黃正海,邢阿龍,汪華東
(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司,成都,611130)
西藏派墨公路位于西藏米林縣和墨脫縣境內(nèi),全長(zhǎng)64.73km,其中的多雄拉隧道總長(zhǎng)度4.784km,圍巖主要為混合片麻巖和花崗片麻巖,平均抗壓強(qiáng)度為75MPa~90MPa,石英含量為15%~30%,耐磨性指標(biāo)在4~5.5之間。
開挖洞徑9.13m,采用雙護(hù)盾TBM獨(dú)頭逆坡掘進(jìn),開挖后襯砌厚度35cm的采用“6+1”型四邊形預(yù)制混凝土管片,襯砌后隧洞直徑8.1m。隧道進(jìn)口高程3547m,出口高程3566m,最大埋深約為832m。
雙護(hù)盾TBM集隧道掘進(jìn)、管片襯砌、回填、灌漿等功能為一體,在遇到軟巖時(shí),由盾尾推進(jìn)液壓缸支撐在已拼裝的預(yù)制襯砌塊上或鋼圈梁上以推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn),一次完成開挖、襯砌和灌漿作業(yè)。所有工作內(nèi)容均在護(hù)盾和預(yù)制混凝土管片的防護(hù)下進(jìn)行,開挖成型的圍巖不裸露,施工作業(yè)安全系數(shù)高,但受預(yù)制混凝土管片安裝、灌漿的速度限制,總體掘進(jìn)速度較慢。
雙護(hù)盾TBM在遇到硬巖時(shí),在不進(jìn)行管片安裝和灌漿即可保證施工和工程安全的情況下,可用支撐板撐緊洞壁,由主推進(jìn)液壓缸推進(jìn)刀盤破巖前進(jìn),從而不受預(yù)制混凝土管片安裝的限制,實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的目的。
在較完整且有一定自穩(wěn)性的圍巖特別是在硬巖和中硬巖掘進(jìn)中,開敞式TBM強(qiáng)大的支撐系統(tǒng)為刀盤提供了足夠的推力,同時(shí),全面的支護(hù)系統(tǒng)能夠在掘進(jìn)過程中同步對(duì)出露的不穩(wěn)定圍巖進(jìn)行及時(shí)、系統(tǒng)的錨網(wǎng)噴和鋼拱架支護(hù),確保圍巖總體穩(wěn)定,有利于實(shí)現(xiàn)TBM快速掘進(jìn)。掘進(jìn)過程中不需要安裝鋼管片,反作用力來源于支撐系統(tǒng)。
因雙護(hù)盾TBM沒有裝備錨、網(wǎng)、噴等初期支護(hù)系統(tǒng),為充分發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)的優(yōu)勢(shì),同時(shí)增加TBM對(duì)不良地質(zhì)段的適應(yīng)能力,加快TBM總體施工進(jìn)度,降低停機(jī)支護(hù)、卡機(jī)等風(fēng)險(xiǎn),希望通過本次試驗(yàn),總結(jié)出一套雙護(hù)盾TBM與開敞式TBM支護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的快速掘進(jìn)工藝。
本工程采用的雙護(hù)盾TBM未配置錨噴支護(hù)系統(tǒng)和后續(xù)混凝土二襯設(shè)備,無法實(shí)現(xiàn)開敞式TBM快速進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)施工的優(yōu)點(diǎn),無法實(shí)現(xiàn)同步襯砌。所以采取的對(duì)策措施包括:
(1)鑒于本次僅進(jìn)行工藝試驗(yàn),故暫不考慮噴射混凝土工序,待TBM掘進(jìn)完成路面形成交通條件后再實(shí)施噴混凝土施工。
(2)增加支護(hù)施工人員,并配備10臺(tái)手風(fēng)鉆,以加快錨桿鉆孔施工速度,減少錨桿支護(hù)施工對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響。
(1)要求試驗(yàn)段圍巖在Ⅲ類A圍巖以上,并不能有垮塌和大的掉塊,沒有高地應(yīng)力,不能產(chǎn)生巖爆或偏壓造成的崩塌、掉塊,圍巖具備經(jīng)拱部80°范圍錨桿及掛網(wǎng)支護(hù)后長(zhǎng)時(shí)間(4個(gè)月)自穩(wěn)能力。
(2)雙護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)換為錨網(wǎng)支護(hù)施工時(shí),在正常施工洞段和不良地質(zhì)段,安裝底部?jī)蓧K管片后均可以完成換步和姿態(tài)調(diào)整。
(1)在Ⅱ類、Ⅲa圍巖洞段選擇長(zhǎng)度300m進(jìn)行雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)施工試驗(yàn)。
(2)圍巖脫離尾盾后立即實(shí)施掛網(wǎng)及隨機(jī)錨桿施工,保證網(wǎng)片臨時(shí)穩(wěn)定。
(3)局部破碎段的Ⅲ類圍巖洞段,采用錨桿、鋼筋排、噴混凝土和錨桿、工字鋼拱架、網(wǎng)片、噴混凝土兩種聯(lián)合支護(hù)措施。
(4)TBM錨網(wǎng)支護(hù)段的錨桿采用手風(fēng)鉆施工,利用TBM機(jī)上配套的4臺(tái)空壓機(jī)供風(fēng)。
(5)根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)判結(jié)果和實(shí)際圍巖情況,確定TBM錨網(wǎng)支護(hù)段和恢復(fù)管片襯砌位置。在TBM正常掘進(jìn)與錨網(wǎng)支護(hù)轉(zhuǎn)換時(shí),錨網(wǎng)支護(hù)施工前應(yīng)設(shè)置結(jié)束環(huán)。
(6)在試驗(yàn)段,TBM設(shè)備防護(hù)主要采用鋼筋網(wǎng)片、膠皮、帆布、彩條布對(duì)電氣設(shè)備、電路管線、豆粒石及砂漿、水泥罐等容易受水危害的部位進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)。
雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)施工程序?yàn)殡p護(hù)盾模式掘進(jìn)→清除護(hù)盾上的跌落小塊體→圍巖脫離尾盾后在管片安裝器走臺(tái)進(jìn)行掛網(wǎng)及隨機(jī)錨桿施工→底部?jī)蓧K管片安裝及豆粒石砂漿回填→采用手風(fēng)鉆進(jìn)行系統(tǒng)錨桿施工→豆粒石平臺(tái)進(jìn)行剩余系統(tǒng)錨桿施工并局部掛網(wǎng)→后期TBM掘進(jìn)完成后按設(shè)計(jì)要求補(bǔ)齊掛網(wǎng)及噴混凝土施工。
以3.1(1)的要求為前提,否則必須恢復(fù)管片襯砌施工。施工洞段必須根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)判結(jié)果并結(jié)合實(shí)際情況來確定TBM錨網(wǎng)支護(hù)實(shí)施樁號(hào)及長(zhǎng)度。
雙護(hù)盾TBM轉(zhuǎn)換為錨網(wǎng)支護(hù)施工時(shí),僅安裝底部?jī)蓧K管片,借助輔推油缸支撐管片來完成換步和調(diào)向,會(huì)出現(xiàn)TBM主機(jī)抬頭的現(xiàn)象,對(duì)TBM掘進(jìn)軸線及高程控制不利。
TBM錨網(wǎng)支護(hù)段結(jié)束恢復(fù)管片安裝時(shí),必須設(shè)置初始環(huán)反力座。其作用是穩(wěn)定分塊安裝的管片,抵抗輔推油缸推力實(shí)現(xiàn)換步。
本次試驗(yàn)因采用手風(fēng)鉆施工錨桿,支護(hù)進(jìn)度與TBM掘進(jìn)進(jìn)度不匹配,所產(chǎn)生的粉塵和噪音遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TBM正常掘進(jìn)施工,且影響TBM操作室電氣系統(tǒng)和VMT設(shè)備等的正常運(yùn)行。
轉(zhuǎn)為TBM錨網(wǎng)支護(hù)方式后因缺少襯砌管片的防護(hù),圍巖脫落石塊和錨桿施工形成粉塵等遠(yuǎn)大于TBM正常掘進(jìn)時(shí)的清渣量,尤其影響TBM設(shè)備喂片機(jī)的正常運(yùn)行。
5.1.1 施工人員和新增設(shè)備準(zhǔn)備
(1)根據(jù)TBM掘進(jìn)情況和超前地質(zhì)預(yù)判確定TBM錨網(wǎng)支護(hù)施工洞段。
(2)提前準(zhǔn)備齡期達(dá)到28d的結(jié)束環(huán)管片。
(3)進(jìn)行施工人員的組織、技術(shù)培訓(xùn)和安全培訓(xùn)。
(4)準(zhǔn)備手風(fēng)鉆(YT-28)、掛網(wǎng)施工用電錘、混凝土攪拌機(jī)等設(shè)備。
5.1.2 TBM錨網(wǎng)支護(hù)材料儲(chǔ)備
(1)材料包括設(shè)備防護(hù)材料(膠布、雨棚等)、錨桿、工字鋼拱架、勞保用品等。
(2)要求提前進(jìn)行滑行段管片生產(chǎn),并根據(jù)各管片尺寸及拼裝方式將底部管片進(jìn)行分類堆放。
5.2.1 錨網(wǎng)支護(hù)施工前的準(zhǔn)備工作
5.2.1.1 雙護(hù)盾模式下施工結(jié)束環(huán)并進(jìn)行加固
在轉(zhuǎn)換為雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)模式時(shí),利用管片安裝器環(huán)形平臺(tái)在支護(hù)開始前對(duì)襯砌管片結(jié)束環(huán)進(jìn)行加固。以約束固定已襯砌管片防止發(fā)生位移。加固措施為:
(1)預(yù)制管片增加預(yù)留孔,采用錨桿錨固鎖定;
(2)輔推油缸加墊木臨時(shí)頂撐,封堵?lián)躅^模板并回填豆粒石灌漿或灌注水泥砂漿。
5.2.1.2 錨網(wǎng)支護(hù)工藝
工藝流程為結(jié)束環(huán)管片襯砌→手風(fēng)鉆錨桿施工→結(jié)束環(huán)封堵模板施工→豆礫石回填灌漿→TBM錨網(wǎng)支護(hù)施工。
為防止管片上的預(yù)留孔出現(xiàn)漏氣,用水泥砂漿將預(yù)留孔進(jìn)行封堵,在管片安裝完成后再對(duì)封堵砂漿進(jìn)行清理,以確保抓吸穩(wěn)固和安全。
5.2.1.3 特制管片生產(chǎn)
根據(jù)結(jié)束環(huán)反力座每個(gè)構(gòu)件布置圖和結(jié)束環(huán)反力座每個(gè)構(gòu)件示意圖,進(jìn)行預(yù)制管片生產(chǎn),且確保管片安裝達(dá)到28d齡期。
5.2.1.4 結(jié)束環(huán)錨桿
結(jié)束環(huán)錨桿采用藥卷錨桿φ25,L=3m(錨固深度2.8m),錨桿端頭鋼墊板(15cm×15cm)固定。
5.2.1.5 豆礫石灌漿或砂漿回填
(1)因結(jié)束環(huán)管片在脫離尾盾后,與TBM尾盾幾乎沒有空間,為防止結(jié)束環(huán)回填灌漿時(shí),水泥漿串漿,需將管片完全脫離尾盾后設(shè)置封堵模板,以確保末端管片回填飽滿。
(2)需在TBM輔推油缸推出前,自上而下在輔推油缸蹬靴與末環(huán)管片之間加100cm長(zhǎng)的35cm×35cm的方木撐墊,以便使末環(huán)管片完全脫離尾盾并具有50cm的側(cè)面擋頭模板施工空間。
(3)TBM推出結(jié)束環(huán)管片且封堵模板施工完成后,進(jìn)行底拱砂漿回填(底部90°范圍)。
(4)在底部砂漿灌注完畢之后,采用5mm~10mm豆礫石回填(頂部270°范圍)管片外側(cè)與圍巖之間的空腔,自下而上且兩側(cè)交叉對(duì)稱直到頂拱的吹灌方式充填密實(shí),吹填風(fēng)壓為0.3MPa~0.5MPa。吹填完成后孔隙采用水灰比為0.5∶1的P.O42.5水泥漿液進(jìn)行充填。
5.2.2 掛網(wǎng)施工
掛網(wǎng)施工包括拱部80°范圍隨機(jī)掛網(wǎng)和拱部246°范圍的系統(tǒng)掛網(wǎng),網(wǎng)片為長(zhǎng)2.1m、寬1.5m,間距為15cm×15cm的φ8鋼筋網(wǎng)。
(1)隨機(jī)掛網(wǎng)在圍巖脫離尾盾后立即實(shí)施,網(wǎng)片采用隨機(jī)錨桿及電錘鉆孔鋼筋固定。
(2)系統(tǒng)掛網(wǎng)施工在路面形成后實(shí)施,網(wǎng)片采用系統(tǒng)錨桿及電錘鉆孔鋼筋固定。
5.2.3 底部管片安裝
為保證TBM掘進(jìn)換步正常進(jìn)行及后配套臺(tái)車高程適當(dāng)、行走順利,TBM錨網(wǎng)支護(hù)施工仍須進(jìn)行底部?jī)蓧K管片安裝,底部管片采用輕型管片的規(guī)格有ABCDEF塊,且按拼裝方式進(jìn)行分類堆放,每堆只堆放兩塊。為避免上下作業(yè)安全隱患,在上部危石清理和掛網(wǎng)施工完成后,人工清理底部石渣,最后進(jìn)行底管片的安裝。當(dāng)滑行管片推出尾盾后,進(jìn)行底拱砂漿回填(底部114°范圍),砂漿灌注時(shí)用灌漿塞封堵串漿孔。
5.2.4 雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)掘進(jìn)方式
因管片只安裝了底部?jī)蓧K,無法為輔推油缸掘進(jìn)推進(jìn)提供反力,因此TBM錨網(wǎng)支護(hù)施工掘進(jìn)按TBM正常掘進(jìn)雙護(hù)盾模式進(jìn)行,在掘進(jìn)過程中安排兩名具備豐富排險(xiǎn)經(jīng)驗(yàn)的人員利用管片安裝器走臺(tái)(可往返移動(dòng))對(duì)尾盾上跌落的石塊及危巖體進(jìn)行清除。同時(shí),錨桿施工在底部管片安裝完成后進(jìn)行。
5.2.4.1 隨機(jī)錨桿支護(hù)
當(dāng)巖面脫離尾盾后若發(fā)現(xiàn)楔形體、不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)面則應(yīng)立即施做隨機(jī)錨桿并掛網(wǎng),必要時(shí)應(yīng)放慢掘進(jìn)速度以滿足支護(hù)要求。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)圍巖脫離尾盾后具體情況在拱部80°范圍利用手風(fēng)鉆造孔,采用長(zhǎng)度L=2m,φ22藥卷錨桿進(jìn)行隨機(jī)加固。
5.2.4.2 系統(tǒng)錨桿支護(hù)
在管片安裝平臺(tái)雖然施工了隨機(jī)錨桿,但為整體防止巖體出現(xiàn)應(yīng)力收斂巖塊脫落現(xiàn)象,需對(duì)拱部180°范圍施工系統(tǒng)錨桿。1#臺(tái)車平臺(tái)空間受限先做拱部80°系統(tǒng)錨桿支護(hù),剩余系統(tǒng)支護(hù)待搭設(shè)施工臺(tái)車集中進(jìn)行施工。
系統(tǒng)錨桿利用手風(fēng)鉆造孔,采用長(zhǎng)度L=2m,φ22間排距120cm的藥卷錨桿梅花形布置。隧道周邊徑向布置的錨桿外插角為60°~80°。錨桿應(yīng)與巖體主結(jié)構(gòu)面或巖層層面呈大角度布置。
5.2.5 雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)束后初始環(huán)反力座施工
TBM錨網(wǎng)支護(hù)段結(jié)束恢復(fù)管片安裝時(shí),必須設(shè)置初始環(huán)反力座,其作用是穩(wěn)定分塊安裝的管片,抵抗輔推油缸推力實(shí)現(xiàn)換步。為盡量加快反力座施工速度,建議采用工字鋼拱架并現(xiàn)澆混凝土與錨桿聯(lián)合受力的反力座結(jié)構(gòu)。
5.2.5.1 初始環(huán)設(shè)計(jì)
初始環(huán)反力座長(zhǎng)度3m,厚度50cm,表面平管片內(nèi)表面。反力座結(jié)構(gòu)采用工字鋼拱架、錨桿和現(xiàn)澆混凝土聯(lián)合受力。工字鋼拱架采用I18,間距0.75m/榀,布置于內(nèi)表面,保護(hù)層厚度5cm;錨桿采用長(zhǎng)度L=3m,φ22,間排距1.5m×0.75m砂漿錨桿梅花布置,外露45cm且與工字鋼連接。用φ22螺紋鋼筋進(jìn)行連接后襯砌厚度為50cm的C30混凝土。
5.2.5.2 初始環(huán)反力座施工
(1)初始環(huán)反力座錨桿施工
在TBM錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)束后,TBM每掘進(jìn)1.8m,采用管片安裝器上的液壓錨桿鉆機(jī),進(jìn)行錨桿孔施工,孔深2.6m,液壓鉆機(jī)無法施工的部位采用YT-28手風(fēng)鉆造孔,清孔采用高壓風(fēng)水槍聯(lián)合沖洗孔內(nèi)巖粉和積水,直至干凈;錨桿采用錨桿注漿機(jī)灌注M20的P.O42.5水泥砂漿,注漿時(shí)注漿管插至距孔底50mm~100mm,隨砂漿的注入緩慢勻速拔出,然后插入錨桿。
(2)初始環(huán)鋼拱架安裝及加固
TBM每掘進(jìn)1.8m且錨桿施工完成,待凝結(jié)束后,開始進(jìn)行I18工字鋼拱架安裝施工。TBM掘進(jìn)只在底部114°范圍敷設(shè)2塊標(biāo)準(zhǔn)塊管片滑行,頂部246°范圍進(jìn)行工字鋼拱架安裝。鋼拱架每榀分四節(jié)安裝,每節(jié)鋼拱架弧長(zhǎng)4.8m,弧度R=4370mm。鋼拱架安裝采用單節(jié)安裝形式,自下至上進(jìn)行安裝,單節(jié)鋼拱架應(yīng)與錨桿牢固焊接,再進(jìn)行下節(jié)鋼拱架安裝,I18工字鋼端部應(yīng)焊接帶孔鋼板,兩節(jié)鋼拱架間采用M20螺栓進(jìn)行固定。
(3)初始環(huán)現(xiàn)澆混凝土施工
錨桿和I18工字鋼拱架施工完成后,對(duì)工字鋼拱架外側(cè)設(shè)置剪力架φ22連接鋼筋,然后對(duì)高度3m范圍的反力座現(xiàn)澆C30混凝土進(jìn)行加固,拱頂部則采用濕噴厚度為50cm的C30混凝土進(jìn)行加固。噴混凝土前,應(yīng)采用膠布、帆布、彩條布對(duì)尾盾至豆礫石平臺(tái)位置設(shè)備、液壓管路等進(jìn)行遮蓋,防止混凝土回彈后對(duì)設(shè)備的侵害。
5.2.6 局部破碎洞段施工
為保證雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)安全通過局部破碎洞段,需根據(jù)局部破碎洞段圍巖具體情況,可靈活采用以下兩種聯(lián)合支護(hù)措施。
5.2.6.1 錨桿、鋼筋排、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)措施
根據(jù)破碎洞段巖體情況和破碎段長(zhǎng)度,利用手風(fēng)鉆造孔,采用長(zhǎng)度L=2.5m間排距1m×0.5m的φ22藥卷錨桿梅花形布置進(jìn)行緊急加固,外露10cm并與鋼筋排焊接。鋼筋排采用φ22螺紋鋼,其縱向間距10cm,環(huán)向間距50cm。鋼筋排焊接完成后,濕噴厚22cm的混凝土。
5.2.6.2 錨桿、工字鋼拱架、網(wǎng)片、噴混凝土聯(lián)合支護(hù)措施
對(duì)于極不穩(wěn)定的局部破碎洞段(具體由設(shè)計(jì)院確定),采用長(zhǎng)度L=2.5m間排距1m×0.5m的φ22藥卷錨桿梅花形布置進(jìn)行緊急加固,外露20cm并與工字鋼拱架焊接。錨桿施工采用管片安裝器位置的液壓鉆機(jī)進(jìn)行。圍巖脫離指型護(hù)盾后立即安裝底管片以上246°范圍I16間距50cm工字鋼拱架,每支護(hù)循環(huán)不少于3榀拱架,拱架之間采用φ22鋼筋進(jìn)行連接加固,然后進(jìn)行掛網(wǎng)施工,網(wǎng)片采用φ8@15cm×15cm,最后噴22cm厚混凝土。
本次試驗(yàn)于2017年6月22日開始,至2017年7月10日結(jié)束,隧道開挖樁號(hào)K12+524.9.m至K12+626.1m,試驗(yàn)段TBM掘進(jìn)長(zhǎng)度104.4m,其中試驗(yàn)段圍巖類別均為Ⅲ類。
試驗(yàn)段扣除掘進(jìn)前后影響及準(zhǔn)備時(shí)間后,TBM有效掘進(jìn)總時(shí)間7d,日均進(jìn)尺14.95m。由于配置支護(hù)設(shè)備受限,但在雙護(hù)盾TBM模式下采取錨桿及掛網(wǎng)支護(hù)方式,驗(yàn)證了雙護(hù)盾TBM與開敞式TBM特點(diǎn)相融合的掘進(jìn)模式的可行性。以后項(xiàng)目通過設(shè)備改造完善,可進(jìn)一步提高TBM掘進(jìn)效率。
采用TBM進(jìn)行隧道開挖施工的主要目的是利用TBM快速掘進(jìn)的能力加快隧道施工進(jìn)度。但因部分雙護(hù)盾TBM沒有隧道支護(hù)系統(tǒng),在遇到長(zhǎng)距離、自穩(wěn)能力較好的Ⅱ類或Ⅲa類圍巖時(shí),一旦遇到小的掉塊或破碎帶,就需要轉(zhuǎn)成單護(hù)盾模式進(jìn)行施工,無法發(fā)揮TBM快速掘進(jìn)的能力,有悖于雙護(hù)盾TBM設(shè)計(jì)的初衷。
本次雙護(hù)盾TBM錨網(wǎng)支護(hù)試驗(yàn)為后續(xù)雙護(hù)盾TBM設(shè)計(jì)提供了新的思路,從設(shè)計(jì)和制造階段解決了局部軟弱圍巖或破碎帶的系統(tǒng)支護(hù)問題,將可能大大提高雙護(hù)盾TBM的地質(zhì)適應(yīng)能力和總體掘進(jìn)速度,從而提高雙護(hù)盾TBM的適用性。