李榮飛
(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局,新疆烏魯木齊 830002)
隧洞工程在水利及交通建設(shè)方面有著極為廣泛的應(yīng)用,該類工程具有技術(shù)要求高、施工期長、投資成本大等特征,因此各國都在不斷研究更為科學(xué)、快速的隧洞開掘技術(shù)。目前,TBM(全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī))集合了挖掘、支護(hù)、探測等技術(shù)為一體,成為目前隧洞開掘工程最高技術(shù)的代表,但在具體施工中有很多技術(shù)要點(diǎn)需要注意。
SS隧洞為無壓洞,總長92.350km,縱坡1/5000,隧洞埋深65~180m,設(shè)計(jì)直徑5.5m。經(jīng)地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn):洞身段Ⅱ類圍巖總長36.010km,占比38.98%;Ⅲ類圍巖總長25.050km,占比27.13%;Ⅳ類圍巖總長6.440km,占比6.98%;Ⅴ類圍巖總長24.855km,占比26.91%,總體圍巖條件較好。其中Ⅱ標(biāo)段包括主洞(樁號SD0-520.000—SD21+031.160)和1號支洞(樁號0+000—1+059)兩部分,在此主要針對主洞段TBM施工技術(shù)進(jìn)行分析。
我國SL303-2017《水利水電工程施工組織設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定符合以下情況比較適合應(yīng)用TBM法:1)圓形斷面,直徑3.0~10.0m,洞長超過3.000 km或大于600倍洞涇;2)圍巖類別為Ⅰ~Ⅲ類,巖溶不發(fā)育,斷層破碎帶較少;3)巖石平均抗壓強(qiáng)度小于100MPa;4)地下水涌水量小于30L/s[1]。
雖然TBM法對比傳統(tǒng)的鉆爆法在掘進(jìn)速度、開挖質(zhì)量、安全及經(jīng)濟(jì)性方面有著絕對優(yōu)勢,但是其應(yīng)用場景限制較多,因此針對SS隧洞Ⅱ標(biāo)段的具體地質(zhì)情況,采用“鉆爆+TBM”聯(lián)合施工方案,其施工方法設(shè)計(jì)詳見表1。
表1 SS隧洞Ⅱ標(biāo)段工程具體施工方法設(shè)計(jì)表
TBM機(jī)按照類型不同,可分為敞開式、單護(hù)盾式、雙護(hù)盾式,這3種TBM機(jī)特征對比見表2所示[2]。結(jié)合該項(xiàng)目圍巖條件較好、工程量較小等實(shí)際情況,從成本、工期等方面考慮,確定采用敞開式TBM施工。
表2 不同類型TBM機(jī)特征對比
單機(jī)掘進(jìn)長度L0直接決定了TBM機(jī)所需數(shù)量及施工段設(shè)計(jì),具體用下式計(jì)算[3]:
式中:I——每轉(zhuǎn)基本掘進(jìn)值,mm;Ks——滾刀直徑修正系數(shù);Kd——巖石性質(zhì)修正系數(shù);r——轉(zhuǎn)速,mm/h;t——設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)時間,h;k——安全系數(shù)。
該項(xiàng)目經(jīng)計(jì)算,設(shè)計(jì)結(jié)果:用2臺TBM機(jī),分別掘進(jìn)8645.307和9785.853m可完成任務(wù)。
雖然該工程總體地質(zhì)條件較好,但依然有個別地段存在破碎松散帶、涌水等不良條件,提前發(fā)現(xiàn)、早做應(yīng)對才是保證施工順利的關(guān)鍵[4]。下面針對SS隧洞TBM掘進(jìn)期間所遇到的不良地段施工技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行分析。
超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是前期地質(zhì)勘探的重要補(bǔ)充,可有效判斷發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害的確切位置。為保證預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,項(xiàng)目采用地震波法(TSP)與超前鉆預(yù)報(bào)相結(jié)合方式。所需要預(yù)報(bào)的內(nèi)容包括巖石性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等。
4.1.1 TSP法應(yīng)用分析
TSP法目前可以較準(zhǔn)確查明工作面前方100.000m范圍內(nèi)較大規(guī)模不良地質(zhì)體的性質(zhì)、位置、規(guī)模、含水量,且對正常施工影響較小,具體原理見圖1:在掌子面附近邊墻位置布設(shè)多處炮眼和接收器,依次對炮眼微爆,記錄產(chǎn)生的地震波信號,通過軟件處理分析后得到不良地質(zhì)體位置[5]。
圖1 TSP系統(tǒng)探測原理示意圖
1)孔位設(shè)計(jì)
項(xiàng)目在使用TSP技術(shù)時,共布設(shè)了20個炮孔,深1.5m,間隔1.5m,下傾角度為10°~15°范圍,一字水平排開;接收器孔布置在最外面,距最近炮孔20.0m,深2.0m,孔內(nèi)下傾角度為8°。
2)成果解釋
成果解釋需的重要步驟:數(shù)據(jù)設(shè)置→濾波→初至拾取→拾取處理→炮能量均衡→反射波提取→P、S波分離→速度分析→深度偏移→反射層提取,其中以P波資料為主,結(jié)合橫波資料進(jìn)行共同解釋[6]。在該項(xiàng)目中依據(jù)以下原則解釋正確率較高:反射幅為正,表明為硬巖層,反射幅為負(fù),表明是軟巖層;S波反射強(qiáng)度大于P波強(qiáng)度,則表明巖層中含水量較大;VP/VS的值突然增大,則表明前方存在松散破碎層;VP值下降,則表明前方圍巖裂隙發(fā)育較多。應(yīng)用TSP技術(shù)預(yù)測的部分成果:SD4+032.000—SD4+68.000泊松比變大,反射面變多,推斷圍巖裂隙發(fā)育多,強(qiáng)度變低;SD6+124.000—SD6+148.000的VP與VS值均大幅減小,泊松比增大,密度降低,推斷有小型溶洞;SD8+119.000—SD8+155.000泊松比降低,VS增加,會出現(xiàn)硬巖段。
4.1.2 超前鉆預(yù)報(bào)法應(yīng)用
超前鉆孔深度一般為15.0~25.0m,分為取芯和不取芯兩類,每個預(yù)報(bào)界面以布置3孔為宜,該方法可較為直觀、準(zhǔn)確地探測前方圍巖硬度、裂隙、含水量、松散破碎帶等不良地質(zhì)條件,該項(xiàng)目主要通過巖芯來分析巖層的RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))值,計(jì)算公式:[7]。
式中:li——10cm以上巖芯累計(jì)長度,cm;L——鉆孔長度,cm。
項(xiàng)目采用“雙層單動巖芯管”取芯,鉆頭為φ54mm的NX鉆頭,應(yīng)綜合評價巖體完整性,如節(jié)理間距、體積節(jié)理數(shù)、完整性系數(shù)、RQD等多個參數(shù),評價標(biāo)準(zhǔn)見表3。通過測定,其Ⅲ類及以上圍巖占TBM法施工總長度的80%左右,總體圍巖完整性較好。
表3 巖體完整性評價表
軟弱破碎圍巖段可能會發(fā)生坍塌、卡盤等問題,這對掘進(jìn)和支護(hù)都會帶來較大影響,同時也是常見的地質(zhì)問題,項(xiàng)目采取以下措施來保證該類型巖段的順利施工:
1)TBM機(jī)不得輕易后退,應(yīng)充分利用刀盤來穩(wěn)定掌子面,否則一旦后退可能會引起更大范圍坍塌。
2)項(xiàng)目采用的TBM機(jī)均為變頻電機(jī)作動力源,在軟弱破碎圍巖段時可通過低速度、大扭矩來減少對圍巖擾動,且防止刀盤被卡死,并采用1/2以下短行程掘進(jìn)。
3)充分利用TBM前部的超前鉆機(jī)對刀盤前方15.0m范圍內(nèi)的破碎帶進(jìn)行超前小導(dǎo)管注漿處理,或者打超前錨桿、管棚,提高圍巖自穩(wěn)能力。并在TBM機(jī)上配噴射混凝土裝置,能夠做到“隨掘隨噴”。
4)小范圍坍塌區(qū)以錨桿為著力點(diǎn),焊接螺紋鋼抵緊塌腔并固定,然后噴射混凝土;大范圍坍塌區(qū)用鐵板封堵,然后往塌腔內(nèi)灌注速強(qiáng)混凝土。
1)若隧洞內(nèi)呈現(xiàn)不連續(xù)出水點(diǎn),則采用噴射混凝土法直接封堵即可,注意適當(dāng)多添加速凝劑,必要時可利用高壓風(fēng)將巖面水滴清理干凈后再噴射。
2)若地下水呈現(xiàn)連續(xù)水流狀態(tài),則在出水部位鉆排水孔并利用塑料管引水排出,之后采用噴射混凝土封堵,孔口采用水玻璃或錨固藥卷封堵。
3)若出現(xiàn)涌水量較大區(qū)域,且采取了放水措施后依然無水量、水壓減少現(xiàn)象,則需立即停止TBM作業(yè),采取超前預(yù)注漿措施對裂隙封堵。在注漿作業(yè)前,應(yīng)保證刀盤前的不透水層厚度不小于5.0m,將其作為止?jié){盤。灌漿采用“水泥+水玻璃”雙液漿,注漿方式為分段下行式,止?jié){塞長度不低于10.0m。項(xiàng)目采用該措施,有效治理了3處涌水點(diǎn),實(shí)際應(yīng)用效果很好。
TBM法掘進(jìn)隧洞是目前最為先進(jìn)、現(xiàn)代化的施工手段,SS隧洞Ⅱ標(biāo)段工程在結(jié)合“鉆爆法和TBM法”后,在規(guī)定工期內(nèi)順利完成了掘進(jìn)作業(yè),掘進(jìn)期間遇到的地質(zhì)問題也得到了妥善解決。但同時應(yīng)認(rèn)識到TBM法對地質(zhì)勘探、應(yīng)急處理等工作要求很高,必須要在各項(xiàng)資料和施工隊(duì)伍完善的情況下才能充分發(fā)揮優(yōu)勢,否則會嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。因此必須要根據(jù)工程情況來量身定制掘進(jìn)方案,避免盲目追求“高大上”技術(shù)。