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双护盾TBM在深埋长大水工隧洞的应用可行性研究

2022-02-16李心睿孙博何坤

安徽建筑 2022年1期
关键词:岩爆砾石刀盘

李心睿,孙博,何坤

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,四川 成都 610072)

1 工程概况

西藏某水电站引水隧洞全长约30km,隧洞开挖直径约9m,隧洞垂直埋深普遍较大,最大埋深约1600m,工程区海拔近3000m。引水隧洞沿线山体雄厚,山势陡峻,引水隧洞围岩以片麻岩及混合片麻岩为主,总体为坚硬岩,裂隙较发育,以片麻理及长大裂隙为主。该引水隧洞作为高原地区深埋长大隧洞,主要工程地质问题具有复杂性和特殊性,经初步分析隧洞主要存在围岩稳定、高地应力、高压突涌水问题等工程地质问题。

2 基于围岩类别(RMR)的TBM选型方法

TBM性能的发挥在很大程度上依赖于工程地质和水文地质条件,如岩体裂隙等级、岩石单轴抗压强度和断裂韧性将决定TBM掘进速率和工程成本;隧洞埋深、围岩等级、涌水大小等涉及掘进后的支护方案[1]。

根据国内外大量深埋长大隧洞工程TBM法施工研究成果,目前通常采用RMR方法进行机型选择。具体方法如图1所示:以敞开式TBM为基准,假设其最高适应权值为100%,不同RMR分值下敞开式TBM和双护盾TBM适用权值见图中蓝色与红色曲线。

图1 基于RMR的TBM选型图

某水工隧洞围岩类别按RMR方法进行划分,两种TBM的性能权值见表1。由表可知,该隧洞选用双护盾TBM比敞开式TBM在效率上要高32.84%,所以选择双护盾TBM是合适的。

基于RMR的TBM选型分析 表1

3 双护盾TBM主要改进措施

与传统双护盾TBM相比,对于深埋长大水工隧洞施工,需要TBM进行如下改进:

①在双护盾TBM基础上,实现在大变形区段能敞开式作业即增加喷混凝土台车,及时封闭围岩;

②在双护盾TBM尾护盾的尾部增加钢拱架安装、锚杆功能设备,以适应大变形地层;

③超前钻机系统分别配置在伸缩盾、盾尾等多个位置,要求能满足超前注浆加固要求,减少围岩变形量;

④预留快速处理卡机通道、平台及出渣通道设计,保证卡机快速处理;

⑤超前地质探测功能要完善,能满足日常作业要求,噪声小、效率高;

⑥盾体外侧润滑系统,降低围岩收敛的卡机风险。

4 双护盾TBM在不良地质条件施工应对措施

针对深埋隧洞常见的岩爆、大变形、断层破碎带及突泥突水地段,双护盾TBM具有较强适应性,下面逐一分析各种类型不良地质洞段应对措施[4~5]。

4.1 岩爆地段双护盾TBM施工对策

轻微岩爆和中等岩爆对TBM施工影响不大;

强烈岩爆和极强岩爆发生时,可能会导致顶部围岩坍塌,坍塌围岩压住刀盘和护盾,使护盾变形,特别是伸缩护盾和尾护盾,且TBM通过后可能使管片变形,产生较大的裂纹、错台,极端情况下可能使管片失去支护效果,对施工人员和设备造成极大的安全隐患。常规TBM在岩爆发生前难以进行超前预测和处理,岩爆发生后往往只能停机等待,极大影响掘进效率。

双护盾TBM配置超前地质预报系统、超前钻机后,可对高地应力区掌子面前方围岩进行预测和预处理,降低岩爆影响。主要手段:

①加强超前地质探测,预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。综合运用多种方法(如超前钻探、声反射、地温探测)判断可能发生岩爆高地应力的范围;

②改善围岩应力,加强回填灌浆,尽可能减少岩层暴露时间,减少岩爆的发生概率。必要时,打设超前钻孔或在超前钻孔中进行松动爆破,在围岩内部造成一个破坏带,即形成一个低弹区,从而降低掌子面应力,使高应力向围岩深部转移。施工时可在掌子面前方打设超前钻孔,部分释放掌子面应力;

③对工作面附近隧道岩壁喷水或钻孔注水来促进围岩软化,从而消除或减缓岩爆程度;

④加强施工监测及时采取对应处理措施

轻微岩爆:对护盾式TBM施工和管片衬砌结构基本没有影响,施工过程中主要采取加强刀盘喷水,降低岩石强度,并改装中型或以上管片,及时填充豆砾石缓冲岩爆压力,水泥浆滞后灌注。

中等岩爆:在轻微岩爆处理方式基础上,打超前钻孔,并注水释放围岩应力,同时采用重型管片衬砌。

强烈或极强岩爆:在中等岩爆处理基础上,安装钢制管片,增强管片抵抗岩爆的能力,同时预留更多的缓冲空间。

4.2 大变形地段双护盾TBM施工对策

软岩大变形容易导致TBM盾体包裹,推进变慢,严重的导致卡机;各个方向变形量不均容易导致TBM伸缩护盾和尾护盾产生不塑性变形,影响后续TBM施工;对于裂隙比较发育的软岩,常会发生围岩大变形,导致管片变形、破损,甚至完全失去防护能力。常规TBM采用小范围扩挖,能够解决一定程度的变形,但拉月隧道极高应力区面临变形量大的情况,需要更加强大的扩挖能力和强行通过能力,同时对已开挖洞段的支护要求更高。

新型双护盾面临软岩大变形洞段可采取以下手段:

①采用扩挖刀加大开挖直径,并及时检查扩挖边刀的磨损情况;

②各种变形级别情况下的分类应对

轻度变形:TBM正常掘进,加强围岩收敛监测,快速通过;采用轻型管片衬砌;隔离隧道内水流向岩体,严格控制施工用水;正常填豆砾石,水泥浆滞后灌注。

中度变形:加强围岩收敛监测,加扩挖刀具进行适量扩挖、减少停机时间,快速通过;更换为中型管片,提高管片应对变形的能力;隔离隧道内水流向岩体,严格控制施工用水;先进行底部、中部豆砾石回填,待围岩收敛基本完成后进行顶部豆砾石填充,水泥浆滞后灌注。

重度变形:加大扩挖量,持续加强围岩收敛监测,除必要的维护工作外,尽量减少TBM停机,在围岩收敛卡机前尽快通过;更换重型管片,保证在重度变形的围岩下管片具有足够的强度;隔离隧道内水流向岩体,严格控制施工用水;只进行底部填豆砾石,稳定管片保证隧道轴线,中部和顶部滞后填充豆砾石,尽可能多的给围岩收敛预留空间,水泥浆滞后灌注。

严重变形:使用最大扩挖量的扩挖刀具,尽可能多地预留收敛空间,持续加强围岩收敛检测,非必要情况不停机,尽可能快速通过;采用特制钢管片,加大收敛空间预留;隔离隧道内水流向岩体,严格控制施工用水;只进行底部填豆砾石,稳定管片保证隧道轴线,中部和顶部滞后填充豆砾石,尽可能多地给围岩收敛预留空间,水泥浆滞后灌注;采用让压锚杆进行对管片进行加固,使管片和围岩形成联合受力,增加稳固性。

③一旦发生卡机现象,施工人员必须马上作出处理措施,防止TBM变形受损。如机头已被卡死,处理措施:首先采取加大推进力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂,以减少机身与围岩间的擦力,看能否解困;如果上述方法不能解困,则需要通过拉开伸缩护盾开个窗口,通过此窗口对TBM机身进行扩挖;对扩挖区进行有效支护,并对围岩进行监测。解困后迅速回填豆砾石,并进行固结灌浆加固,防止围岩继续变形,影响隧道质量。

4.3 断层破碎带地段双护盾TBM施工对策

TBM通过断层破碎带时,局部坍塌的大石块,可能卡住刀盘或护盾,使TBM刀盘无法转动、TBM无法向前掘进;撑靴的反作用力降低,撑靴护盾侧滚,可能造成TBM非正常停机等现象;破碎的岩渣可能卡住伸缩护盾等设施;掘进过程中出现TBM刀盘下沉,姿态难以纠正,且影响隧道成洞质量;断层破碎带洞段施工可能使TBM掘进方向偏移,管片安装接缝超标,出现大的错台和裂缝;TBM通过断层破碎带后,如果管片回填豆砾石、水泥灌浆不饱满或不及时造成管片下沉、开裂,出现TBM后配套不能顺利通过。

常规双护盾TBM主要采用钢筋混凝土管片,新型双护盾在结构上进行了管片分级的设计。主要分为以下几种方案:

①断层带小于5m的方案

双护盾TBM不停机快速通过,安装重型管片,正常回填灌浆。

②断层带大于5m小于15m倾角较大的方案

这种断层稳定,无坍塌,断层倾角大,掘进时对刀盘的顶部及侧部压力不大,但是需要关注伸缩护盾内外盾之间是否有岩渣卡住。可采取双护盾TBM不停机快速通过,控制刀盘喷水的流量,安装重型管片,及时进行豆砾石灌注、水泥浆灌注等措施。

③断层带大于5m小于15m倾角较小的方案

首先,TBM进入局部坍塌位置的断层带前先停机,使用TBM超前钻机系统进行化学灌浆法(聚氨酯泡沫、水玻璃等)和双浆液法进行预胶结处理;采用单护盾模式进行掘进并关闭刀盘喷水系统;TBM掘进时以低转速、大扭矩参数掘进;封闭部分刀盘铲牙,减少超方量;安装重型管片,及时进行豆砾石回填、水泥浆灌注;将TBM检修、皮带机维护、刀盘维护与换刀等工作提前完成,尽可能减少过断层期间停机;TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆;若断层破碎带部位存在地下水:采取“以排为主”的原则,打排水孔排水,若水量变较大时,及时通过流速仪、流量仪测量、观察水流变化情况,并确定专项处理方案。

④断层带大于15m局部坍塌的方案

这种断层带较大,围岩破碎,不稳定,掘进时围岩对刀盘顶部及侧部压力大,存在局部坍塌压住或大石块卡住刀盘风险。

TBM进入此种断层带前先停机,先分段进行处理、再掘进。在断层带大于5m小于15m倾角较小的方案措施基础上TBM通过之后及时对该断层区域段进行二次固结灌浆,并对灌浆区域进行变形观测跟踪。

⑤断层带大于15m塌方严重的方案

采用常规钻爆法对TBM上部岩体进行揭顶开挖,辅助TBM通过断层破碎带;TBM在空载状态下直接步进通过,通过后恢复掘进,对超挖部分进行回填注浆。

4.4 突涌水地段双护盾TBM施工对策

在TBM配置时就考虑加强伸缩护盾、尾护盾、喂片机区域的水泵管路布置,采用“一用一备”、隧道内回水、排水管路连接至洞外,按较大排水量进行排水管路设计;在TBM施工布置时尽可能采用上坡掘进避免下坡掘进。主要利用定位底管片预制的排水沟自流排水[3]。

5 结语

本文基于采用基于围岩类别(RMR)的TBM选型方法,对比预测了敞开式和双护盾TBM在本工程水工隧洞中的掘进效率,认为双护盾TBM具有更好的适应性。同时,进行了提出了双护盾TBM主要改进措施,并对改进后双护盾TBM的施工方法进行了论述,增强双护盾TBM适应性,扩大双护盾TBM应用范围,提高双护盾TBM在不同不良地质条件下掘进效率。可以看出,双护盾TBM经过针对性改进后,在本工程等类似的高海拔地区深埋长大水工隧洞可行的。

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