍须进行底部两块管片安装，底部管片采用轻型管片的规格有ABCDEF块，且按拼装方式进行分类堆放，每堆只堆放两块。为避免上下作业安全隐患，在上部危石清理和挂网施工完成后，人工清理底部石渣，最后进行底管片的安装。当滑行管片推出尾盾后，进行底拱砂浆回填(底部114°范围)，砂浆灌注时用灌浆塞封堵串浆孔。

5.2.4 双护盾TBM锚网支护掘进方式

因管片只安装了底部两块，无法为辅推油缸掘进推进提供反力，因此TBM锚网支护施工掘进按TBM正常掘进双护盾模式进行，在掘进过程中安排两名具备丰富排险经验的人员利用管片安装器走台(可往返移动)对尾盾上跌落的石块及危岩体进行清除。同时，锚杆施工在底部管片安装完成后进行。

5.2.4.1 随机锚杆支护

当岩面脱离尾盾后若发现楔形体、不稳定结构面则应立即施做随机锚杆并挂网，必要时应放慢掘进速度以满足支护要求。根据现场围岩脱离尾盾后具体情况在拱部80°范围利用手风钻造孔，采用长度L=2m，φ22药卷锚杆进行随机加固。

5.2.4.2 系统锚杆支护

在管片安装平台虽然施工了随机锚杆，但为整体防止岩体出现应力收敛岩块脱落现象，需对拱部180°范围施工系统锚杆。1#台车平台空间受限先做拱部80°系统锚杆支护，剩余系统支护待搭设施工台车集中进行施工。

系统锚杆利用手风钻造孔，采用长度L=2m，φ22间排距120cm的药卷锚杆梅花形布置。隧道周边径向布置的锚杆外插角为60°～80°。锚杆应与岩体主结构面或岩层层面呈大角度布置。

5.2.5 双护盾TBM锚网支护结束后初始环反力座施工

TBM锚网支护段结束恢复管片安装时，必须设置初始环反力座，其作用是稳定分块安装的管片，抵抗辅推油缸推力实现换步。为尽量加快反力座施工速度，建议采用工字钢拱架并现浇混凝土与锚杆联合受力的反力座结构。

5.2.5.1 初始环设计

初始环反力座长度3m，厚度50cm，表面平管片内表面。反力座结构采用工字钢拱架、锚杆和现浇混凝土联合受力。工字钢拱架采用I18，间距0.75m/榀，布置于内表面，保护层厚度5cm；锚杆采用长度L=3m，φ22，间排距1.5m×0.75m砂浆锚杆梅花布置，外露45cm且与工字钢连接。用φ22螺纹钢筋进行连接后衬砌厚度为50cm的C30混凝土。

5.2.5.2 初始环反力座施工

(1)初始环反力座锚杆施工

在TBM锚网支护结束后，TBM每掘进1.8m，采用管片安装器上的液压锚杆钻机，进行锚杆孔施工，孔深2.6m，液压钻机无法施工的部位采用YT-28手风钻造孔，清孔采用高压风水枪联合冲洗孔内岩粉和积水，直至干净；锚杆采用锚杆注浆机灌注M20的P.O42.5水泥砂浆，注浆时注浆管插至距孔底50mm～100mm，随砂浆的注入缓慢匀速拔出，然后插入锚杆。

(2)初始环钢拱架安装及加固

TBM每掘进1.8m且锚杆施工完成，待凝结束后，开始进行I18工字钢拱架安装施工。TBM掘进只在底部114°范围敷设2块标准块管片滑行，顶部246°范围进行工字钢拱架安装。钢拱架每榀分四节安装，每节钢拱架弧长4.8m，弧度R=4370mm。钢拱架安装采用单节安装形式，自下至上进行安装，单节钢拱架应与锚杆牢固焊接，再进行下节钢拱架安装，I18工字钢端部应焊接带孔钢板，两节钢拱架间采用M20螺栓进行固定。

(3)初始环现浇混凝土施工

锚杆和I18工字钢拱架施工完成后，对工字钢拱架外侧设置剪力架φ22连接钢筋，然后对高度3m范围的反力座现浇C30混凝土进行加固，拱顶部则采用湿喷厚度为50cm的C30混凝土进行加固。喷混凝土前，应采用胶布、帆布、彩条布对尾盾至豆砾石平台位置设备、液压管路等进行遮盖，防止混凝土回弹后对设备的侵害。

5.2.6 局部破碎洞段施工

为保证双护盾TBM锚网支护安全通过局部破碎洞段，需根据局部破碎洞段围岩具体情况，可灵活采用以下两种联合支护措施。

5.2.6.1 锚杆、钢筋排、喷混凝土联合支护措施

根据破碎洞段岩体情况和破碎段长度，利用手风钻造孔，采用长度L=2.5m间排距1m×0.5m的φ22药卷锚杆梅花形布置进行紧急加固，外露10cm并与钢筋排焊接。钢筋排采用φ22螺纹钢，其纵向间距10cm，环向间距50cm。钢筋排焊接完成后，湿喷厚22cm的混凝土。

5.2.6.2 锚杆、工字钢拱架、网片、喷混凝土联合支护措施

对于极不稳定的局部破碎洞段(具体由设计院确定)，采用长度L=2.5m间排距1m×0.5m的φ22药卷锚杆梅花形布置进行紧急加固，外露20cm并与工字钢拱架焊接。锚杆施工采用管片安装器位置的液压钻机进行。围岩脱离指型护盾后立即安装底管片以上246°范围I16间距50cm工字钢拱架，每支护循环不少于3榀拱架，拱架之间采用φ22钢筋进行连接加固，然后进行挂网施工，网片采用φ8@15cm×15cm，最后喷22cm厚混凝土。