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                論新疆隧洞掘進機在不良地質圍巖中的施工方法

                六分局   史江波

                 

                1 工程簡介

                新疆隧洞工程24.5km由山西省水利建筑工程局承建,隧洞施工采用常規鉆爆法開挖與TBM掘進兩種方法施工,常規鉆爆法施工段(也稱滑行段)圍巖主要為土類和砂礫料,圍巖松軟,穩定性良好,施工機械為挖掘機,自卸汽車配合出渣。鉆爆法開挖后的隧洞設計為二次襯砌,先進行錨噴支護,再進行管片襯砌和豆礫石回填并灌漿。掘進機開挖圍巖多為復雜圍巖,圍巖類型較堅硬、易破碎、斷裂帶多,穩定性差,采用TBM掘進機施工具有很大優勢,既能保證工程進度,又能在很大程度上保證施工人員的安全(主要在開洞徑開挖時免受的損傷),掘進機施工先進行圍巖開挖,洞徑成型后,由管片安裝機抓舉管片進行圍巖襯砌,隨后進行豆礫石回填和灌漿,完成圍巖的成型支護,最后對管片之間的接縫采用特殊砂漿勾縫,完成隧洞施工。該隧洞開挖洞徑6.95m,成型洞徑6.0m、襯砌管片厚28cm,其中鉆爆法開挖施工4.82kmTBM掘進19.67km

                2 TBM主要施工模式

                該工程所使用的隧洞掘進機為一臺雙護盾硬巖掘進機,有雙護盾和單護盾兩種掘進模式,雙護盾模式適用于硬巖類型,具有施工速度快,掘進開挖和管片安裝襯砌可同時進行互不干擾的特點,但對圍巖要求較高,圍巖必須堅硬。單護盾模式施工速度較慢,只能先進行掘進開挖停止后,才能進行管片安裝襯砌,在掘進時由于推力過大,對掘進機和成型管片都有一定的破壞和損傷,但在大坂隧洞工程施工中,由于巖石類型較差,地質條件不良,無法采用雙護盾模式施工,全線施工基本全部為單護盾掘進開挖模式。

                3 TBM主要構成

                   TBM主要控制操作系統較為復雜,其主要有四大部分構成,包括機械部分、液壓部分、電氣設備部分和控制操作平臺部分等。其中機械部分主要包括刀盤部分(含軸承部分)、護盾部分和后配套臺車部分等;液壓部分主要包括液壓泵站部分、主推進油缸(10只)、輔推進油缸(20只)和后配套牽引油缸(2只)部分、電磁液壓閥部分等;電氣設備部分主要包括開挖推進主電機(6臺)、各類配電柜、開挖渣料輸送平臺(3條皮帶)、柴油發電機(1臺)和后配套配電電纜等;操作平臺部分主要包括TBM掘進開挖操作室、管片安裝襯砌平臺和缷渣料平臺部分等。

                4 TBM掘進開挖原理及結構

                掘進機頭,也稱護盾部分是TBM掘進施工的核心硬件,承擔著掘進開挖的重要任務。其主要工作原理是:刀盤在主電機的驅動下轉動,刀盤上的滾刀刀具也在刀盤的轉動下,通過與掘進巖面產生高強度的摩擦力發生滾動,再通過主推和輔推進油缸的偉輸動力進行推進作業,對掌子巖面的圍巖進行切割、破壞,造成掌子面圍巖脫落,脫落后的渣料在刀盤上的料倉口進入下料口,通過皮帶輸送至指定卸料地點。

                大坂隧洞使用的TBM刀盤共分布42把刀具,其中包括4把雙刀(每2個刀具為1把),也稱中心刀,5把邊刀和29把面刀。中心刀和面刀裝配在刀盤的正立面部位,其主要作用是破碎和分解巖石,邊刀裝配在刀盤的外環邊上,其主要作用則是擴大洞徑,保證洞徑尺寸。中心刀和面刀磨損嚴重會影響掘進開挖的速度,降低生產效率,而邊刀磨損嚴重則會影響開挖洞徑,甚至造成刀盤或護盾被圍巖卡住,無法動彈,即卡機現象。

                5 不良地質情況的處理辦法

                在新疆八十一大坂隧洞的TBM掘進開挖中,遇到了多類復雜的地質構造,嚴重制約了工程進度,同時也耗費了大量的資源,在一定程上增加了工程投資,也拖延了工期。該項工程計劃工期30個月,實際工期50個月。不良圍巖地質的影響則是造成工期嚴重滯后的主要根源。

                TBM在正常掘進過程中,通過操作室電腦屏幕上的掘進參數可直接反映刀盤刀具的磨損情況,以及圍巖的特點,以此來判斷刀具和圍巖存在的問題,再進行處理和解決。TBM的總推力是圍巖和刀具情況判斷的主要參數,有時刀盤的電流大小也可作為其判斷參數。一般情況下,TBM機器狀態較好時,總推力在25004500kN左右,刀盤電流在25%50%,超過4500kN時,或者刀盤電流很大50%90%時,刀具或圍巖情況不良,則需要對刀盤和圍巖仔細檢查,慎重操作施工,切不可盲目操作掘進,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質主要有塌方、膨脹巖、流沙、軟煤層、膠泥巖、硬砂巖等。各類地質情況特點不同,在施工時均能導致TBM發生卡機或無法掘進等現象。

                5.1 塌方

                泥巖塌方,是新疆大坂隧洞工程常見的不良地質情況,此類圍巖多分布在破碎帶和斷裂帶上,當TBM在掘進過程中,遇到此類地質情況,會造成刀盤負荷加大,即刀盤電流值逐漸增大,最后刀盤無法克服塌方圍巖的阻力,停止轉動,發生卡機現象。

                針對此類圍巖在發生卡機后,可采取先進行化學灌漿,后進行人工松動圍巖的辦法脫困。在施工時,先通過護盾頂部的預留孔在刀盤上方造孔,造孔設備為潛孔鉆,造孔直徑為50mm,造孔深度根據造孔的難度決定,一般深度不低于7m,造孔斜度一般在4560度之間,造孔數量不低于3個,造孔完成后,退出鉆桿,采用直徑20鋼管打入造孔內,鋼管最前方約2m左右采用花管,鋼管按造孔深度全部打入孔內,外部預留1.5m左右與化灌設備接頭連接,并對開孔處封堵,完成造孔和裝管工作。隨后便可進行化灌工作,化灌設備由廠家直接供應,化灌材料為兩種不同材料的液體,液體的比例可由廠家人員調整,在化灌時通過壓力泵的兩條管道輸送至鋼管與化灌設備的管道連接處后匯合,快速將化灌材料打入圍巖,在圍巖內部進行化學反應,膨脹發泡,通過體積增大,填充塌方巖體空隙,使塌方巖體形成整體,以達到加固塌方巖體穩定性。化灌工作應在壓力逐步增大,且在規定時間注入量極少的情況下停止,化灌應連續進行,中間不得停止,否則極易造成將打入巖體的管道堵塞,影響化灌工作。化灌液體是一種有毒物質,施工時應做好安全防護工作,以防化灌材料對人體造成傷害。

                待化灌材料全部反應結束,異味揮發到一定程度時,便可開始刀盤圍巖松動工作,從后護盾的尾部在露出圍巖的部位開始開挖導洞,開挖工具為手持風鎬,左右兩側導洞同時開挖,開挖方向從后護盾底部逐漸向前向上開挖,一直開挖至刀盤位置,一般情況下,在進行化灌工作后,圍巖已基本固結,但也應注意安全,必要時在導洞內用方木支護,兩側導洞到達刀盤部位后,同時沿刀盤環向部位向上方開挖,直到圍巖全部與刀盤分離,基本無刀盤被圍巖擠壓部位,便可停止刀盤圍巖松動工作。在導洞內的一切人員和機械設備撤離后,便可開始TBM掘進工作。

                5.2膨脹巖

                膨脹巖多為泥巖,遇水便化成一灘,此類圍巖危害極大,脫困周期較長,TBM在掘進過程中,遇到此類圍巖,刀盤參數基本正常,總推力會明顯增大,最高在8000kN10000kNTBM沒有前進速度,檢查所有推力油缸所撐到的管片會有破損,護盾70%的部位全部被圍巖擠死,發生這種現象主要原因是巖層具有膨脹性,在TBM通過該類圍巖時,巖體會在短時內發生膨脹,體積增大,將圍巖和護盾的設計開挖全部間隙擠壓填充,造成護盾與圍巖摩擦力達到最大,TBM的油缸總推力無法克服摩擦力后,便停止不能再繼續前進。

                針對此類圍巖,只有通過開挖導洞,松動圍巖與護盾接觸的巖體,才能繼續前進。圍巖松動從后護盾開始,沿護盾環向進行開挖,也可在伸縮護盾部位打開缺口,進行導洞開挖松動圍巖,在將護盾圍巖松動絕大部分時,可試驗進行TBM是否能向前掘進,如機器無反應,則需繼續松動巖體,徹底松動后,再進行掘進,便可脫困。

                5.3 流沙

                流沙多數分布在穿河地段,埋深較淺,TBM在穿過該類圍巖時,流沙會伴隨地下水一涌而出,只要掘進,流沙就會溢流不止,流沙會沿著護盾間隙涌出,在短時間內,涌出的流沙便會淹沒最前方的工作臺車,造成管片無法安裝,掘進無法繼續。此類圍巖較穩定,在TBM掘進時,參數基本正常,但是因為流沙太多影響掘進,只需將流沙清理后經,繼續掘進,慢速便可通過該類巖層。

                5.4 軟煤層

                軟煤層圍巖松散,且煤層質量較輕,容易塌方,TBM在通過該類圍巖時,短時內刀盤參數會有變化,時大時小,總推力正常,但因煤層容易塌方,會對刀盤的轉動造成一定威脅,特殊時會使刀盤停止轉動,但在停止后,可繼續啟動刀盤,通過刀盤的啟動扭矩來克服煤層的阻力,可使刀盤繼續轉動,在轉動時刀盤轉速不可太大,保持在45/min即可,使刀盤勻速轉動,總推力應與刀盤轉速皮配,盡量減少對煤層的擾動,保證刀盤的正常轉動和TBM的掘進速度,便可通過軟煤層地質。

                5.5膠泥巖

                膠泥巖是一種巖石中夾雜粘度很高的膠泥所形成的一種巖層,當掘進機通過此類巖層,巖層被破碎后,巖石被切割擠入料倉后運出,而膠泥由于粘性很高,則留在了刀盤面的任何部位甚至堵塞料倉,當一部分出料倉被堵塞后,刀盤出渣量降低,出料效率受到限制,大部分被刀盤破碎的渣料在掌子面擠壓而不能擠出料倉,直至所有料倉被膠泥堵塞,造成刀盤負荷加大,刀盤電流持續不下,最終因電流達到極限而停止工作,料倉不再出料,TBM掘進開挖無法繼續。

                針對此類圍巖,可以采取用高壓水槍沖洗刀盤料倉的辦法進行處理解決,用高壓水槍將刀盤料倉出料口部位沖洗通暢,再使刀盤轉動,將料倉內積累的渣料全部送出后,再繼續向前推進,如果在推進的過程中,發現刀盤電流又在逐漸加大,則需要根據刀盤的負荷,反復沖洗和掘進,一般情況下,電流在50%以下可不做清理,50%以上則需要檢查料倉后,根據料倉開口情況繼續用高壓水槍清理,遇此圍巖只能采取此類方法緩慢通過。

                5.6硬砂巖

                硬砂巖是一種硬度不高,但極具韌性、摩擦力很高的一種巖石,這類圍巖對滾刀刀具的破壞性很大,TBM在掘進過程中遇到此類圍巖后,刀具會在切割巖石的過程中逐步磨損,面刀的和滾刀磨損嚴重時,會降低掘進速度,而邊刀磨損嚴重時則會使整個機器陷入危機,發生卡機現象,遇到此類圍巖,應降低刀盤轉速,降低推井速度,刀盤轉速在5/min以內,推進速度3040mm/min,盡量減少刀盤與圍巖的磨擦頻率,在掘進停止時應經常檢查所有刀具的磨損情況,及時更換新刀具。

                如在掘進過程中由于對刀具檢查不夠,操作過程疏忽大意,邊刀磨損嚴重后發生卡機現象,則需要脫困處理,可先將刀盤后退,更換刀具后再進行掘進,如刀盤無法退回,則需要開挖導洞、松動刀盤環向圍巖,同理從后護盾部位開挖,但因此類圍巖具有韌性強的特點,導洞開挖費時費力,但只要能松動刀盤處的圍巖,留出刀盤與圍巖間隙,刀盤能轉動,換上新的邊刀刀具后,便可使機器脫困,繼續前進。

                6 總結

                TBM掘進機是當前國內外運用廣泛,非常先進的隧洞開挖和襯砌的大型施工機器,是綜合電力、液壓、機械、和掘進操作,管片安裝操作等核心技術為一體的綜合性施工設備,其安全程度很高,新疆隧洞在24.5km的施工過程中,未發生一起傷亡事故。大坂隧洞的施工過程曲折困難,經過長達5年的漫長施工,終于在20103月全線貫通,為以后的TBM隧洞施工積累了豐富和寶貴的施工經驗。

                 

                (作者簡介:史江波,男,1980年生,2005年畢業于華北水利水電學院水利工程管理專業,助理工程師

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