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论新疆隧洞掘进机在不良地质围岩中的施工方法

六分局   史江波

 

1 工程简介

新疆隧洞工程24.5km由山西省水利建筑工程局承建,隧洞施工采用常规钻爆法开挖与TBM掘进两种方法施工,常规钻爆法施工段(也称滑行段)围岩主要为土类和砂砾料,围岩松软,稳定性良好,施工机械为挖掘机,自卸汽车配合出渣。钻爆法开挖后的隧洞设计为二次衬砌,先进行锚喷支护,再进行管片衬砌和豆砾石回填并灌浆。掘进机开挖围岩多为复杂围岩,围岩类型较坚硬、易破碎、断裂带多,稳定性差,采用TBM掘进机施工具有很大优势,既能保证工程进度,又能在很大程度上保证施工人员的安全(主要在开洞径开挖时免受的损伤),掘进机施工先进行围岩开挖,洞径成型后,由管片安装机抓举管片进行围岩衬砌,随后进行豆砾石回填和灌浆,完成围岩的成型支护,最后对管片之间的接缝采用特殊砂浆勾缝,完成隧洞施工。该隧洞开挖洞径6.95m,成型洞径6.0m、衬砌管片厚28cm,其中钻爆法开挖施工4.82kmTBM掘进19.67km

2 TBM主要施工模式

该工程所使用的隧洞掘进机为一台双护盾硬岩掘进机,有双护盾和单护盾两种掘进模式,双护盾模式适用于硬岩类型,具有施工速度快,掘进开挖和管片安装衬砌可同时进行互不干扰的特点,但对围岩要求较高,围岩必须坚硬。单护盾模式施工速度较慢,只能先进行掘进开挖停止后,才能进行管片安装衬砌,在掘进时由于推力过大,对掘进机和成型管片都有一定的破坏和损伤,但在大坂隧洞工程施工中,由于岩石类型较差,地质条件不良,无法采用双护盾模式施工,全线施工基本全部为单护盾掘进开挖模式。

3 TBM主要构成

   TBM主要控制操作系统较为复杂,其主要有四大部分构成,包括机械部分、液压部分、电气设备部分和控制操作平台部分等。其中机械部分主要包括刀盘部分(含轴承部分)、护盾部分和后配套台车部分等;液压部分主要包括液压泵站部分、主推进油缸(10只)、辅推进油缸(20只)和后配套牵引油缸(2只)部分、电磁液压阀部分等;电气设备部分主要包括开挖推进主电机(6台)、各类配电柜、开挖渣料输送平台(3条皮带)、柴油发电机(1台)和后配套配电电缆等;操作平台部分主要包括TBM掘进开挖操作室、管片安装衬砌平台和缷渣料平台部分等。

4 TBM掘进开挖原理及结构

掘进机头,也称护盾部分是TBM掘进施工的核心硬件,承担着掘进开挖的重要任务。其主要工作原理是:刀盘在主电机的驱动下转动,刀盘上的滚刀刀具也在刀盘的转动下,通过与掘进岩面产生高强度的摩擦力发生滚动,再通过主推和辅推进油缸的伟输动力进行推进作业,对掌子岩面的围岩进行切割、破坏,造成掌子面围岩脱落,脱落后的渣料在刀盘上的料仓口进入下料口,通过皮带输送至指定卸料地点。

大坂隧洞使用的TBM刀盘共分布42把刀具,其中包括4把双刀(每2个刀具为1把),也称中心刀,5把边刀和29把面刀。中心刀和面刀装配在刀盘的正立面部位,其主要作用是破碎和分解岩石,边刀装配在刀盘的外环边上,其主要作用则是扩大洞径,保证洞径尺寸。中心刀和面刀磨损严重会影响掘进开挖的速度,降低生产效率,而边刀磨损严重则会影响开挖洞径,甚至造成刀盘或护盾被围岩卡住,无法动弹,即卡机现象。

5 不良地质情况的处理办法

在新疆八十一大坂隧洞的TBM掘进开挖中,遇到了多类复杂的地质构造,严重制约了工程进度,同时也耗费了大量的资源,在一定程上增加了工程投资,也拖延了工期。该项工程计划工期30个月,实际工期50个月。不良围岩地质的影响则是造成工期严重滞后的主要根源。

TBM在正常掘进过程中,通过操作室电脑屏幕上的掘进参数可直接反映刀盘刀具的磨损情况,以及围岩的特点,以此来判断刀具和围岩存在的问题,再进行处理和解决。TBM的总推力是围岩和刀具情况判断的主要参数,有时刀盘的电流大小也可作为其判断参数。一般情况下,TBM机器状态较好时,总推力在25004500kN左右,刀盘电流在25%50%,超过4500kN时,或者刀盘电流很大50%90%时,刀具或围岩情况不良,则需要对刀盘和围岩仔细检查,慎重操作施工,切不可盲目操作掘进,造成不可挽回的后果。

在八十一大坂隧洞施工中遇到的不良地质主要有塌方、膨胀岩、流沙、软煤层、胶泥岩、硬砂岩等。各类地质情况特点不同,在施工时均能导致TBM发生卡机或无法掘进等现象。

5.1 塌方

泥岩塌方,是新疆大坂隧洞工程常见的不良地质情况,此类围岩多分布在破碎带和断裂带上,当TBM在掘进过程中,遇到此类地质情况,会造成刀盘负荷加大,即刀盘电流值逐渐增大,最后刀盘无法克服塌方围岩的阻力,停止转动,发生卡机现象。

针对此类围岩在发生卡机后,可采取先进行化学灌浆,后进行人工松动围岩的办法脱困。在施工时,先通过护盾顶部的预留孔在刀盘上方造孔,造孔设备为潜孔钻,造孔直径为50mm,造孔深度根据造孔的难度决定,一般深度不低于7m,造孔斜度一般在4560度之间,造孔数量不低于3个,造孔完成后,退出钻杆,采用直径20钢管打入造孔内,钢管最前方约2m左右采用花管,钢管按造孔深度全部打入孔内,外部预留1.5m左右与化灌设备接头连接,并对开孔处封堵,完成造孔和装管工作。随后便可进行化灌工作,化灌设备由厂家直接供应,化灌材料为两种不同材料的液体,液体的比例可由厂家人员调整,在化灌时通过压力泵的两条管道输送至钢管与化灌设备的管道连接处后汇合,快速将化灌材料打入围岩,在围岩内部进行化学反应,膨胀发泡,通过体积增大,填充塌方岩体空隙,使塌方岩体形成整体,以达到加固塌方岩体稳定性。化灌工作应在压力逐步增大,且在规定时间注入量极少的情况下停止,化灌应连续进行,中间不得停止,否则极易造成将打入岩体的管道堵塞,影响化灌工作。化灌液体是一种有毒物质,施工时应做好安全防护工作,以防化灌材料对人体造成伤害。

待化灌材料全部反应结束,异味挥发到一定程度时,便可开始刀盘围岩松动工作,从后护盾的尾部在露出围岩的部位开始开挖导洞,开挖工具为手持风镐,左右两侧导洞同时开挖,开挖方向从后护盾底部逐渐向前向上开挖,一直开挖至刀盘位置,一般情况下,在进行化灌工作后,围岩已基本固结,但也应注意安全,必要时在导洞内用方木支护,两侧导洞到达刀盘部位后,同时沿刀盘环向部位向上方开挖,直到围岩全部与刀盘分离,基本无刀盘被围岩挤压部位,便可停止刀盘围岩松动工作。在导洞内的一切人员和机械设备撤离后,便可开始TBM掘进工作。

5.2膨胀岩

膨胀岩多为泥岩,遇水便化成一滩,此类围岩危害极大,脱困周期较长,TBM在掘进过程中,遇到此类围岩,刀盘参数基本正常,总推力会明显增大,最高在8000kN10000kNTBM没有前进速度,检查所有推力油缸所撑到的管片会有破损,护盾70%的部位全部被围岩挤死,发生这种现象主要原因是岩层具有膨胀性,在TBM通过该类围岩时,岩体会在短时内发生膨胀,体积增大,将围岩和护盾的设计开挖全部间隙挤压填充,造成护盾与围岩摩擦力达到最大,TBM的油缸总推力无法克服摩擦力后,便停止不能再继续前进。

针对此类围岩,只有通过开挖导洞,松动围岩与护盾接触的岩体,才能继续前进。围岩松动从后护盾开始,沿护盾环向进行开挖,也可在伸缩护盾部位打开缺口,进行导洞开挖松动围岩,在将护盾围岩松动绝大部分时,可试验进行TBM是否能向前掘进,如机器无反应,则需继续松动岩体,彻底松动后,再进行掘进,便可脱困。

5.3 流沙

流沙多数分布在穿河地段,埋深较浅,TBM在穿过该类围岩时,流沙会伴随地下水一涌而出,只要掘进,流沙就会溢流不止,流沙会沿着护盾间隙涌出,在短时间内,涌出的流沙便会淹没最前方的工作台车,造成管片无法安装,掘进无法继续。此类围岩较稳定,在TBM掘进时,参数基本正常,但是因为流沙太多影响掘进,只需将流沙清理后经,继续掘进,慢速便可通过该类岩层。

5.4 软煤层

软煤层围岩松散,且煤层质量较轻,容易塌方,TBM在通过该类围岩时,短时内刀盘参数会有变化,时大时小,总推力正常,但因煤层容易塌方,会对刀盘的转动造成一定威胁,特殊时会使刀盘停止转动,但在停止后,可继续启动刀盘,通过刀盘的启动扭矩来克服煤层的阻力,可使刀盘继续转动,在转动时刀盘转速不可太大,保持在45/min即可,使刀盘匀速转动,总推力应与刀盘转速皮配,尽量减少对煤层的扰动,保证刀盘的正常转动和TBM的掘进速度,便可通过软煤层地质。

5.5胶泥岩

胶泥岩是一种岩石中夹杂粘度很高的胶泥所形成的一种岩层,当掘进机通过此类岩层,岩层被破碎后,岩石被切割挤入料仓后运出,而胶泥由于粘性很高,则留在了刀盘面的任何部位甚至堵塞料仓,当一部分出料仓被堵塞后,刀盘出渣量降低,出料效率受到限制,大部分被刀盘破碎的渣料在掌子面挤压而不能挤出料仓,直至所有料仓被胶泥堵塞,造成刀盘负荷加大,刀盘电流持续不下,最终因电流达到极限而停止工作,料仓不再出料,TBM掘进开挖无法继续。

针对此类围岩,可以采取用高压水枪冲洗刀盘料仓的办法进行处理解决,用高压水枪将刀盘料仓出料口部位冲洗通畅,再使刀盘转动,将料仓内积累的渣料全部送出后,再继续向前推进,如果在推进的过程中,发现刀盘电流又在逐渐加大,则需要根据刀盘的负荷,反复冲洗和掘进,一般情况下,电流在50%以下可不做清理,50%以上则需要检查料仓后,根据料仓开口情况继续用高压水枪清理,遇此围岩只能采取此类方法缓慢通过。

5.6硬砂岩

硬砂岩是一种硬度不高,但极具韧性、摩擦力很高的一种岩石,这类围岩对滚刀刀具的破坏性很大,TBM在掘进过程中遇到此类围岩后,刀具会在切割岩石的过程中逐步磨损,面刀的和滚刀磨损严重时,会降低掘进速度,而边刀磨损严重时则会使整个机器陷入危机,发生卡机现象,遇到此类围岩,应降低刀盘转速,降低推井速度,刀盘转速在5/min以内,推进速度3040mm/min,尽量减少刀盘与围岩的磨擦频率,在掘进停止时应经常检查所有刀具的磨损情况,及时更换新刀具。

如在掘进过程中由于对刀具检查不够,操作过程疏忽大意,边刀磨损严重后发生卡机现象,则需要脱困处理,可先将刀盘后退,更换刀具后再进行掘进,如刀盘无法退回,则需要开挖导洞、松动刀盘环向围岩,同理从后护盾部位开挖,但因此类围岩具有韧性强的特点,导洞开挖费时费力,但只要能松动刀盘处的围岩,留出刀盘与围岩间隙,刀盘能转动,换上新的边刀刀具后,便可使机器脱困,继续前进。

6 总结

TBM掘进机是当前国内外运用广泛,非常先进的隧洞开挖和衬砌的大型施工机器,是综合电力、液压、机械、和掘进操作,管片安装操作等核心技术为一体的综合性施工设备,其安全程度很高,新疆隧洞在24.5km的施工过程中,未发生一起伤亡事故。大坂隧洞的施工过程曲折困难,经过长达5年的漫长施工,终于在20103月全线贯通,为以后的TBM隧洞施工积累了丰富和宝贵的施工经验。

 

(作者简介:史江波,男,1980年生,2005年毕业于华北水利水电学院水利工程管理专业,助理工程师

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