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        開(kāi)敞式TBM淺埋段施工方法

        2017-12-20 06:23:15劉吉安馬小龍
        東北水利水電 2017年12期
        關(guān)鍵詞:圍巖工程施工

        劉吉安,馬小龍

        開(kāi)敞式TBM淺埋段施工方法

        劉吉安1,馬小龍2

        (1.吉林省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,吉林長(zhǎng)春130021;2.吉林省水文地質(zhì)調(diào)查所,吉林長(zhǎng)春130103)

        文中依托工程實(shí)踐,總結(jié)了在掘進(jìn)參數(shù)控制、合理的支護(hù)型式和及時(shí)的監(jiān)控量測(cè)等措施下,開(kāi)敞式TBM在淺埋段施工及掘進(jìn)時(shí)滿足其自身安全性及圍巖初期支護(hù)穩(wěn)定性要求的隧洞上覆最小巖石厚度。對(duì)其他類似工程有一定借鑒意義。

        TBM隧洞;淺埋;開(kāi)敞式;監(jiān)控量測(cè);巖石厚度

        “吉林省中部城市引松供水工程”是從第二松花江豐滿水庫(kù)引水,解決吉林省中部地區(qū)城市供水問(wèn)題的大型調(diào)水工程,是松遼流域水資源優(yōu)化配置的主要工程之一。輸水線路干線全長(zhǎng)263.5 km,其中輸水總干線豐滿水庫(kù)~飲馬河段隧洞長(zhǎng)72 km。該段采用開(kāi)敞式TBM開(kāi)挖為主,鉆爆法開(kāi)挖為輔的施工方案。該段所涉及的4處河谷、淺埋段均采用鉆爆法提前開(kāi)挖,TBM步進(jìn)通過(guò)。隧洞開(kāi)挖洞徑7.9 m。

        主要是關(guān)于其中1處堿草甸子溝淺埋段TBM施工問(wèn)題。堿草甸子正洞不良地質(zhì)段原設(shè)計(jì)采用鉆爆法處理長(zhǎng)度為220 m,樁號(hào)68+160~68+380 m,其中施工豎井上游82.6 m,下游137.4 m。實(shí)際處理長(zhǎng)度共147 m,樁號(hào)68+351~68+204 m,其中上游38.6 m,下游108.4 m,其余由TBM施工。

        1 地質(zhì)條件

        堿草甸子溝地形地貌為寬緩谷地,最低處發(fā)育一條小河流。組成巖性有第四系全新統(tǒng)壤土、灰粘土、礫質(zhì)粗砂等,總厚度9~11 m;第四系中更新統(tǒng)黃土狀粘土、灰粘土、砂礫碎石含粘性土等,總厚11~39 m。土層在樁號(hào)68+352~68+257.8 m侵入隧洞空間,其中樁號(hào)68+351~68+257.8 m由鉆爆法提前開(kāi)挖處理。基巖為石炭系灰?guī)r,弱風(fēng)化,無(wú)規(guī)律雜有碳質(zhì)板巖、粘土巖等?;?guī)r古巖溶相對(duì)發(fā)育,基巖面起伏不平,巖面及地面距洞頂高度見(jiàn)表1,最大高差達(dá)15.6 m。由于樁號(hào)68+351~68+204 m段提前由鉆爆法開(kāi)挖處理(待TBM步進(jìn)通過(guò))?;?guī)r巖溶孔隙裂隙水大多已充分排泄,TBM施工段地下水以滲水、局部線狀流水為主。樁號(hào)68+380~68+356 m圍巖類別為IV類,其余為V類圍巖。

        表1 洞頂灰?guī)r厚度及隧洞埋深

        2 淺埋段施工方法及有關(guān)問(wèn)題

        2.1 既定方案及問(wèn)題

        開(kāi)敞式TBM主要用在圍巖整體性較好,有一定自穩(wěn)能力,特別是中、硬巖隧洞中。很多工程中TBM失敗的案例說(shuō)明,當(dāng)TBM遇到不良地質(zhì)(淺埋、軟巖、大斷層、巖溶等)條件時(shí),僅用臨時(shí)支護(hù)可能難以穩(wěn)定圍巖,同時(shí)由于洞壁圍巖強(qiáng)度低于支撐靴最小接地比壓,以致無(wú)法給TBM掘進(jìn)提供反力,使其更加難以脫困。所以根據(jù)工程類比,結(jié)合地質(zhì)條件,把豐滿水庫(kù)~飲馬河段隧洞涉及到河谷、淺埋段采用鉆爆法施工先行方案;同時(shí)考慮圍巖自穩(wěn)能力,把TBM掘進(jìn)段上覆最小弱風(fēng)化圍巖厚按1.5~2.5洞徑考慮。

        實(shí)際施工時(shí),TBM法和鉆爆法相向開(kāi)挖,TBM法先到達(dá)預(yù)定樁號(hào)68+380 m,同鉆爆法開(kāi)挖的掌子面相距28 m。如仍按計(jì)劃采用鉆爆法繼續(xù)開(kāi)挖,TBM將停機(jī)待工。經(jīng)權(quán)衡利弊,決定剩余段采用TBM開(kāi)挖。

        2.2 方案優(yōu)化

        2.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

        為了給方案優(yōu)化提供支持,采用物探(TRT及激發(fā)極化)及鉆探(水平、垂直)方法對(duì)剩余28 m進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。進(jìn)一步明確前方地質(zhì)條件。經(jīng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),查明樁號(hào)68+204 m、68+360 m位置上覆弱風(fēng)化巖石厚分別為1.4洞徑、1.2洞徑,地下水為局部線狀流水,灰?guī)r巖溶不發(fā)育,圍巖為IV~V類圍巖。在合理工法下,可采用TBM施工。

        2.2.2 TBM法與鉆爆法比較

        工程經(jīng)采用三維彈塑性損傷有限元法,對(duì)隧洞開(kāi)挖進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算顯示:TBM施工開(kāi)挖后,圍巖破壞區(qū)分布呈頂部較大底部次之、兩側(cè)最小的規(guī)律;鉆爆法開(kāi)挖施工后,圍巖破壞區(qū)整體呈均勻分布,其中兩側(cè)邊墻的變形比頂部、底部稍大。TBM與鉆爆兩種施工開(kāi)挖方式下,圍巖的總破壞體積之比為1.0∶4.4。根據(jù)鉆孔波速測(cè)試TBM法掘進(jìn)洞壁圍巖波速明顯變化界面深度大約在0.5~1.0 m,而鉆爆法深度在1.5~3.0 m。單從圍巖穩(wěn)定性指標(biāo)方面而言,TBM對(duì)圍巖擾動(dòng)相對(duì)小,有利于淺埋段圍巖穩(wěn)定。

        2.2.3 TBM法最小上覆圍巖厚度

        開(kāi)敞式TBM在水利、交通、礦山等應(yīng)用越來(lái)越廣泛,但工程多分布在山區(qū),隧洞埋深都很大,所以對(duì)TBM施工法要求的最小上覆巖石厚度問(wèn)題鮮有涉及。近年來(lái)隨著城市地下工程也逐漸采用TBM法施工,這個(gè)問(wèn)題愈發(fā)顯出重要性。據(jù)重慶地鐵六號(hào)線一期工程,適應(yīng)于TBM施工的區(qū)間隧道埋深基本大于8 m,開(kāi)挖直徑6.36 m,在洞頂弱風(fēng)化基巖小于單倍洞徑地段,在不破壞TBM施工連續(xù)性的前提下,盡量采用鉆爆法施工,局部地段可采用TBM施工,但不宜小于0.8倍洞徑,并應(yīng)采取超前支護(hù)等措施。

        根據(jù)工程已完成段TBM運(yùn)用經(jīng)驗(yàn),參考重慶地鐵淺埋段TBM施工先例,確定在采取相應(yīng)工程措施情況下,此段淺埋段可以采用TBM開(kāi)挖(最小上覆巖石厚度小于0.5倍洞徑),遂決定樁號(hào)68+373~68+351,68+204~68+160 m 改由TBM進(jìn)行掘進(jìn)通過(guò)并與鉆爆提前處理段貫通。實(shí)際上樁號(hào)68+352~68+351 m頂拱局部土層侵入。

        3 TBM施工工法

        3.1 掘進(jìn)控制

        掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)圍巖的地質(zhì)條件變化動(dòng)態(tài)的選擇掘進(jìn)參數(shù)(指刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、刀盤推力、掘進(jìn)速度等),以減少掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng),有效地減少剝落和坍塌,從而達(dá)到快速、安全通過(guò)軟弱圍巖地段。在巖質(zhì)軟弱、破碎段掘進(jìn)過(guò)程中常伴有圍巖坍落時(shí),一般要求是采用低速掘進(jìn)。這樣既可以減少刀盤對(duì)圍巖的擾動(dòng),又能夠控制皮帶機(jī)輸碴量,避免出現(xiàn)皮帶機(jī)被卡、皮帶被拉斷等事故發(fā)生。此次掘進(jìn)選用的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 掘進(jìn)參數(shù)

        3.2 初期支護(hù)

        開(kāi)敞式TBM初期支護(hù)是完全遵循“新奧法”來(lái)確定,依托“新奧法”原理及時(shí)施作柔性支護(hù),并允許圍巖有一定的變形,充分利用圍巖自身的承載力,達(dá)到支護(hù)和圍巖共同受力的目的。開(kāi)敞式TBM配有功能齊全,可用于各類圍巖的輔助施工設(shè)備,如:拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)、超前鉆機(jī)、濕噴混凝土機(jī)械手等,使初期支護(hù)更加及時(shí)、有效、靈活。此次采用初期支護(hù)參數(shù)見(jiàn)表3。

        根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖類別及實(shí)際情況,進(jìn)行初期支護(hù)施工,局部根據(jù)需要超前加強(qiáng)支護(hù),確保TBM安全及初期支護(hù)穩(wěn)定。

        3.3 監(jiān)控量測(cè)

        為掌握TBM在通過(guò)淺埋段對(duì)拱頂下沉及周邊收斂的影響,加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及時(shí)分析數(shù)據(jù)并反饋施工現(xiàn)場(chǎng),以便有針對(duì)性地加強(qiáng)支護(hù)和改進(jìn)施工參數(shù),確保TBM順利通過(guò)。

        3.3.1 監(jiān)控量測(cè)管理標(biāo)準(zhǔn)值

        對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)內(nèi)容有不同的監(jiān)測(cè)控制標(biāo)準(zhǔn):隧道收斂為-30 mm,拱頂沉降為-40 mm。預(yù)警值(或報(bào)警值)均為累計(jì)值,取控制標(biāo)準(zhǔn)的80%;速率為4 mm/d。

        3.3.2 測(cè)點(diǎn)布置

        測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1,2。

        表3 初期支護(hù)參數(shù)

        圖1 地表沉降測(cè)點(diǎn)布置圖

        圖2 隧洞周邊位移測(cè)點(diǎn)布置圖

        3.3.3 數(shù)據(jù)分析

        根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)繪制位移和時(shí)間曲線,及時(shí)分析反饋信息,以便修正支護(hù)參數(shù)、變換工序。根據(jù)位移、位移速率評(píng)定圍巖及初期支護(hù)的穩(wěn)定性、安全性。當(dāng)位移日變形量超過(guò)10 mm時(shí),應(yīng)增加觀測(cè)次數(shù),密切注意支護(hù)結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)周邊收斂、拱頂下沉量達(dá)到預(yù)測(cè)量終值的80%~90%,收斂速率小于0.1~0.2 mm/d,拱頂下沉速率小于0.07~0.15 mm/d,視為圍巖變形基本穩(wěn)定,初期支護(hù)滿住要求。

        1)地表沉降。斷面樁號(hào)為68+345—355 m處,地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為間距5 m,每段測(cè)點(diǎn)數(shù)6個(gè),最大沉降量為-2 mm,監(jiān)測(cè)周期為30 d,沉降速率為0.067 mm/d。。

        2)圍巖收斂變形。洞內(nèi)周邊收斂位移匯總見(jiàn)表4。

        表4 周邊收斂位移匯總表

        通過(guò)在TBM掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地表沉降及隧洞周邊收斂監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析(監(jiān)測(cè)時(shí)間從2015.12.9—2017.2.20),TBM掘進(jìn)快速、支護(hù)及時(shí),降低了對(duì)圍巖擾動(dòng),減少施工對(duì)環(huán)境影響,有效控制地表沉降,支護(hù)強(qiáng)度滿足施工及工程安全需求。開(kāi)敞式TBM施工方案在堿草甸子溝淺埋段施工圓滿達(dá)到了目的。

        4 結(jié)論

        1)開(kāi)敞式TBM由于開(kāi)挖和支護(hù)分開(kāi)進(jìn)行,充分結(jié)合了“新奧法”施工原理,既有TBM高效、快捷、環(huán)境友好等特點(diǎn),又具有一定靈活性。在采取及時(shí)有效支護(hù)時(shí)能勝任淺埋及軟、硬巖石條件下掘進(jìn)功能。

        2)在一般條件下,滿足開(kāi)敞式TBM安全及掘進(jìn)時(shí)圍巖穩(wěn)定性要求的隧洞上覆最小弱風(fēng)化巖石厚度不應(yīng)小于0.5洞徑。當(dāng)采用超前支護(hù)、超前加固等措施時(shí),開(kāi)敞式TBM掘進(jìn)時(shí)上覆巖石厚度不是主要控制因素,但如果此時(shí)仍然采用TBM施工,則不能充分體現(xiàn)其高效的優(yōu)越性。

        [1]王繼偉,肖明,李玉婕.TBM隧洞開(kāi)挖圍巖穩(wěn)定與襯砌結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010(增):339.

        [2]唐新權(quán).地鐵隧道開(kāi)敞式TBM施工關(guān)鍵技術(shù)探討[J].中國(guó)鐵路,2010(11):74.

        TV68 < class="emphasis_bold"> [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B

        B

        1002—0624(2017)12—0019—03

        2017-03-14

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