CN112502719B - Tbm施工通过高压富水蚀变透镜体的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，用于处理高压富水蚀变透镜体造成的TBM卡机，主要包括：新增迂回导坑穿越高压富水蚀变透镜体超前泄水，高位支洞及高位工作室高位泄水、高位加固，导坑迂回至主洞完成透镜体开挖处理，护盾区域扩挖辅助TBM脱困等步骤，辅助TBM施工通过高压富水蚀变透镜体。本发明方法与超前地质预报相结合可提前完成高压富水蚀变透镜处理，预防TBM卡机、突泥涌水风险发生。

Description

TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法

技术领域

本发明涉及TBM施工技术领域，具体涉及一种TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法。

背景技术

隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）是一种用机械破碎岩石、出渣与支护实行连续作业的综合设备。

TBM施工具有以下优点：1.掘进效率高：连续作业，能保证破岩、出渣、支护一条龙作业；特别在稳定的围岩中长距离施工时，优势更为明显；2.开挖少施工质量好：超挖量少，内壁光滑，不存在凹凸现象，支护工程量，工程费用降低；3.对岩石的扰动小：能够改善开挖面的施工条件；周围岩层稳定性好，施工安全性好。

近年来，随着经济水平的提高，我国各地的隧道工程越来越多，广泛的采用TBM挖掘，而我国幅员辽阔，各区域的地质条件复杂多变，在TBM施工过程中，会遭遇到不同情况的不良地质条件及地质灾害，均需要妥善的应对和处理。岩体蚀变砂化、泥化压应力作用下形成中间厚周边薄的透镜体，透镜体周边地下水发育且水位高最终形成高压富水蚀变透镜体。高压富水蚀变透镜体在施工中易造成突泥涌水、隧道坍塌、TBM卡机埋没等风险。

而在TBM施工过程中遭遇高压富水蚀变透镜体，就需要进行有效、妥善的处置，才能保证工程的后续实施，避免造成不可挽回的损失。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，以保证TBM安全、顺利通过，避免或减少不良地质条件所造成的损失。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，包括以下步骤：

（1）TBM掘进遭遇高压富水蚀变透镜体或突涌后，在TBM尾部掘进方向右侧或左侧与主洞间距25～40m开设导坑；

（2）导坑施工至对应主洞掌子面附近35～40cm时，在开挖方向左侧或右侧开设高位支洞及高位工作室；

（3）在工作室内进行高位泄水及高压富水蚀变透镜体加固；

（4）高位加固、泄水后对主洞突涌渣体清理，同时导坑继续向前施工待穿越高压富水蚀变透镜体后开设横通道迂回进入主洞；采用拱部管棚+全断面周边注浆+钻爆法处理主洞高压富水蚀变透镜体；

（5）于 TBM护盾区域扩挖使TBM脱困，然后TBM步进通过高压富水蚀变透镜体。

在所述步骤（1）中，导坑开口处位于TBM尾部，与主洞夹角35～45°，转弯半径40～60m，导坑平行主洞设置；同时在高位支洞开口段落区域设置双线段，用于错车及通道出渣倒车。

在所述步骤（1）中，导坑每循环开挖前打设探孔进行地质探测，钻孔深度不小4m；导坑开挖采用简易拼装台架人工钻爆法全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩段安装拱架、网片、锚杆并喷射混凝土支护，Ⅱ、Ⅲ级围岩段锚网喷支护，人工湿喷混凝土。

在所述步骤（2）中，为防止高压水造成突涌在迂回导坑左上方或右上方设置高位支洞，高位支洞在对应主洞高压富水蚀变透镜体后方在导坑内进行开口，通过11%的纵坡向上爬升4m至工作室处，高位支洞断面与导坑单线段断面相同，支洞长度35～45cm。

在所述步骤（2）中，高位作业洞室断面净宽及高度应满足履带式钻机作业空间，其长度范围覆盖主洞TBM刀盘、盾体区域，洞室断面为圆拱直墙形布置。

在所述步骤（3）中，待高位洞室开挖支护完成后，在洞室内施作超前管棚对高压富水蚀变透镜体进行高位加固。

在所述步骤（3）中，高位加固采用Φ108大管棚，通过洞室面向高压富水蚀变透镜体径向打设，管棚长度以穿过不良地层进入对侧基岩不小于5m控制，不同高度打设4排，每排高差0.5m，纵向间距1m，第一排管棚仰角10°，后续每排增大5°，第四排管棚仰角25°，开孔纵向覆盖高压富水蚀变透镜体；且在最底部一排管棚灌注化学浆液，以形成隔离层，其余部位可采用水泥基浆液加固；管棚施作完成后，在管棚上部以30°仰角施作大角度泄水孔，用于永久泄水降压。

在所述步骤（4）中，导坑开挖通过高压富水蚀变透镜体后在导坑内向主洞打设探孔探明主洞透镜体范围，在导坑内开设横通道迂回进入主洞至透镜体前端10m处，横通道与主洞夹角40°，断面与导坑单线段一致；采用钻爆法对TBM掌子面前方高压富水蚀变透镜体进行开挖支护，断面为TBM始发洞断面，迂回横通道及主洞钻爆法施工段采用光面爆破开挖，与主洞TBM掌子面贯通。

在所述步骤（4）中，主洞钻爆反向开挖时根据已探测高压富水蚀变透镜体位置先采用帷幕注浆加固及φ60中管棚超前支护，管棚打设范围拱部120°，环向间距0.4m，长度30m，纵向间距25m，加固后采用两台阶法开挖；同时反向处理时主洞属于反坡排水，在掌子面挖设蓄水坑使用水泵抽排至导坑排水沟内，通过导坑排水沟随坡排水至洞外。

在所述步骤（5）中，TBM掌子面前方透镜体处理完成后，人工采用风镐对护盾拱部180°范围岩体进行开挖辅助TBM脱困，开挖高度1.5m采用HW150型钢支护，纵向间距0.75m，喷射C25混凝土封闭，厚度20cm；TBM脱困后采用步进小车TBM步进通过高压富水蚀变透镜体不良地质层，完成高压富水蚀变透镜体突涌处理。

与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：

（1）本发明适用于TBM施工；TBM设备区域突泥涌水、主洞内无法采用超前预加固措施保证TBM正常掘进通过高压富水蚀变透镜体；采用这种方法进行超前泄水及高位泄水，减弱隧道拱部高压富水情况，预防、改善突泥涌水情况，超前处理以保证TBM安全、顺利通过。

（2）通过导坑迂回处理高压富水蚀变透镜体，避免正面扰动围岩造成突泥涌水掩埋TBM设备，同时降低施工风险；

（3）迂回导坑超前主洞施工对主洞起超前泄水作用，同时迂回导坑高位支洞对主洞高位泄水降压，降低主洞突泥涌水风险；

（4）迂回导坑高位支洞在高位对主洞进行加固稳定围岩，降低隧道坍塌风险；

（5）迂回导坑迂回至主洞掌子面前方反向钻爆法处理不良地层，减小对TBM设备的损伤；

（6）迂回导坑迂回处理高压富水蚀变透镜体较主洞内处理作业空间大，可投入大型设备进行加固及开挖，施工更安全；

（7）迂回导坑处理高压富水蚀变透镜体后，TBM步进通过避免了不良地层TBM卡机风险，TBM通过性强。

说明书附图

图1为本发明TBM通过高压富水蚀变透镜体施工流程图。

图2为本发明TBM通过高压富水蚀变透镜体施工示意图。

图3为本发明实施例中导坑施工流程图。

图4为本发明实施例中高位加固及泄水降压示意图。

图5为本发明实施例中主洞超前加固开挖示意图。

以上各图中，1为高压富水蚀变透镜体，2为TBM设备区域，3为主洞，4为导坑，5为高位支洞，6为高位工作洞室，7为注浆管棚，8为泄水孔，9为涌泥体回填面，10为TBM掘进方向，11为φ108超前管棚，12为拱顶初期支护，13为钻爆法施工前进方向，14为Ⅱ线隧道内轨顶面，15为TBM坑底面，16为衬砌边墙，17为TBM刀盘、盾体区域。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。

在以下实施例中所涉及的仪器设备如无特别说明，均为常规仪器设备；所涉及的原材料如无特别说明，均为市售常规产品；所涉及的试验方法，如无特别说明，均为常规方法。

实施例一：TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法

2019年8月大理至瑞丽铁路保山至瑞丽段高黎贡山隧道平导TBM施工遭遇高压富水蚀变透镜体。拱部高压致使围岩收敛造成TBM卡机，同时TBM护盾尾端出现突泥涌水造成TBM设备局部掩埋，采用TBM主洞后方增设迂回导坑等措施进行了处置，具体步骤如下（参见图1、图2）：

1. 开设导坑

在TBM掘进遭遇高压富水蚀变透镜体或突涌后，停止TBM掘进在设备后部开设一座导坑，导坑与主洞线间距30m，导坑开口处位于TBM尾部，与主洞夹角40°，转弯半径50m，导坑平行主洞设置（见图2）。考虑导坑迂回至主洞的需求，导坑纵坡按照主洞的坡度（9‰）进行设计，导坑主要目的是超前探测地质及泄水，同时为迂回处理及增设高位支洞提供作业通道。工艺流程见图3。

导坑单线段断面净宽4.1m，高度4.35m，（导坑断面尺寸结合挖装机配合梭式矿车出渣需求，以及后续挖机、装载机、履带式钻机通行需求进行确定），同时在高位支洞开口段落设置双线段，双线段断面净宽6.25m，高5.21m，该段布设在高位支洞口，用于错车及通道出渣倒车。导坑支护参数如表1所示。

表1 导坑支护参数表

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导坑每循环开挖前打设探孔进行地质探测，钻孔深度不小4m。导坑开挖采用简易拼装台架人工钻爆法全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩段安装拱架、网片、锚杆并喷射混凝土支护，Ⅱ、Ⅲ级围岩段锚网喷支护，人工湿喷混凝土。

导坑开口及曲线段开挖出渣采用PC60挖机及矿车出渣，导坑直线段出渣采用150m³/h的挖装机配合20m³/节的梭矿（4节梭矿形成一个编组）出渣，挖装机扒渣后通过皮带机倒运至梭矿上，由机车牵引梭矿有轨运输至洞外，通过洞外翻渣台卸渣。

导坑通风采用压入式，在现有风管上通过三通接引至掌子面，必要时增设增压风机保证供风量满足需求。

2. 高位支洞及高位作业洞室

（1）高位支洞

考虑隧道上方存在高压水，为防止高压水造成突涌在迂回导坑左上方设置高位支洞，高位支洞在对应主洞高压富水蚀变透镜体后方在导坑内进行开口，通过11%的纵坡向上爬升4m至工作室处，高位支洞断面与导坑单线段断面相同，支洞长度约37m。

（2）高位作业洞室

高位作业洞室断面净宽为7m，高度6m（满足履带式钻机作业空间），长度10m（范围覆盖主洞TBM刀盘、盾体区域），工作室位于主洞右侧上部详见图5所示，洞室断面为圆拱直墙形布置。

高位支洞及高位作业洞室均采用光面爆破开挖，挖机倒渣至导坑内，在导坑双线段采用挖机配合梭矿出渣。

3. 高位注浆加固及泄水降压

参见图4，高位洞室开挖支护完成后，在洞室内施作超前管棚对高压富水蚀变透镜体进行高位加固。高位加固采用Φ108大管棚，通过洞室面向高压富水蚀变透镜体径向打设，管棚长度以穿过不良地层进入对侧基岩不小于5m控制，不同高度打设4排，每排高差0.5m，纵向间距1m，第一排管棚仰角10°，后续每排增大5°，第四排管棚仰角25°，开孔纵向覆盖高压富水蚀变透镜体。考虑高压注浆可能会对下部TBM造成影响；因此，最底部1排管棚灌注化学浆液，形成类似隔离层的作用，最大限度防止损坏设备，其余部位可采用水泥基浆液加固。管棚施作完成后，在管棚上部以30°仰角施作大角度泄水孔，用于永久泄水降压。

（1）水泥浆注浆施工工艺

1）注浆参数

注浆材料选用具有结石强度高、可灌性好、抗渗透、抗腐蚀、无污染、耐久性好等特点水泥基灌浆材，主要采用纯水泥浆和水泥-水玻璃双液浆，优先选用单液浆，当漏浆情况较严重时采用双液浆。注浆参数如下：

注浆压力：1～2MPa；水泥标号：P.O.42.5号普通硅酸盐水泥，单液浆水灰比1:1，双液浆配比为水泥浆与水玻璃（30Be’）体积比为1：1；注浆压力为1～2Mpa。

2）注浆准备

注浆前完成注浆孔孔口封堵防止漏浆，进行管路调试检查注浆管路及设备，确保注浆压力表完好。

3）注浆

①拌制水泥浆：钻孔快完成时，应先加水后加水泥，水泥浆液水灰比按1:1拌和10～20min。

②管棚注浆采用先低位再高位，过程打设一孔进行一孔注浆，注浆压力1～2Mpa，注浆孔壁与钢花管之间用锚固剂填实，注浆过程中若发生串浆，则关闭孔口阀门待其他孔注浆完毕后再打开阀门。

4）注浆结束标准

单孔结束标准：注浆压力逐步升高至设计终压并继续注浆10min以上，进浆速度为开始进浆速度的1/4，进浆结束时的进浆量小于20L/min。

（2）化学注浆施工工艺

1）材料：注浆材料选用聚氨酯类化学浆液加固型，浆液性能指标如下表所示。

表2 化学浆液主要性能指标表 （加固型）

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2）注浆

① 现场安装好气动注浆泵，灌浆前进行试运行，检查各管路是否正常；

② 分别把A料桶和B料桶的进料管和出料管置于各自的料桶内；

③ 慢慢开启气动注浆泵进风控制阀，开始工作，此时A、B（1：1）两种液料分别在两个料桶中循环，尽量使A、B进料管中的气泡排净，检查进料系统和进料配比，确保整个系统正常；

④系统正常后，停泵，安装灌浆变接头、连接可曲挠管、安装混合器、连接注浆管路，开始灌浆。通常情况下，开灌速度选择中低速，即灌浆泵活塞往复次数在60次/min左右，确认掌子面工作正常、无返浆现象时可适当提高灌浆速度，灌浆泵活塞往复次数可提高到80～100次/min，当灌浆压力升高和有返浆现象时，根据施工情况逐步降低灌浆速度，直到最后达到闭浆条件，停止灌浆；

⑤灌浆过程中，注浆司机与掌子面注浆操作手间建立实时通讯对讲系统，注浆司机要随时向注浆操作手报告灌浆速度和灌浆压力，注浆操作手根据掌子面的灌浆情况决定提高还是降低灌浆速度；

⑥灌浆过程中出现异常情况时及时停止施工，灌浆结束的标准是在低速灌浆情况下（活塞往复次数约30次/min），浆液从掌子面的裂隙和注浆管四周渗流返回时，停止灌浆（此时，灌浆压力通常会急剧上升，也有部分情况下灌浆压力无明显变化的情况），该灌注孔灌浆完成；

⑦灌浆结束后（施工异常停止施工时），用A组份料冲洗混合器与出料口，约10秒左右；

⑧用清质机油清洗气动注浆泵及其配件，检查清点附件数量及其功能。

4. 处理主洞高压富水蚀变透镜体

参见图5，导坑开挖通过高压富水蚀变透镜体后在导坑内向主洞打设探孔探明主洞透镜体范围，在导坑内开设横通道迂回进入主洞至透镜体前端10m处，横通道与主洞夹角40°，断面与导坑单线段一致。采用钻爆法对TBM掌子面前方高压富水蚀变透镜体进行开挖支护，断面为TBM始发洞断面，迂回横通道及主洞钻爆法施工段采用光面爆破开挖（距离主洞TBM掌子面10m处开始采用机械开挖），与主洞TBM掌子面贯通。

主洞钻爆反向开挖时根据已探测高压富水蚀变透镜体位置先采用帷幕注浆加固及φ60中管棚超前支护，管棚打设范围拱部120°，环向间距0.4m，长度30m，纵向间距25m（搭接5m），加固后采用两台阶法开挖，台阶长度5～7m，。主洞反向处理时采用挖机配合矿车出渣，同时反向处理时主洞属于反坡排水，在掌子面挖设蓄水坑使用水泵抽排至导坑排水沟内，通过导坑排水沟随坡排水至洞外。主洞钻爆开挖采用I14工字钢、间距0.8m/榀+锚网喷支护（20cm厚C25喷射混凝土、铺设20*20cm规格φ8钢筋网）。

5. TBM脱困通过

TBM掌子面前方透镜体处理完成后，人工采用风镐对护盾拱部180°范围岩体进行开挖辅助TBM脱困，开挖高度1.5m采用HW150型钢支护，纵向间距0.75m，喷射C25混凝土封闭，厚度20cm。TBM脱困后采用步进小车TBM步进通过高压富水蚀变透镜体不良地质层，完成高压富水蚀变透镜体突涌处理。

在2019年11月开始迂回导坑处理方案历时7个月完成高压富水蚀变透镜体处理TBM设备顺利通过。

上面结合实施案例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者进行相关方法及步骤的等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，不再赘述。

Claims (10)

1.一种TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，包括以下步骤：

（1）TBM掘进遭遇高压富水蚀变透镜体或突涌后，在TBM尾部掘进方向右侧或左侧与主洞间距25～40m开设导坑；

（2）导坑施工至对应主洞掌子面附近35～40cm时，在开挖方向左侧或右侧开设高位支洞及高位工作室；

（3）在高位工作室内进行高位泄水及高压富水蚀变透镜体加固；

（4）高位加固、泄水后清理主洞突涌渣体，同时导坑继续向前施工，待穿越高压富水蚀变透镜体后开设横通道迂回进入主洞；采用拱部管棚+全断面周边注浆+钻爆法处理主洞高压富水蚀变透镜体；

（5）于 TBM护盾区域扩挖使TBM脱困，然后TBM步进通过高压富水蚀变透镜体。

2.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，导坑开口处位于TBM尾部，与主洞夹角35～45°，转弯半径40～60m，导坑平行主洞设置；同时在高位支洞开口段落区域设置双线段，用于错车及通道出渣倒车。

3.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，导坑每循环开挖前打设探孔进行地质探测，探孔深度≥4m；导坑开挖采用简易拼装台架人工钻爆法全断面开挖，Ⅳ、Ⅴ级围岩段安装拱架、网片、锚杆并喷射混凝土支护，Ⅱ、Ⅲ级围岩段锚网喷支护，人工湿喷混凝土。

4.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，为防止高压水造成突涌在导坑左上方或右上方设置高位支洞，高位支洞在对应主洞高压富水蚀变透镜体后方在导坑内进行开口，通过9～11%的纵坡向上爬升至高位工作室处，高位支洞断面与导坑单线段断面相同，高位支洞长度35～45m。

5.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（2）中，高位工作室断面净宽及高度应满足履带式钻机作业空间，其长度范围覆盖主洞TBM刀盘、盾体区域，高位工作室洞室断面为圆拱直墙形布置。

6.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，待高位工作室开挖支护完成后，在高位工作室洞室内施作超前管棚对高压富水蚀变透镜体进行高位加固。

7.根据权利要求6所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，高位加固采用Φ108mm大管棚，通过高位工作室洞室面向高压富水蚀变透镜体径向打设，管棚长度以穿过不良地层进入对侧基岩不小于5m控制，不同高度打设4排，每排高差0.5m，纵向间距1m，第一排管棚仰角10°，后续每排增大5°，第四排管棚仰角25°，开孔纵向覆盖高压富水蚀变透镜体；且在最底部一排管棚灌注化学浆液加固，以形成隔离层，其余部位采用水泥基浆液加固；管棚施作完成后，在管棚上部以30°仰角施作大角度泄水孔，用于永久泄水降压。

8.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，导坑开挖通过高压富水蚀变透镜体后，在导坑内向主洞打设探孔以探明主洞透镜体范围，在导坑内开设横通道迂回进入主洞至透镜体前端10m处，横通道与主洞夹角40°，断面与导坑单线段一致；采用钻爆法对TBM掌子面前方高压富水蚀变透镜体进行开挖支护，断面为TBM始发洞断面，横通道及主洞钻爆法施工段采用光面爆破开挖，与主洞TBM掌子面贯通。

9.根据权利要求8所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（4）中，主洞钻爆反向开挖时根据已探测高压富水蚀变透镜体位置先采用帷幕注浆加固及φ60mm中管棚超前支护，管棚打设范围拱部120°，环向间距0.4m，长度30m，纵向间距25m，加固后采用两台阶法开挖；同时反向处理时主洞属于反坡排水，在掌子面挖设蓄水坑使用水泵抽排至导坑排水沟内，通过导坑排水沟随坡排水至主洞外。

10.根据权利要求1所述TBM施工通过高压富水蚀变透镜体的方法，其特征在于，在所述步骤（5）中，TBM掌子面前方透镜体处理完成后，人工采用风镐对护盾拱部180°范围岩体进行开挖辅助TBM脱困，开挖高度1.5m采用HW150型钢支护，纵向间距0.75m，喷射C25混凝土封闭，厚度20cm；TBM脱困后采用步进小车TBM步进通过高压富水蚀变透镜体不良地质层，完成高压富水蚀变透镜体突涌处理。

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