开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩_软岩地层的施工技术

合集下载

长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术

总502期2019年第16期（6月上）0 引言在隧道工程施工中和隧道掘进完成后，需要进行初期支护施工以及混凝土浇筑，施工工序烦琐，工期比较长。

对此，对于长大隧道工程，可采用TBM （tunnel boring machine ）掘进施工，且与衬砌同步施工，可充分利用施工时间，进而缩短工期。

因此对长大隧道施工中的开敞式TBM 同步衬砌施工技术要点进行深入研究迫在眉睫。

1 TBM 同步衬砌施工方案1.1 整体式方案整体式施工方案指的是在常规的TBM 后增加部分台车，同时安装二次衬砌施工所需模板，进而将TBM 后台车与衬砌台车连接为同一个整体。

整体式施工方案的优势主要体现在以下两点：①能够有效减少隧道工程掌子面与二次衬砌之间的距离；②能够有效避免大直径通风软管穿越台车。

但是整体式方案在实际应用中也有一定的缺陷：在实际施工中，容易受到空间的限制，对于TBM 掘进施工所需材料以及二次衬砌施工所需材料，运输难度较大。

要求TBM 掘进与二次衬砌的施工速度保持一致，如果二者施工速度无法保持一致，就会影响整个工程施工工期。

在二次衬砌施工中，只能够选用单套模板，因此二次衬砌施工速度比较慢，很难实现TBM 掘进与二次衬砌的同步进行。

如果选用滑模台车，综合考虑施工速度以及混凝土养护因素，要求模板具有较大长度，这样才能够适应TBM 掘进施工速度要求，施工难度较大。

如果选用液压钢模台车，要求模板保持固定位置，而同步衬砌台车需运动，因此要求增加后配套长度，此时模板与台架之间的运动形成也比较大，台车设计难度比较高。

1.2 分离式方案分离式施工方案指的是首先进行TBM 掘进施工，然后再进行二次衬砌施工，二者要求平行作业并保持一定的距离，要求衬砌台车的施工效率应与TBM 掘进速度相匹配，结合工程实际情况确定模板的长度以及台车的数量。

在对衬砌台车的结构形式进行设计时，要求综合考虑皮带机、水管、通信电缆、运输车辆等诸多因素，同时还应该注意保持施工材料运输的连续性以及施工现场的排水条件、供电稳定性、照明条件等等。

开敞式tbm施工工艺流程

开敞式tbm施工工艺流程英文回答：Open-type TBM (Tunnel Boring Machine) construction is a method commonly used in tunneling projects. It involves the use of a large, cylindrical machine to excavate tunnels by drilling through the ground. The process can be dividedinto several key steps.Firstly, the TBM is assembled and launched at the starting point of the tunnel. This typically involves assembling the machine in sections and lowering it into a launch pit. Once in place, the TBM is activated and begins drilling into the ground.As the TBM progresses, it creates a tunnel by excavating the soil or rock in its path. The excavated material is then transported out of the tunnel using a conveyor belt or other means. This process continues until the TBM reaches the end of the tunnel.Throughout the excavation process, the TBM is supported by a series of precast concrete segments. These segments are placed behind the TBM as it advances and form thelining of the tunnel. They provide stability to the tunnel and protect it from collapsing.In addition to the excavation and lining process, there are several other important aspects of open-type TBM construction. One such aspect is the installation of ground support systems, such as rock bolts or shotcrete, to reinforce the tunnel walls and prevent instability. This is particularly important in areas with weak or unstable ground conditions.Another important step is the installation of utilities within the tunnel. This can include the placement of electrical cables, water pipes, or ventilation systems. These utilities are essential for the functioning of the tunnel and must be carefully installed to ensure their proper operation.Once the tunnel is fully excavated and lined, the TBMis removed from the tunnel through a retrieval shaft or by dismantling it underground. The tunnel is then inspectedand any necessary repairs or finishing touches are made before it is ready for use.Overall, open-type TBM construction is a complexprocess that requires careful planning, coordination, and execution. It is a highly efficient method for tunnelingand has been used in numerous projects around the world.中文回答：开敞式TBM（隧道掘进机）施工是一种常用的隧道工程方法。

开敞式TBM应对地质灾害施工技术

土衬砌作为永久支护。
２Ｂ掘进过程中坍塌形成的原因ＴＭ
２１拱顶松动坍塌．
为一长８．的输水隧洞，５２ｍ３ｋ隧洞底坡为１２３０／８，
埋深大多在１０３０ｍ之间。工程在总体布置上０￣０
采用开敞式ＴＭ开挖的隧洞，Ｂ岩体中开挖洞室后出现了临空面，体有了变形的空间，岩由于应
能力降低，造成沿结构面的掉块坍方；易而且节理发育，在２３组，３组以上，ｘ型或米字型多－或呈交叉布置，易造成受力不平衡，成坍方。更造
挤压软弱结构面在断层附近较发育，主要由
力局部释放，岩体发生卸载而向隧洞内变形，使原来平衡的三维初始应力状态必然要引起应力的重
充分利用天然地形，设施工辅助支洞１布４条。隧洞施工采用以掘进机为主、钻爆法为辅的联合作
３１预测围岩状况．
１根据地质编录进行预报。由长期从事地质）
图１坍塌示意图
工作的地质工程师，护盾后围岩做地质素描，对地质素描的内容主要包括地下水状态，层岩性，地岩石特征，质结构面，弱夹层，穿性的大节理、地软贯断层等，根据地质素描图的内容，绘制地质素描图，并做出开挖面前方较短距离内的岩体稳定性分析，此编制隧洞地质编录，据地质编录分析据根和预测围岩的稳定情况，断围岩是否稳定，稳判不

单线铁路隧道敞开式掘进机(TBM)施工技术探讨

控制模式。
② 节理发育的软岩状况下作业。掘进推力较小，应选择自动扭矩控制模式，并密切观察扭矩变化，调整最佳掘进参数。一般掘进速度可调整在８％左右，０但必须保证扭矩值‘ ０８％，且变化范围蕊１相应贯人度为１ｍｏ０％，０ｍ ③ 节理发育且硬度变化较大围岩状况的作业。因围岩分布不均匀，硬度变化大，有时会出现较大的振动，推力和扭矩的变化幅度大，所以必须选择手动控制模式，密切观机系统。主机系统主要由带刀具的刀盘、刀盘驱动和推进系统组成。主机刀盘上安装有一定数量的盘形滚刀，当刀盘旋转时盘形滚刀划出的痕迹是以刀盘中心为圆心的、间距均匀的同心圆切槽。在掘进时，支撑系统把主机架牢固地锁定在开挖的隧道洞壁上，承受刀盘扭矩和推进力的反力。推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给主机架和刀盘，推动刀盘破岩掘进。在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自硬岩掘进机的刀具组成目转。前是单刃盘形刀具，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，滚刀在掌子面固定同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的强度时，盘形刀下的岩石直接破碎，盘形刀贯人岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，此为破岩原理（１０崩落在隧底图）的岩碴被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集到主机内的皮带机上，通过三级皮带机系统倒运后，运送到后配套矿车处卸碴，矿车运送出碴至翻
掘进作业口
（）４做好细致的地质超前预报，掌握前方详细的地质情况尤为关键，依据不同地质情况选择合理的掘进参数对保证ＴＭ设备完好率和提高机时利Ｂ用率起着决定性的作用。（）５按设计选择合理的初期支护参数，确保围岩稳定、隧道净空和人机安全。（）６制定合理的维修保养制度，保证设备的正

隧道TBM施工关键技术应用

隧道TBM施工关键技术应用摘要：TBM具有快速、安全、高效的显著特点。

掘进机在我国隧洞工程中相继应用，虽然技术先进，但是，只有完全掌握这项技术，对隧洞施工全过程中的每一个环节进行严格把关，才能真正保证掘进机隧洞施工质量。

本文对隧道TBM施工的几点关键技术进行了分析。

关键词：TBM；施工关键技术；涌水；超前预报TBM隧道掘进机，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。

相对于传统的隧道开挖方法，尤其是在长达隧道方面，TBM隧道施工有无可比拟的优势，它集钻入、掘进、支护于一体，通过采用先进的电子信息、遥测遥控等先进技术对整个施工作业全过程进行制导和监控，使隧道施工过程始终处于可控状态，在国际上现已广泛应用于水利水电、铁路公路、市政交通等隧道工程中。

施工企业，特别是国有大中型施工企业要在隧道施工市场立于不败之地，获取市场竞争中的技术优势、品牌优势和成本优势，那么科学运用TBM隧道掘进机加强质量控制势在必行。

一、超前地质探测技术由于长隧道在施工前的地质勘查不可能做得十分详尽，因此常常在施工中出现一些不可预见的地质灾害，例如涌水、岩溶、瓦斯、断层、膨胀岩、高地应力、围岩大变形等。

因此，TBM在掘进过程中，必须有超前地质探测的保证。

超前地质预报为TBM掘进施工中隧洞地质监测的重要组成部分，它包括隧洞围岩描述、水文地质监测、施工地质测绘、围岩变形监测、围岩类别判别、仪器现场量测、不良地质体预报及相应的地质、测试资料分析和成果整理等工作，并及时提供超前地质预报成果资料。

超前地质预报工作主要是对围岩及水文地质条件进行监测、对不良地质体进行预报，及时获取现场第一手地质资料和仪器测试数据，是地质预报工作成败的关键，同时现场地质工作和仪器测试与隧洞TBM掘进施工相互干扰、又相辅相成。

因此，进行超前地质预报的地质工程师要在充分了解前期地质工作的基础上，对隧洞的工程及水文地质条件进行认真的调查，时时跟进TBM施工，在TBM 检修维护的空隙时间里及时的进行仪器测试，保证采集的资料、数据准确无误，并尽快提供分析成果，为围岩支护和不良地质体的超前处理提供依据。

整理开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩软岩地层的施工技术

开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层旳施工技术一、φ8.8mTBM施工旳秦岭隧道（一）秦岭专长隧道TBM施工秦岭隧道位于安康铁路线上，是我国最长单线铁路隧道，全长18.46km，进出口高差约155m。

是国外铁路应用TBM施工旳第三座长隧道（英法海峡隧道，瑞士费尔爱那铁路隧道）。

(1)地质条件横穿秦岭东西向构造带，历经多期构造运动、变质作用、岩浆活动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性都很复杂。

岩性以混合花岗岩、混合片麻岩等坚硬岩石为主，干抗压强度78~325MPa。

岩体完整,节理不多。

断层带裂隙多、裂隙水发育。

存在地热、高地应力及岩爆等不良地质。

(2)断面设计隧道设计为圆形断面，开挖直径8.8m，成洞直径7.7m。

(3)施工措施秦岭I线隧道采用2台敞开式全断面TBM(TB880E型)掘进、有轨运送、全圆穿行式模板台车进行二次模筑混凝土衬砌旳施工方案。

单工序作业，先开挖、后衬砌。

(4)施工六大难题1）TBM制造难（五大技术难点）：①大直径；②大扭矩（5500kN·m）；③大推力（21000kN）；④大功率（刀盘功率3440kW、总功率5400kVA）；⑤寿命长（主轴承＞10000h、密封圈＞12023h ），备轴承1个，可开挖40km寿命。

直径大（φ＝8.8m），从制造到实用均承担机械设备设计、制造风险和施工风险。

国外成熟旳TBM掘进机旳直径均在3~6m范围，占生产总数旳95%左右，不小于6m直径旳很少，真正用于铁路隧道旳更少，由于铁路隧道控制掘进方向比其他用途旳隧道要严得多。

2）岩石硬度很大，重要在混合片麻岩和混合花岗岩中掘进。

岩石抗压强度不小于100MPa，最高达200MPa以上，石英含量均在10~35%，节理少、整体强，有岩爆（1000m埋深）。

因此刀具旳磨耗也很严重，这个风险在国外也是少有旳。

由于选用开放式TBM，通过软岩地层也难，因此在穿越各软弱地层、断层时，会产生围岩失稳、涌水等地质灾害，但通过两座软弱围岩施工，证明是可行旳。

TBM 法施工工艺作业指导书

- 297 -TBM 法施工工艺作业指导书概述一、敞开式TBM开敞式 TB M ，也称支撑式TB M 或撑靴式T BM 。

开敞式TB M 主要适用于岩石整体较完整，有较好自稳性的中硬岩地层。

在开敞式TB M 上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，开敞式TB M 也可应用于软岩隧道。

开敞式TB M 只需要有顶护盾就可以进行安全施工，如遇有局部不稳定的围岩，由TB M 所附带的辅助设备通过打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、架圈梁等方法加固，以保持洞壁稳定；当遇到局部地段特软围岩及破碎带，则TBM 可由所附带的超前钻及灌浆设备，预先固结前方上部周边一圈岩石，待围岩强度达到能自稳后，然后再进行安全掘进。

采用开敞式TB M 施工，掘进过程可直接观测到洞壁岩性变化，便于地质图描绘。

采用开敞式TB M 施工时，永久性的衬砌待全线贯通后集中进行。

开敞式T BM 支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，盘形滚刀切入岩石，在岩石面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，连续掘进成洞。

开敞式TB M 主要用在岩石整体性较好、有一定自稳性的围岩的隧洞，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力。

使用开敞式 TB M 施工，可以直接观测到被开挖的岩面，从而能方便地对已开挖的隧道进行地质描述。

由于开挖和支护分开进行，使图 4.0.1-1 敞开式 T BM 西安安康铁路秦岭隧道全断面掘进机（海瑞克）开敞式TB M 刀盘附近有足够的空间用来安装一些临时、初期支护的设备如圈梁安装器、锚杆钻机、超前钻机、喷射混凝土设备等。

如遇有局部不稳定的围岩，可以在T BM 刀盘后进行临时支护，如打锚杆、喷混凝土、加钢筋网、圈梁，以保持洞壁稳定；或钻超前孔并进行灌浆以固结前方围岩然后再掘进。

长距离大坡度隧洞开敞式掘进机(TBM)全断面施工工法

长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法一、前言隧洞工程在现代交通、水利、能源等基础设施建设中占据重要地位。

长距离大坡度隧洞的施工面临着诸多挑战，如地质复杂、工期紧张等。

为了满足这些挑战，长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法应运而生。

本文将详细介绍该工法的特点、适应范围、工艺原理、施工工艺、劳动组织、机具设备、质量控制、安全措施以及经济技术分析。

二、工法特点长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法具有以下特点：1、高效快速：TBM采用现代化设备和自动化技术，能够实现连续掘进、支护和后续施工工序，施工效率高，工期可缩短。

2、安全可靠：TBM作业面封闭，能够有效控制尘埃、噪音和恶劣环境对施工人员的影响，提供安全保障。

3、质量可控：TBM采用先进的定位和导向系统，能够准确控制隧道的偏差和纵横断面的尺寸，保证施工质量。

4、环保节能：TBM施工过程中产生的废弃物、尘埃等污染物能够得到有效管理，节约能源。

5、适应性强：TBM可以适应各种地质条件和施工要求，可用于挖掘各种断面形状的长距离大坡度隧洞。

三、适应范围长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法适用于以下场景：1、交通隧道：如公路、铁路、地铁等。

2、水利隧洞：如水库溢洪道、输水隧洞等。

3、电力隧道：如输电隧道、升压站隧洞等。

4、资源开发隧道：如矿山开采、石油、天然气等。

5、城市地下综合管廊。

四、工艺原理长距离大坡度隧洞开敞式掘进机（TBM）全断面施工工法的工艺原理主要包括施工工法与实际工程之间的联系和采取的技术措施：1、地质调查和分析：通过地质调查了解隧洞工程的地质条件，包括地层分布、岩石性质、巷道构造等，为施工工艺的确定提供基础。

2、设备选型：根据隧洞工程的长度、倾角、断面形状等特点，选择合适的TBM型号和配套设备。

3、开始施工：首先进行掘进端的开挖和初期支护，然后启动TBM掘进，控制进尺和隧道纵横断面的尺寸。

开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩-软岩地层施工技术应用论文

开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩\软岩地层的施工技术应用摘要：某些地区受地形条件的影响或外在条件的制约，在开凿隧道时运用钻爆法施工开凿隧道的方法已经无法实现设计要求并且费工费时，并且在施工中可能会遇到特硬岩和软岩底层的特殊地形结构，这也给隧道的开凿造成了一定的难度和影响。

为了达到预期的目的和效果，下面我们将对采用国际最先进的开敞式tbm在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术应用进行分析。

关键词：开敞式tbm；铁路长隧道；特硬岩、软岩地层；施工技术中图分类号：tu74 文献标识码：a 文章编号：tbm是“掘进机”的英文简称，有关部门将其称为隧道掘进机。

tbm是隧道施工中较为高科技的施工方法，它是一种运用刀盘旋转切割隧道岩石全断面的机器，近年来得到普遍运用，自1997年开始我国就在不断的运用这种技术对隧道进行设计和施工，经过长时间的实际应用和不断的探索我国已经熟练的掌握了tbm的各方面工序。

接下来我们就我国铁路隧道的现状、出现的问题及对策分别进行探究。

一、我国铁路隧道现状（一）覆盖地区广随着我国经济的发展人民生活水平的提高，便利的出行已经成为人们必要和迫切要求的条件了，现在的人们更加注重生活的质量，在工作之余都希望能出门旅行放松一下体会大自然的风光，领略大山大水的美，有些人也愿意走亲访友。

这就对出行的要求有所提高，从最开始的自行车马车到现在的机动车轿车火车飞机，其中公路的发展和公共设施的全面建设也给人们的出行带来了便利，我国二十多个省市在铁路建设方面也都有着不小的成绩，通向西部的铁路著名的有川藏、新藏和滇藏。

铁路的建设也已经突破了自然环境的限制并趋于更加人性化的设计，以前可能少数地区通铁路，铁路只集中于大城市，铁路的发展正在向着节省空间、资源、经济，真正的做到服务为民的目的发展。

我国是多山的国家，山地地形多少给铁路的修建带来了不便，由于绕山建设费工费时并且资金量过大，所以铁路隧道的的开凿成为了唯一的破解之道，但由于山体的结构和组成成分不同，隧道的开凿也出现了这样或那样的麻烦，给施工带来不便。

TBM 在铁路长隧道硬岩地层的施工技术研究

TBM 在铁路长隧道硬岩地层的施工技术研究摘要：某长大隧道所处地层以硬岩为主,区间采用TBM 施工。

本文以此硬岩隧道为例，对盾构长距离穿越硬岩地层时所遇到的技术难题进行研究，采取合理地施工选线、贯通测量、支护、刀具防磨损等措施化解了难题，望对类似工程有所帮助。

关键词：TBM；铁路长隧道；硬岩一、TBM-岩石隧道掘进机TBM-岩石隧道掘进机，是利用刀具在岩石上挤压和回转来破碎围岩、形成隧道开挖断面的隧道掘进施工机械。

相对钻爆法，TBM 集钻、掘进、支护于一体，使用电子、遥测、遥控、信息等高新技术对隧道施工作业进行制导监控，使掘进过程始终处于掘进最佳状态。

TBM 多应用于稳定性良好、中厚埋深、中高强度的岩层掘进施工中。

这类掘进机面临的基本问题是如何破岩，保持掘进的高效率和工程顺利。

TBM 的破岩原理为:主机前部是装有若干滚刀的刀盘,由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转,并由推进系统给刀盘提供推进力,在推进力的作用下滚刀切入岩石掌子面。

不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石渣，石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动拾起，经刀盘内的溜渣槽输送到装在主机上的胶带机上，再运到后配套系统处经隧道出渣运输系统运出洞外。

二、TBM 在铁路长隧道硬岩地层中的应用（一）工程概况某铁路线路全长330km，穿越众多山脉，其中A 隧道全长34.538km,隧道穿越A 山，最大埋深1155m，埋深超过400m 的长度约28km，占隧道全长的81%，辅助坑道设置十分困难。

根据隧道实际情况，若全隧采用钻爆法施工，无法通过增设辅助坑道实现“长隧短打”实现设计工期（64 个月）的目标。

为满足设计工期要求，需研究采用TBM 施工，通过缩短隧道施工工期，达到满足建设项目总工期的要求。

（二）施工方案选择敞开式TBM 主要用于岩石整体性较好、围岩有一定自稳能力的隧道施工，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力，能充分发挥TMB 快速掘进优势。

TBM 法施工工艺作业指导书

- 297 -TBM 法施工工艺作业指导书概述一、敞开式TBM开敞式 TB M ，也称支撑式TB M 或撑靴式T BM 。

开敞式TB M 主要适用于岩石整体较完整，有较好自稳性的中硬岩地层。

在开敞式TB M 上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，开敞式TB M 也可应用于软岩隧道。

采用开敞式TB M 施工，掘进过程可直接观测到洞壁岩性变化，便于地质图描绘。

采用开敞式TB M 施工时，永久性的衬砌待全线贯通后集中进行。

开敞式TB M 主要用在岩石整体性较好、有一定自稳性的围岩的隧洞，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了足够的推力。

使用开敞式 TB M 施工，可以直接观测到被开挖的岩面，从而能方便地对已开挖的隧道进行地质描述。

敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程

收稿日期:2019-03-25;修回日期:2019-06-13作者简介:薛景沛(1977 ),男,河南唐河人,1999年毕业于西南交通大学,隧道及地下工程专业,本科,高级工程师,主要从事盾构㊁TBM 施工管理工作㊂E-mail:157825@㊂敞开式TBM 安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM 施工段为例薛景沛(中铁隧道股份有限公司,河南郑州㊀450001)摘要:岩爆为深埋隧洞施工的主要灾害之一,为有效解决敞开式TBM 在强岩爆地层施工中安全风险高㊁效率低这一核心问题,依托引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM 段在岩爆防治措施上的多年实践与研究,形成具有针对性的强岩爆防治技术体系㊂研究结果表明:1)引进微震监测岩爆超前预测系统后,通过监测实施过程中数据的不断分析与修正,能大致推断出掌子面前方约15m 范围内围岩可能出现的岩爆等级;2)采取合理的超前钻孔应力释放预处理措施,可以降低围岩出露TBM 护盾后岩爆发生的规模与频率;3)通过对治理工艺进行优化,可实现高岩爆风险区围岩的快速封闭;4)采用合理的支护材料,能有效防止滞后性强岩爆对初期支护体系的破坏㊂系统的防治体系有助于强岩爆地层的施工安全管控,也可达到加快施工进度的目的,对类似工程具有一定借鉴意义㊂关键词:隧洞;敞开式TBM;强岩爆;防治措施;岩爆预测;超前预处理DOI :10.3973/j.issn.2096-4498.2019.06.012文章编号:2096-4498(2019)06-0989-09中图分类号:U 455.4㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:B开放科学(资源服务)标识码(OSID ):Construction Technology of Open TBM Safely and Rapidly Pass throughStrong Rockburst Formation of Lingnan Section on Qinling Tunnel ofHanjiang River-Weihe River Water Conveyance ProjectXUE Jingpei(China Railway Tunnel Stock Co.,Ltd.,Zhengzhou 450001,Henan ,China )Abstract :The rockburst is one of the major disasters in deep tunnel construction.Hence,the safety and efficiency ofopen TBM boring in strong rockburst formation should be ensured.A targeted technical system of strong rockburstprevention and control is formed based on years of practice and research on the prevention and control measures forrockburst in Lingnan TBM section of Qinling Tunnel of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project.Thestudy results show that:(1)The possible rockburst level within 15m ahead of tunneling face can be roughly deduced byusing microseismic monitoring rockburst advanced prediction system and continuous analysis and correction of themonitoring data.(2)The scale and frequency of rockburst after TBM passing through can be reduced by adoptingrational pre-drilling stress release pretreatments.(3)The rapid sealing of the surrounding rock in the high rockburst risk zone can be realized by optimizing the treatment process.(4)The damage of primary support induced by hysteresis rockburst can be prevented by using proper supporting materials.The prevention system contributes to the constructionsafety control of the strong rockburst formation,and can also reduce the construction schedule.The results can providereference for similar projects in the future.Keywords :tunnel;open TBM;strong rockburst;control measures;rockburst prediction;advanced pretreatment0㊀引言随着地下工程施工技术的飞速发展,TBM 被越来越多地应用于长大隧道施工中㊂大埋深㊁高地应力地质条件下,岩爆的预防与治理显得尤为重要㊂文献[1-3]对国内外岩爆研究现状和岩爆特征㊁预测等进行了深入的研究㊂张斌等[4]提出了钻屑法隧道建设(中英文)第39卷㊀或岩芯饼化率法㊁地震波预测法㊁声发射(A-E)法等岩爆预测方法和相关防治措施㊂张秉鹤[5]对浅埋洞段岩爆发生的机制进行了阐述并提出防治措施㊂冯建军[6]描述了隧道岩爆特征:岩爆声响既发生在掌子面也发生在岩体内部,轻微岩爆的声响较为清脆,可听到啪㊁啪嘎㊁嘎的声响;强烈岩爆的声响较为沉闷,类似于嘭㊁嘭并夹有啪㊁啪的声响㊂何满潮等[7]利用自行设计的深部岩爆过程试验系统,对大埋深㊁高地应力作用下的花岗岩岩爆过程进行了试验研究,根据试验结果将花岗岩岩爆分为滞后岩爆㊁标准岩爆和瞬时岩爆㊂罗志虎等[8]结合锦屏二级水电站,针对TBM施工中的岩爆问题进行了分析,并提出较好的治理措施㊂综上,国内外学者在岩爆防治㊁施工处理等方面提出了一些较好的建议,但关于强岩爆地层处理措施的研究却稍显不足,尤其是针对敞开式TBM的强岩爆治理㊂由于TBM设备自身的局限性,主动防护措施实施难度较大,加上目前岩爆超前预测技术还处于探索时期,在发生强烈或极强岩爆的情况下,会由于预测准确率不足或未能及时实施超前预处理,导致支护强度不足和支护不及时的问题,严重影响施工进度与成本㊂本文以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为依托,对敞开式TBM在强岩爆地层的施工技术进行研究,探索合适的技术手段,以期解决TBM安全㊁快速通过强岩爆洞段的问题㊂1㊀工程概况引汉济渭工程是针对关中地区缺水问题提出的陕西省内南水北调工程的骨干调水线路工程,是促进关中天水经济区发展的大型水利工程㊂引汉济渭工程岭南TBM标段位于陕西省宁陕县四亩地镇境内,全长18.275km,设计流量70m3/s,多年平均输水量15亿m3;隧洞平均坡降为1/2500,采用敞开式TBM掘进施工,横断面为圆形,直径8.02m㊂工程位于秦岭岭脊高中山区,地形起伏,高程范围为1050~2420m,洞室最大埋深约2012m㊂工程范围内主要涉及到的地层为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩㊁印支期花岗岩㊁华力西期闪长岩以及断层碎裂岩㊁糜棱岩㊂掘进段穿越石英岩㊁花岗岩及闪长岩约占围岩总量的75%以上㊂最大水平主应力S H为16.11~23.7MPa,最小水平主应力S h为10.11~ 15.41MPa,最大水平主应力方向为N30ʎ~46ʎW(与隧洞轴线夹角为65ʎ~81ʎ),优势作用方向为北西向[9]㊂深钻孔地应力实测结果表明,三向主应力的关系为S H>S h>S v(垂直主应力),具有较为明显的水平构造应力作用,地应力值较大㊂在大埋深条件下,由于隧洞的开挖,洞室附近产生应力集中,具备发生岩爆的应力条件㊂2㊀工程区域岩爆情况引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段由于隧洞埋深大㊁地应力高㊁岩石完整性好,在TBM第1掘进段共计8521m的洞段施工过程中,发生不同规模岩爆304次,岩爆段长度合计3549m,占掘进总长的41.6%㊂其中,大部分岩爆为轻微至中等程度,强烈与极强岩爆(以下简称强岩爆)共发生9次㊂总体岩爆分布情况见表1㊂表1㊀岭南TBM施工段强岩爆发生段统计表Table1㊀Statistics of occurrence of strong rockburst of Lingnan TBM construction section桩号部位最大单块岩石尺寸/(mˑmˑm)一次爆落岩石量/m3岩爆爆坑深度/m爆落岩石岩性埋深/m岩爆等级K28+571~+57611点 1点半 2.4ˑ1.1ˑ0.534 1.5石英岩539强烈K29+028~+03510点 1点半 1.2ˑ0.6ˑ0.412 1.2花岗岩夹石英岩619强烈K33+653~+66711点 2点 1.4ˑ0.5ˑ0.427 2.1石英岩㊁石英片岩1205极强K33+675~+68212点 2点半 1.7ˑ1.1ˑ0.433 1.8花岗岩夹石英岩1216强烈极强K33+850~+86011点 2点半 1.4ˑ0.5ˑ0.416 1.8花岗岩夹石英岩1325强烈极强K34+091~+09910点 2点 1.1ˑ0.4ˑ0.222 2.0花岗岩夹石英岩1243强烈极强K34+119~+13011点 1点半 1.1ˑ0.8ˑ0.317 1.9花岗岩夹石英岩1271强烈K35+517~+52311点 1点半 1.2ˑ0.6ˑ0.49 1.4花岗岩夹石英岩1310强烈K36+601~+60911点 1点半 2.0ˑ1.1ˑ0.3 5.5 1.7花岗岩夹石英岩1440强烈2.1㊀强岩爆特征与规律1)岩爆部位㊂强烈岩爆多发生在距离掌子面2倍洞径范围内,岩爆声较沉闷,如轰雷声,主要集中在拱部120ʎ范围内;岩爆掉块后塌坑深度为0.7~3m,边墙出现概率约为20%,底板偶有出现;极强烈岩爆会导致整个拱部及边墙岩体破坏,距离掌子面5倍洞099㊀第6期薛景沛:㊀敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例㊀径内的岩体均会受到影响,岩体塌腔深度超过3m㊂此外,当岩爆地段存在长大节理发育情况时,岩爆规模与等级较大,围岩坍塌严重,滞后性岩爆发生的概率也随之增大㊂2)岩爆时间㊂强烈岩爆一般在开挖揭示后48h 左右应力释放才完成,其中24h内居多;部分强烈岩爆滞后时间难以确定,短则三四天,长则上月㊂3)地质条件㊂当围岩抗压强度在100~200MPa 时,发生岩爆的概率较大㊂其中,岩体强度在130~170 MPa(隧洞垂直埋深1200m左右)时,岩爆发生频率与等级较高;低于100MPa时,岩爆较少,多以轻微岩爆为主;超过200MPa时,岩爆概率降低,以轻微岩爆为主㊂在长大节理较发育时岩爆较多;整体完整性较好时,爆落块石以扁平状为主;长大节理轻微发育时,爆落块石以节理切割块状为主;岩体出现基岩裂隙水㊁涌水时,基本无岩爆发生;岩体脆性较大时,岩爆规模相对较大㊂4)其他特征㊂隧洞开挖㊁支护㊁仰拱等施工扰动可能导致围岩应力的重新分布;高压水冲洗岩体有利于应力的快速调整与释放㊂2.2㊀岩爆对施工造成的影响1)对施工人员安全的影响㊂岩爆多发生在拱部120ʎ范围内,平台上部作业人员较多,发生岩爆会对作业人员造成很严重的伤害㊂2)对设备的影响㊂虽然TBM相关设备已经进行了防护,但若岩爆规模较大,一般的防护措施不能起到很好的防护效果,机械设备也将面临砸坏的风险,需要维修或重新购买配件更换,进而影响工期㊂现场照片如图1所示㊂3)岩爆对初期支护体系的影响㊂部分滞后时间较长的岩爆在初期支护已经完成后发生,对已完成支护造成破坏,需要对其重新进行施工,增加了工程量和施工成本㊂现场照片如图2所示㊂3㊀强岩爆治理技术流程从岩爆定义可以看出,岩爆是结果,围岩破坏和微震是原因㊂因此,采取以下措施对岩爆进行治理:1)采取部分超前措施降低能量释放的强度;2)为降低安全风险通过加强初期支护进行防治[10]㊂在强岩爆地层,应坚持先预测后施工的原则,通过预测分析确定岩爆等级,据此确定掘进参数㊁超前支护与后续初期支护措施㊂首先,在强岩爆段严格控制TBM推进速率,以最大限度地减缓与降低应力重分布带来的应力聚集;其次,进行岩体地应力能量的预释放,根据地质分析及地应力检测数值分析等,确定应力集中和能量集中较大的部位,确定超前应力释放孔的位置及其优化布置参数,实施超前应力释放;最后,开挖后围岩出露护盾后应制定针对性支护方式,优化支护措施,避免或降低岩爆的发生风险㊂如采用纳米仿纤维混凝土㊁柔性钢丝网㊁预应力锚杆㊁消能锚杆㊁消能钢拱架等新材料,尽可能地吸收岩爆破坏时释放的能量,进而有效控制岩爆[11]㊂(a)岩爆砸坏锚杆钻机(b)岩爆砸损L1区主机平台图1㊀岩爆砸损TBM附属设备Fig.1㊀TBM auxiliary equipment damaged by rockburst(a)岩爆造成网片脱落(b)岩爆造成拱架下沉图2㊀岩爆破坏初期支护体系Fig.2㊀Primary support system damaged by rockburst199隧道建设(中英文)第39卷㊀3.1㊀岩爆预测岩爆多发生在硬质岩中,发生部位主要以拱部㊁左右侧墙居多㊂岩爆的预测在现阶段仍在继续研究中,通过锦屏二级电站及引汉济渭工程的实践情况来看,目前较好的岩爆预测手段是微震监测系统[12-13]:在不同隧道(洞)工程中,通过在滞后掌子面一定距离位置处打孔安设传感器,然后通过光纤传输数据至数据处理中心,利用电脑结合人工分析收集到的微震事件㊂利用微震监测系统可监测岩体内部的微破裂,运算分析岩体蓄能情况,实现未开挖岩体岩爆应力集中范围㊁岩爆强度的预测(目前对岩爆发生准确时间还难以预测),并将所预测的岩爆可能性按轻微岩爆㊁中等岩爆㊁强烈岩爆㊁极强岩爆4个等级进行划分,具体划分标准见表2㊂表2㊀岩爆等级超前评判与划分标准Table2㊀Advance evaluation and classification standard forrockburst level岩爆等级频次矩震级能量/(ˑ104J)超标准事件分布范围/m超标准事件数量轻微㊀<10㊀<1.0㊀<3㊀>300~3中等10~30 1.0~2.53~1020~30>3强烈30~60 2.5~3.510~8010~20>8极强㊀>60㊀>3.5㊀>80㊀<10>15㊀注:1)8m左右洞径的花岗岩地段大致可参照上表对岩爆规模进行初步判别,但还需结合岩体的倾向性指标及水文地质㊁节理发育情况来综合考虑与校正;2)对于不同的工程,由于各项边界条件的不同,微震监测评估标准也存在一定差异,需要在实际过程中对数据进行不断修正,找到最合适的评判标准;3)上述指标中,如分析评估出现冲突,其岩爆等级的评估优先级为能量>矩震级>频次>超标准事件数量>超标准事件分布范围㊂3.2㊀超前预处理措施强岩爆对施工人员及施工设备的威胁最大,通常需要等待岩爆应力释放后再进行支护㊂在隧洞开挖之前,应根据微震监测或应力测试等所预测出的岩爆规模㊁等级及应力集中部位,针对性地采取超前应力释放措施㊂由于TBM施工超前应力释放措施实施难度较大㊁用时长,一般岩爆等级较小时不宜采用;在强烈岩爆地段,可利用超前钻机通过紧贴护盾实施钻孔(10~ 25m),或在刀盘正前方手持风钻打孔(3~5m),必要时可在钻孔内实施爆破㊂具体操作方案如下㊂1)方案1㊂利用TBM设备上自带的超前钻机进行钻孔,钻孔范围为拱部120ʎ,外插角15ʎ,从护盾位置向掘进断面外圈扩散,钻孔深度为15~25m,孔径为89mm;钻孔内装药进行爆破,从而在刀盘前方未开挖岩体中形成破碎区,实现应力的提前释放㊂方案1示意图如图3所示㊂(a)(b)图3㊀TBM护盾尾部超前应力释放孔布置示意图Fig.3㊀Advance stress release hole of TBM within120ʎof shield tail 2)方案2㊂在刀盘正前方人工手风钻钻孔,操作平台为刀盘与主轴承之间的隔舱,隔舱宽度为80 cm㊂手风钻架设后通过刀孔㊁人孔向掌子面正前方施钻,施钻时需要临时拆除部分滚刀㊂根据现场情况,从刀盘圆心位置开始直径2.5m范围内具备操作空间,在不拆除中心刀的情况下,9 24号滚刀刀孔与4个人孔可以进行钻孔,钻孔数量约20个,孔径50mm,孔深正常为5m,扣除刀盘厚度1m,有效孔深为4m,必要时可通过加接钻杆的方式增加孔深;超前应力孔按照每m2节药卷的方式间隔装药㊂方案2示意图如图4所示㊂以上2种超前应力释放方式对比分析见表3㊂需要说明的是,如岩爆规模较大,刀盘内短距离超前应力释放不能满足要求时,可以利用TBM设备自带的超前钻机进行超前深孔应力解除工作㊂但由于超前深孔应力释放效率极低,同时应力解除爆破后不利于断面自身的稳定,一般情况下不推荐使用㊂3.3㊀针对性治理措施研究超前应力释放完成后,可开展TBM慢速掘进工作,掘进过程中需要及时实施护盾后相应的岩爆治理措施㊂3.3.1㊀强烈岩爆治理强烈岩爆可按照围岩出露护盾前岩爆与出露护盾后岩爆2种情况进行考虑,防治流程如图5所示㊂299㊀第6期薛景沛:㊀敞开式TBM 安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM 施工段为例㊀(a)(b)图4㊀TBM 刀盘隔舱内超前应力释放孔布置示意图Fig.4㊀Advance stress release hole of TBM cutter chamber表3㊀超前钻孔应力释放方式对比分析表Table 3㊀Comparative analysis of advance drilling stress releasemodes钻孔应力释放方式优点缺点㊀超前钻机钻孔应力释放㊀1)一次性钻孔深度能够保障;2)孔径大,应力释放效果较好㊀1)单工序作业(占用整个L1区施工平台,初期支护工作停止);2)单循环工期长:在围岩强度180MPa 左右的情况下,拱部120ʎ范围内钻孔12个(孔深25m),加上锚杆钻机及超前钻机拆装时间,每循环共计25m(有效支护长度19m)的超前应力爆破施工时间为12d;3)掘进断面周圈爆破后成为了结构的薄弱点,可能加剧拱部围岩掉块,拱部初期支护强度需要加强㊀人工刀盘内钻孔应力释放㊀1)效率高:隔舱内可同时架设2把手风钻,如孔深4m,孔径50mm,1d 之内完成钻孔;2)对TBM 自身设备影响小,无须拆装锚杆钻机等支护设备,钻孔应力释放期间初期支护可同步开展㊀1)一次性钻孔深度不能保证;2)超前孔孔径小,应力释放效果不佳图5㊀强烈岩爆防治工艺流程图[14]Fig.5㊀Flowchart of strong rockburst prevention and control technology [14]399隧道建设(中英文)第39卷㊀3.3.2㊀极强岩爆段的处置极强岩爆风险极大,目前在应对极强岩爆方面经验较少,稍有不慎将导致灾难性后果㊂在极强岩爆地段,应遵循前方地质不探明不开挖㊁施工方案未充分论证不开挖㊁后部支护体系不稳固不施工的原则进行防治,其工艺流程如图6所示㊂图6㊀极强岩爆防治工艺流程图Fig.6㊀Flowchart of extremely-strong rockburst prevention and control technology3.4㊀掘进控制措施强烈岩爆段掘进宜选择低转速㊁中推力㊁高转矩掘进参数;极强岩爆地段一般需要停机进行支护㊂强烈岩爆掘进参数建议值为推力8500~11000kN,转速3~3.5r /min,转矩1550~1850kN㊃m,速度1.2~1.6m /h㊂在强岩爆洞段,由于围岩强度大㊁地应力高,TBM 掘进的扰动会诱发岩爆,为降低对围岩的扰动,TBM 掘进参数应较非岩爆洞段小㊂4㊀强岩爆治理技术分析4.1㊀当前较为合适的岩爆治理工艺与材料1)喷水㊂喷水软化围岩是一项经济㊁有效的应力释放施工工艺,它是在隧洞掘进围岩出露护盾后,利用TBM 设备喷水系统向掌子面以及拱部180ʎ范围内喷射一定量的高压水㊂一方面,喷水软化周边围岩,降低岩石单轴抗压强度,从而有效地降低岩爆发生的几率和等级;另一方面,在具备岩爆的高埋深条件下,隧洞地温一般较高,同时TBM 设备运转将导致隧洞温度的进一步升高,围岩一般具有热胀冷缩的特性,及时喷洒冷水可以降低周边围岩的地温场,从而控制岩石在开挖后的过度膨胀,以达到降低岩爆发生几率和等级的目的㊂喷水工序在围岩出露后立即实施,连续喷水时间根据岩爆等级进行选择,轻微岩爆一般为2h,中等岩爆一般为4h 以上㊂2)预应力锚杆㊂涨壳式预应力注浆锚杆与砂浆锚杆相比,能大幅度缩短支护时间,现场作业人员短时间内即可完成锚杆支护环节,在岩爆发生之前施加预应力,可有效减少因岩爆造成的掉块㊁剥落现象,同时也遏制了岩爆程度向不良的趋势发展,在岩爆地段施工中能够发挥很好的作用㊂在岩爆稳定后,利用锚杆钻机实施钻孔,然后安装涨壳式预应力中空注浆锚杆(见图7),锚杆长度根据岩爆等级不同采用2.5~4.5m,本工程采用的锚杆直径为25mm㊂3)柔性钢丝网㊂柔性钢丝网(见图8)为全断面整张铺设,其采用锚杆锁固并被喷射混凝土覆盖后增加了锚网喷结构的整体性,从受力角度分析,效果较好㊂图7㊀涨壳式预应力中空注浆锚杆Fig.7㊀Shell expansion prestressed hollow grouting bolt499㊀第6期薛景沛:㊀敞开式TBM 安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM 施工段为例㊀图8㊀柔性钢丝网Fig.8㊀Soft wire mesh4)纳米仿纤维喷射混凝土㊂开挖揭示后裸露围岩应及时喷射高强度混凝土进行封闭,传统的喷射混凝土存在一次喷射厚度较薄,回弹率较大,凝结时间长,强度不高,抗压㊁抗折强度低等缺点,难以满足岩爆段支护要求㊂采用纳米仿纤维喷射混凝土(见图9),其回弹率减少至12%(普通喷射混凝土回弹率一般接近20%),并且可以短时间内实现喷射混凝土厚度大幅度增加,轻微岩爆破坏喷层发生掉块㊁剥落的现象也大大减少㊂通过现场检测可知,喷射混凝土与周围岩石的黏结强度大大提高,综合回弹率为8%左右;喷射混凝土支护快,可在2min 内终凝,20min 内产生强度,2h 内强度达到3MPa 以上,1d 强度达到16MPa(普通C20喷射混凝土28d 强度达到20MPa 以上);一次喷射混凝土厚度显著增加,可达35cm 以上㊂(a)仿纤维(b)喷射效果图图9㊀纳米仿纤维喷射混凝土Fig.9㊀Nanometer fiber-like sprayed concrete5)消能锚杆㊁拱架㊂在强岩爆地段,可能出现岩爆发生规模超过预期的情况㊂当支护体系全部完成后,如产生滞后性强岩爆,有可能破坏现有支护体系,因此,有必要在强岩爆地段安装部分消能锚杆(见图10)或消能钢拱架,以抵抗与缓冲岩爆一次性较大能量㊂消能锚杆与钢拱架中部需要单独设计成弹性连接,其连接方式要根据消能大小进行计算㊂(a)消能锚杆构造简图(b)消能锚杆实物图图10㊀消能锚杆Fig.10㊀Energy dissipation bolt6)径向应力释放孔㊂径向应力释放孔需要在岩体露出后采用锚杆钻机实施,其对于轻微至中等岩爆具有较好的抑制作用;在强岩爆地段,径向应力释放孔目前的作用还不够明显,需要继续研究论证㊂一般强岩爆地段释放孔深度需达到2m 以上,布置在拱部120ʎ范围内,采用梅花形布置,应力集中部位适当加密布置㊂4.2㊀超前治理技术分析对TBM 施工而言,强岩爆地段应采取一定的超前治理,增加主动防治的占比㊂加大刀盘喷水㊁放慢掘进速度㊁调整掘进参数㊁超前应力解除爆破㊁超前锚杆等都是主动防护措施,且都起到了很好的效果㊂目前,国内外对于强岩爆的超前治理技术还处于摸索之中,如何尽可能对岩爆实现超前处理是一项难题㊂现阶段结合微震监测系统对岩爆等级进行了超前评判,但根据该系统在锦屏二级电站及引汉济渭工程的实际运用来看,现场多期预测比对验证后统计其预测准确率约为599隧道建设(中英文)第39卷㊀75%,还不能准确㊁详细评估各项超前应力解除方法实施后能量㊁应力调整及对比关系,因此,现阶段只能通过不断验证和总结规律来提高预测准确率,从而实现对超前应力解除效果的分析和评估;此外,现场可以通过经验观察法对超前应力解除效果进行直观评价㊂超前应力解除作为超前治理技术的核心,其形式较为多样,如利用手风钻㊁超前钻机施作应力释放孔,或者直接采用小导洞进行超前应力解除,均具有一定的合理性,如何选取需根据实际岩爆蓄能情况和施工组织综合考虑和分析㊂5㊀结论与讨论本文通过对引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段强岩爆地段施工措施的研究和分析,认为在强岩爆洞段应按照超前探㊁短进尺㊁强支护㊁勤量测的施工原则,遵循前方地质不探明不开挖㊁施工方案未充分论证不开挖㊁后部支护体系不稳固不施工的原则进行防治㊂主要分析和研究结论如下㊂1)岩爆预测㊂目前较为有效的岩爆超前预测手段为微震监测系统,利用该系统监测岩体内部破裂情况,并对岩体蓄能情况进行运算分析,将所预测的岩爆可能性按轻微岩爆㊁中等岩爆㊁强烈岩爆㊁极强岩爆4个等级进行划分,基本可作为制定岩爆防治措施的依据㊂2)岩爆超前预处理措施㊂根据微震监测系统所预测的岩爆规模㊁等级及应力集中部位,可通过刀盘隔舱内人工手持风钻对掌子面打孔(3~5m)或利用超前钻机通过紧贴护盾对开挖外轮廓实施钻孔(10~25 m),提前对掌子面前方围岩进行应力释放,降低岩爆等级与规模㊂另外,可通过合理调整TBM各项掘进参数抑制岩爆发生的速率,减小岩爆对设备的损伤㊂3)岩爆治理㊂在围岩出露护盾后,根据岩爆规模及塌腔深度及时采用ϕ22mm钢筋排㊁预应力锚杆㊁消能锚杆㊁柔性钢丝网及型钢拱架对岩爆段进行及时支护,配合L1区应急喷混系统,采用纳米仿纤维喷射混凝土对岩面与支护体系快速封闭,降低滞后性岩爆破坏支护体系的风险㊂借助上述施工方法,在一定程度上可以满足TBM 安全快速通过岩爆洞段的需求㊂但在极强岩爆研究方面,因其破坏性极强,加之现阶段施工案例较少,应对经验还较为缺乏,应作为后续研究的方向㊂参考文献(References):[1]㊀徐林生,王兰生,李天斌.国内外岩爆研究现状综述[J].长江科学院院报,1999,16(4):24.XU Linsheng,WANG Lansheng,LI Tianbin.Presentsituation of rockburst research at home and abroad[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,1999,16(4):24.[2]㊀徐林生,王兰生.二郎山公路隧道岩爆发生规律与岩爆预测研究[J].岩土工程学报,1999,21(5):569.XU Linsheng,WANG Lansheng.Study of the laws ofrockburst and its forecasting in the tunnel of Erlang MountainRoad[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1999,21(5):569.[3]㊀杨健,武雄.岩爆综合预测评价方法[J].岩石力学与工程学报,2005,24(3):411.YANG Jian,WU prehensive forecasting methodfor estimating rock burst[J].Chinese Journal of RockMechanics and Engineering,2005,24(3):411. [4]㊀张斌,符文熹,任光明,等.深埋长隧道岩爆的预测预报及防治初探[J].地质灾害与环境保护,1999,10(1):25.ZHANG Bin,FU Wenxi,REN Guangming,et al.Discussion on the prediction and control of rock burst indeep-lying long tunnel[J].Journal of Geological Hazardsand Environment Preservation,1999,10(1):25. [5]㊀张秉鹤.括苍山特长公路隧道相对浅埋洞段岩爆机理及防治措施研究[D].长春:吉林大学,2007.ZHANG Binghe.Study on mechanism and preventionmeasure of rockburst occurred in relatively shallow areas ofKuocangshan supper-long road tunnel[D].Changchun:Jilin University,2007.[6]㊀冯建军.二郎山隧道岩爆特征与防治[J].西部探矿工程,2005,17(7):110.FENG Jianjun.Rockburst Characteristics and prevention ofErlang Mountain Tunnel[J].West-China ExplorationEngineering,2005,17(7):110.[7]㊀何满潮,苗金丽,李德建,等.深部花岗岩试样岩爆过程实验研究[J].岩石力学与工程学报,2007,26(5): 865.HE Manchao,MIAO Jinli,LI Dejian,et al.Experimentalstudy on rockburst processes of granite specimen at greatdepth[J].Chinese Journal of Rock Mechanics andEngineering,2007,26(5):865.[8]㊀罗志虎,杨鹏飞.锦屏二级水电站TBM施工中的岩爆问题分析及对策[J].岩土工程技术,2009,23(1):52.LUO Zhihu,YANG Pengfei.Rock-burst and itscountermeasure of TBM construction in drainage tunnel of ahydropower station[J].Geotechnical Engineering699。

深埋隧洞开敞式TBM通过软岩破碎带施工方法研究

专题研究
口盔露蜘
量过大，将导致ＴＢＭ成洞洞径过ＪＪ＼，ＴＢＭ后配套部分局部卡住无法通过。仰拱部位收敛变形可能造成已完成的仰拱喷混开裂。（图１）
（２）大面积坍塌ＴＢＭ进八破碎带，刀盘前方的围岩出现大面积的垮塌，进而出渣量增大，产生较大的塌腔如支护不及时，塌腔逐步扩大，出现持续塌方，后果将极为严重；如塌方压住护盾和刀盘，使ＴＢＭ刀盘无法转动，将造成ＴＢＭ卡机事故。大面积的岩石坍塌会砸坏油管，便钢结构变形，列钻机系统、拱架安装系统等造成严重的破坏，给作业人员安全带来威胁。（图２）（３）软岩遇水泥化软岩具有遇水泥化的特十生，在刀盘部位，软岩泥化会糊住刀具和刀盘，导致出渣口堵塞、无法出渣、刀盘至转，加剧围岩塌方，造成恶性循环。软岩破碎带出现渗漏水日寸，围岩自稳能力更差，经过渗水浸润，形成琉态泥，进而加剧塌腔的扩大。隧洞腰线部位出现软弱围岩和渗漏水，在吸水泥化后会造成撑靴支撑力不够，或是撑靴无法就位的情况，从而无法掘进。（图３）

敞开式TBM穿越强岩爆洞段掘进方法[发明专利]

专利名称：敞开式TBM穿越强岩爆洞段掘进方法专利类型：发明专利
发明人：杜立杰,洪开荣,陈馈,孙振川,郭灿,杜旭峰申请号：CN201810706793.7
申请日：20180702
公开号：CN108915712A
公开日：
20181130
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供了一种敞开式TBM穿越强岩爆洞段掘进方法，该方法包括如下步骤：s1、控制TBM掘进进尺，并利用TBM护盾抵抗岩爆产生的能量，操控护盾油缸收缩以使岩爆能量逐渐释放；s2、随着TBM的向前掘进，在护盾后方进行支护以对岩爆过后的碎渣形成支撑。

本发明所述的敞开式TBM穿越强岩爆洞段掘进方法，由于TBM自身护盾具有较强的结构强度而足以抵抗岩爆时产生的能量，因此在通过利用TBM自身护盾来抵抗岩爆时，并不会产生破坏性的影响，并可通过支护对碎渣进行支撑，防止碎渣塌落，且此时支护结构仅用于支撑将从护盾上滑落的石渣，而不是直接抵抗岩爆冲击，因此支护免于被破坏，便于TBM顺利进行下一个循环掘进。

申请人：石家庄铁道大学,中铁隧道局集团有限公司,盾构及掘进技术国家重点实验室
地址：050043 河北省石家庄市北二环东路17号
国籍：CN
代理机构：石家庄轻拓知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：侯迎新
更多信息请下载全文后查看。

浅谈敞开式TBM隧道初期支护施工技术

浅谈敞开式 TBM隧道初期支护施工技术摘要：随着国内水利、铁路隧道建设的不断发展，敞开式TBM的应用也越来越广泛，其特别适用于围岩完整性较好和自稳能力较强地层的开挖施工。

设置科学、合理的施工参数，确保优良的隧道初期支护的施工质量，保证TBM处于良好状态，是敞开式TBM快速、高效施工的重要条件。

关键词：敞开式TBM；掘进施工；初期支护前言北疆供水工程二期双三隧洞全长92.15km，开挖直径5.53m，采用TBM为主、钻爆法为辅进行施工。

隧洞出露地层主要为泥盆系和石炭系的凝灰质砂岩、凝灰岩和华力西晚期侵入的花岗岩地层（65.34km）；侏罗系和白垩系的泥岩、砂岩地层（13.19km），施工揭露的围岩以Ⅱ、Ⅲ类为主。

隧洞沿线分布1条区域性断层破碎带和15条次级断层破碎带，最大断层破碎带宽150m，其余破碎带宽30～50m，以中-陡倾角为主，属压扭性断层。

隧址区为贫水地层且无河流和古河床分布，地下水主要为基岩裂隙水，在岩体较完整的洞段产生渗流或线状流水，-4、Cl-在区域性断裂带内和局部较大的次级断层带内易发生涌水。

地下水中SO2含量超标，对钢筋混凝土结构、钢筋和钢结构具有中-强腐蚀性[1-2]。

一、敞开式TBM隧道施工敞开式全断面隧道掘进机（TBM）由刀盘、主驱动、主梁、初期支护设备、后配套设施组成，是开挖、支护、出渣等施工工序并行连续作业的施工设备。

敞开式TBM适用于硬岩、坚硬岩及复合地层施工，在施工前，需充分掌握掘进段内水文地质资料、超前地质预报资料等；在施工中，需结合揭露地质情况及时调整掘进和支护参数指导TBM安全、高效施工，其中掘进参数主要包括刀盘推力、刀盘扭矩和贯入度等，如在Ⅱ类围岩中采用设计推力值（8100～10260kN）和较高扭矩（320～1410kN·m）、转速（6.3～7.0r/min），掘进速率一般；在Ⅲ类围岩中推力（4860～8500kN）和扭矩（420～900kN·m）均有余量且转速（5.2～6.5r/min）较低，但掘进速度较快。