某隧洞工程TBM不良地质处置探究

收稿日期:2018-10-11;修回日期:2019-08-31

第一作者简介:刘飞香(1963 ),男,湖南湘阴人,1983年毕业于西南交通大学,工程机械专业,本科,教授级高级工程师,西南交通大学兼职教授,主要从事隧道建造智能装备研制与规划工作㊂E-mail:liufeixiang@㊂

某隧洞工程TBM 不良地质处置探究

刘飞香

1,2

,于㊀洋1

(1.中国铁建重工集团股份有限公司,湖南长沙㊀410100;2.西南交通大学,四川成都㊀610031)

摘要:为解决某隧洞工程面临的断层破碎带㊁软弱围岩大变形㊁塌方㊁大坡度㊁涌水突泥㊁岩爆㊁高地热等不良地质问题,设计具有电液混合脱困㊁刀盘扩挖㊁护盾延长㊁超前钻机㊁应急排水㊁空气冷却装置等功能的敞开式TBM,并在实际应用中增加螺旋清渣机㊁钢拱

架顶升等功能,与拦水坝㊁超前注浆㊁管棚支护等施工手段相结合,有效度过最大涌水量达772.57m 3/h 的涌水段㊁232m 的岩爆段㊁445m 的蚀变段㊁塌方段㊁60m 的涌泥涌沙段,最后根据实际应用效果,指出针对性设计存在的不足和需要改进的地方㊂

关键词:隧洞工程;不良地质;敞开式TBM

DOI :10.3973/j.issn.2096-4498.2019.09.017文章编号:2096-4498(2019)09-1515-08

中图分类号:U 45㊀㊀㊀㊀㊀文献标志码:A

开放科学(资源服务)标识码(OSID ):

TBM Technologies in Bad Geology of a Tunnel Project

LIU Feixiang

1,2

,YU Yang 1

(1.China Railway Construction Heavy Industry Co.,Ltd.,Changsha 410100,Hunan ,China ;

2.Southwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,Sichuan ,China )

Abstract :According to the unfavorable geological problems,such as fault fracture zone,large deformation of soft surrounding rock,collapse,large slope,water and mud inrush,rock burst,high geothermal,etc.,encounter during TBM boring in a tunnel,an open TBM with functions of electro-hydraulic mixed jamming release,cutterhead enlargement cutting,shield extension,advance drilling rig,emergency drainage and air cooling device is designed;and functions of screw slag cleaner and steel arch frame jacking are added in practice.By cooperating with dam,advance grouting and pipe roof support,the TBM has successfully passed through the water gushing section with maximum water gushing capacity of 772.57m 3/h,rock burst section of 232m,alteration section of 445m,collapse section,and mud gushing section of 60m.Finally,according to the practical experience,the shortcomings of the targeted design and the improving direction are put forward.

Keywords :tunnel engineering;bad geology;open TBM

0㊀引言

TBM 施工具有快速㊁优质㊁高效㊁安全㊁环保㊁自动

化等优点,目前已广泛应用在国内各长大隧洞引水工程中[1],但TBM 也因其自身结构特点存在一些不足之处,如进洞后改造困难㊁施工手段单一㊁对于地质条件适应性差等[2]㊂因TBM 无法适应地质而导致施工失败的情况,国内外时有发生,如昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞㊁台湾坪林公路隧道㊁印度Dul Hasti 水电工

程引水隧洞[3],其中大多数都是TBM 通过不良地质地段时发生了突水㊁塌方㊁卡机等工程事故,严重影响了工程安全㊁质量㊁经济与社会效益㊂

自我国使用TBM 进行隧道(洞)施工以来,针对

复杂地质条件下TBM 施工技术,很多学者进行了不同方面的研究,例如:杨晓迎等[4]以辽宁大伙房输水工程为例,对深埋地层TBM 卡机问题进行了分析,采用导洞法绕到刀盘前方,进行人工开挖,衬砌完成后TBM 步进通过;董泗龙[5]以某供水工程为例,介绍了固结灌浆及超前管棚预注浆的脱困处理;邓青力[6]以中天山隧道为例,采用自进式锚杆及化学注浆方法处理TBM 卡机问题;徐虎城[7]以新疆某引水工程为例,通过超前地质预报和化学灌浆相结合的方法使TBM 顺利脱困㊂

为应对不良地质,也有不少学者在TBM 设计方面进行了研究,例如:秦岭TB880E TBM 采用液压马达驱动刀盘慢速旋转,用于换刀㊁检修㊁脱困等,但是没有

隧道建设(中英文)

第39卷㊀

实现电液混合驱动[8];邢阿龙等[9]对锦屏二级水电站ϕ12.43m TBM 指形护盾现场改造;洪开荣等[10]对高黎贡山隧道ϕ9.03m TBM 的隐藏式超前钻机㊁前置式喷混等关键技术进行研究和创新㊂

以上研究的TBM 开挖直径均在7m 以上,空间较为充裕,本文将结合某隧洞工程ϕ6.53m TBM 施工中遇到的涌水㊁岩爆㊁蚀变段㊁塌方㊁涌泥涌沙等不良地质,阐述电液混合脱困㊁刀盘扩挖功能㊁护盾延长㊁超前钻机㊁螺旋清渣机㊁钢拱架顶升等针对性设计的应用㊂

1㊀工程概况

某隧洞工程隧洞长41.823km,最大埋深约2268m,纵坡1.77ɢ㊂采用2台开挖直径6.53m 的敞开式TBM 施工,相向掘进,每台TBM 掘进长度超过18km,但根据地质情况,存在不确定性㊂输水隧洞施工分段见图1,图中填充图案为TBM 施工洞段㊂F7断层位于输水隧洞下游侧,断层破碎带及影响带宽400~500m,采用钻爆法开挖,TBM2掘进至断层附近后停机等待,

在TBM 一侧开挖旁洞绕到TBM 前,钻爆开挖F7,待F7贯通后,TBM 空推通过,继续后续洞段掘进

㊂

图1㊀输水隧洞施工分段示意图

Fig.1㊀Diagram of sectioned construction of water conveyance

tunnel

2016年10月,TBM1开始掘进,截至2018年10

月底,已由支洞进入主洞,累计掘进4km㊂施工较为

顺利㊂

TBM2自2016年8月开始掘进以来,截至2018年

10月底,已累计掘进2832m㊂施工中遇到的不良地

质见图

2㊂

图2㊀TBM2施工不良地质区间示意图

Fig.2㊀Diagram of bad geological section in TBM2construction section

2㊀TBM 不良地质处置方案

2.1㊀突涌水处置方案

2016年10月9 16日,隧洞内出现突涌水,最大涌水量达772.57m 3/h,为本段设计最大出水量的5.2倍,单点涌水量最大为7.78m 3/h㊂涌水导致主梁下部积水最深处达90cm㊂对此进行了如下设计㊂2.1.1㊀后配套拖车抬高

突水现象发生时,大量的涌水容易造成后配套台车被淹,故对后配套台车进行专门的抬高设计㊂配置水位检测装置,当超过允许最高水位要求时,系统自动报警,保护人员和设备的安全,如图3所示

㊂

图3㊀后配套台车布置图

Fig.3㊀Layout of matching trolley

当水压较大时,在后配套设备及人员工作区部位设置有防护棚(板),防止大的水压对人员及设备的冲击㊂

2.1.2㊀超前地质探测

利用主梁上方的超前钻机,向前方进行钻孔,根据

出水量判断前方是否有水,并提前采取应对措施,如图

4所示

㊂

图4㊀超前地质钻探

Fig.4㊀Advance geological drilling

2.1.3㊀合理配置排水系统

TBM 上配置了以下2套排水系统㊂

1)正常排水:TBM 在正常掘进时产生的污水量比较小,系统选用2台流量50m 3/h㊁扬程25m 的排沙泵,分别布置在TBM 主梁和支腿处,将污水泵送到后

配套拖车污水箱内㊂污水箱内安装了2台流量

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