小直径开敞式TBM遇到软弱破碎围岩的施工技术

1、小直径开敞式TBM遇到软弱破碎围岩的施工技术引言在现代隧道施工中，TBM(全断面隧道掘进机)作为一种先进的施工设备，得到了越来越广泛的应用。TBM施工与钻爆法不同，它集掘进、支护、出碴于一体，具有快速、优质、安全、经济等特点。一、工程概况那邦水电站引水隧洞全长为9748.562m,过水断面为圆形，开挖直径为4.5m，最小过水断面为3.5m。隧洞最小埋深约为60m，最大埋深约为600m引水隧洞底坡为3.59%。引水隧洞岩石中类围岩约占44%田类围岩约占34%IV类围岩约占19%V类围岩在3%左右。该隧道地质复杂，受区域性大断层及其次生小断层影响，隧道岩体破碎、节理发育，节理面宽张，岩石层间结合力

2、差。隧道采用S-515型TBM施工，S-515型掘进机属敞开式全断面掘进机，全长310m总重约2200吨，开挖直径4.5m,设计掘进速度1(03(5m/ho这是我国首次小直径开敞式TBMffi工，其TBMK统设计与施工技术与大直径TBMffi比有很多不同特点。而且，云南地区地质形成年代较晚，地质条件复杂，曾经有一台双护盾TBM掌鸠河引水工程应用中失败。此前，云南还没有TBM施工成功先例。那邦水电站引水隧洞存在多段软弱蚀变带地段，岩石软化,遇水成泥状，TBM掌靴无法撑住洞壁向前掘进,经常发生围岩大范围松动、下沉、掉块、剥落，TBM步时围岩沿光滑结构面严重滑塌等问题，给施工带来很大困难。为解决这些

3、问题，我们充分利用TBM勺出硝和支护设备，经过反复研讨，不断实践，并总结出了一套"管棚注浆，调整参数，适速推进，减少扰动，控制坍塌"的施工原则和"密排拱架，搭焊钢管，网板结合，封闭塌腔，回填密实，及时喷锚"的处理措施，安全顺利快速地通过了破碎地段，提高了TBM对不良地质条件的适应性，实现了TBM在软弱围岩情况下快速掘进。二、TBM进入软弱破碎围岩地段时的判别方法（一）TBM进入软弱破碎围岩时主参数变化规律TBM硬岩进入软弱破碎围岩时，相应的掘进主参数和胶带输送机的硝量、硝粒会出现明显的变化，据此可大致判断TBMW盘工作面的围岩状况并采用人工手动调节操作模

4、式，及时调整掘进参数。推进速度（贯入度）：在硬岩情况下贯入度一般为57mm/rpm左右，当进入软弱围岩过渡段时，贯入度有微小的上升趋势，出于TBM交带输送机出硝能力的考虑，现场操作一般不允许有较长的贯入度上升时间，此时贯入度随推进速度的下降而降低，当完全进入软弱围岩时，贯入度相对稳定，一般在3.5mm/rpm。推力（推进压力）：在硬岩情况下推进速度一般为额定值的75炕右，推进压力一般为150180bar,当进入软弱围岩过渡段时，推进压力呈反抛物线形态下降，下降时间与过渡段长度成正比，推进速度随推进压力的下降而适当调低，当完全进入软弱围岩时，压力趋于相对平稳，一般在5070bar,此时推进速度一

5、般维持在40%左右。扭矩：在硬岩情况下一般为额定值的40%，当进入软弱围岩过渡段时，扭矩有缓慢上升趋势，上升时间与过渡段长度成正比，当完全进入软弱围岩时，由于推进速度的下降扭矩相应降低，一般在30%左右。刀盘转速：在硬岩情况下一般为5.4rpm,当进入软弱围岩过渡段后期时，调整刀盘转速为3rpm,当完全进入软弱围岩时，刀盘转速维持在3rpm。撑靴支撑力：在硬岩情况下一般为275290bar,当撑靴进入软弱围岩过渡段时（现场已做相应处理），撑靴支撑力一般调整为260bar左右，当撑靴进入软弱围岩地段时（现场已做相应处理），撑靴支撑力一般调整为220bar左右，此时应根据刀盘前部围岩状况随时调整推

6、进速度以确保TBMT足够的稳定性。2.2TBM进入软弱破碎围岩时碴量与碴粒的变化特征TBM4入软弱破碎围岩时胶带输送机硝量与硝粒的变化随围岩类别、岩性、节理发育的不同而有所差异，大致有以下四种情况：（1）节理不发育时，碴量随着掘进速度的增加成比例增加，碴粒呈粉碎片状；（2）节理较发育时，碴量随着掘进速度的增加而明显增加，殖粒明显增大呈块状，直径一般在20cm左右；（3）节理很发育时，碴量急剧增加，碴粒明显增大呈块状，直径一般在20cm以上；（4）砂岩及风化地段，碴量急剧增加，碴粒小呈沙土状。三、TBM开挖软弱破碎围岩段时出现的主要问题及处理措施TBMF挖软弱破碎围岩段出现的主要问题有三个方面：

7、一是围岩坍滑和坍塌；二是TBMB靴打滑，三是TBM通过软弱破碎围岩段能力较差。（一）TBM通过软弱破碎围岩出现坍滑、坍塌的主要类型、形态及原因分析TBM8入软弱破碎围岩时出现坍滑、坍塌的主要类型、形态随围岩类别、岩性、节理发育、节理走向的不同而有所不同，在TBM®进时围岩出现坍滑、坍塌的情况主要有以下五种：（1）工作面前方出现坍滑、坍塌：在TBMW盘的正前方开挖断面4.5m以内（如图2所示）出现围岩坍滑、坍塌。原因分析：TBMW盘前部围岩破碎，节理很发育，围岩失稳，大范围松动、剥落，掌子面坍塌。（2）刀盘前上方及刀盘前部出现坍滑、坍塌：TBM刀盘前上方呈锅底状并随时有岩石掉落现象发生

8、，TBMW盘的正前方出现围岩坍滑、坍塌，围岩呈自然斜坡状，此时坍滑、坍塌部位扩展到开挖断面4.5m以外（如图3所示）。原因分析：TBM刀盘前上方及刀盘前部围岩破碎，节理很发育，围岩失稳，大范围松动、下沉，整个掌子面坍塌，刀盘前上方岩石极不稳定，随时有掉落的可能，随岩石的塌落上部塌腔将逐渐增大。（3）刀盘顶护盾上方出现围岩坍滑、坍塌：TBMW盘顶护盾上方塌落的岩石紧压护盾，或呈半锅底状并随时有岩石掉落现象发生（如图4所示）。原因分析：TBMW盘护盾上方围岩节理很发育，塑性围岩。先期掘进时处于相对稳定状态，当刀盘切削完成后处于护盾上方时，由于地应力的影响，围岩收敛变形，加之护盾的振动影响，围岩失稳

9、、松动、剥落。（4）刀盘两侧护盾外侧出现围岩坍滑、坍塌：TBMW盘侧护盾外侧岩石塌落、掉落，根据围岩类别、岩性、节理发育及走向形状各异（如图5所示）。原因分析：TBM刀盘侧护盾外侧围岩节理很发育段，先期掘进时处于相对稳定状态，当刀盘切削完成后处于护盾外侧时，由于地应力的影响，围岩收敛变形，加之护盾的振动影响，围岩失稳、松动、剥落。（5）TBM主机支撑区边墙坍滑：先期掘进后开挖面处于相对稳定状态，当刀盘切削完成后处于撑靴位置时，由于撑靴的挤压，围岩失稳、松动、坍滑（如图6所示）。3.2TBM施工防止围岩塌滑、坍塌后的主要措施在软弱围岩地带，围岩自稳时间较短，一般按照支立钢拱架、锚喷、挂钢筋网、喷

10、混凝土的顺序施工。3.2.1 拱顶处的坍塌处理岩石开挖后在刀盘护盾处出现部分崩塌或局部掉块，主要采用加密22mmf鼾干，挂双层钢筋网（10X10cn）,将锚杆头与钢筋网焊接为一整体，再喷射混凝土，此过程不影响TBM正常掘进。岩石开挖后在刀盘或刀盘护盾处出现较大坍塌，必须停机处理。先停机处理护盾顶部危石，同时架立钢拱架，在钢拱架与护盾顶部搭焊短钢筋，钢筋上面焊接2mmff钢板封闭塌腔，随刀盘前进，逐一架立钢架，钢板封闭，用C20号细石混凝土回填密实，将塌腔与周围岩石连为一体。3.2.2 撑靴处坍塌的处理一般小范围的软弱结构可通过相应调整掘进参数，TBM才能安全通过，此时TBM用停机。拱墙处发生较

11、大坍塌时，造成TBM机架一侧的撑靴无法支撑，必须停机处理。施工中采用联合支护方式，先清理危石，塌腔及架立钢拱架，在钢拱架与塌腔之间用2mn®钢板封闭，用棉纱堵塞漏洞，用C20号混凝土回填塌腔，使回填混凝土与围岩连成一体，待混凝土初凝后能承受住撑靴的压力方可掘进。3.2.3 撑靴部位位于软弱地段的处理TBM勺支撑系统额定总支撑力91000kN,在额定的总支撑力下撑靴接地压力为190N/cm2。每个撑靴都能独立操作。TBM屈进时，支撑靴支撑着设备的重量并将推力和扭距的反力传给拱墙的岩壁。当拱墙围岩强度不足以支撑撑靴压力时，TBM各无法进行掘进。主要处理措施是：（1）将拱墙支撑靴部位进行换

12、填处理，架立钢模板，封闭模板四周，用C20磴换填，待回填磴初凝后，再重新撑紧外机架进行掘进。（2）在岩石松散、支撑力不足的情况，可采用在撑靴位置打钢筋混凝土加固岩石，同时调整撑靴压力，加大撑靴面积，避免出现反力不足、撑靴深陷的情况。四、TBM施工防止围岩塌滑、坍塌的主要措施以及设备可能出现的问题及处理方案（一）TBM施工防止围岩塌滑、坍塌的主要措施有效地进行超前地质预报，超前注浆预加固及采取科学的支护手段、选择合理的掘进参数是减少、防止围岩塌滑、坍塌的主要措施，特别是对3.2中3.2.1、3.2.2的两种情况更有效，可以做到超前加固、防止TBM刀盘被卡住的现象发生：4.1.1 加强超前探测及超

13、前钻探，施作管棚注浆加固采用基于地震波反射原理的TSP202（TunnelSeismicPrediction）技术，超前探测隧道前方断层带和软弱破碎带；超前钻探：从刀盘后部小皮带机孔-刀盘后部孔-人孔作为钻探通道，利用水平钻探钻机进行超前钻探。结合各种方法监测，综合判断TBMW盘前部围岩状况并根据预报的结果选择合理的施工方法。对前方断层破碎带，充分利用掘进机自身的超前钻机施作超前管棚注浆加固围岩，确保刀盘前方围岩的相对稳定而不卡住刀盘和护盾。4.1.2 科学支护选择科学的支护方案和支护参数，根据钻爆法施工中新奥法的原理，对软弱破碎地段围岩及时施作锚喷柔性支护，并允许围岩有一定的变形，充分利用围

14、岩自身的承载力，达到支护和围岩共同受力的目的。利用TBM自身湿喷系统对护盾后出露破碎围岩进行锚喷作业，封闭围岩，将围岩的收敛变形降低到最小程度。4.1.3 掘进参数的合理选择注意监测掘进机的各种参数变化如：推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度、主电机电流等，根据掘进参数的变化可以大致推断刀盘前部围岩的变化情况，推理的大小反映前方围岩的强度，而扭矩的大小则反映了前方围岩的完整性情况，结合观察1#皮带机出碴情况，及时地选择和调整掘进参数可以有效地减少不必要的坍塌。4.1.4 加强围岩量测监控制定完善的围岩量测监控制度，尤其对软弱破碎地段加强围岩量测监控工作，进行动态施工管理，根据量测反馈信息及时调整

15、支护参数，确保施工安全。4.2TBM设备方面在软弱破碎围岩施工中可能出现的问题及处理方案4.2.1 TBM撑靴可能支撑力不足，甚至推进时出现打滑现象（1）利用撑靴功能选择坚实的支撑位置；（2）选择合适的掘进参数，控制推进推力和掘进速度；（3）回填混凝土或注浆固结。4.2.2 TBM掘进对围岩的扰动可能带来的影响掘进机施工对围岩扰动不大，而且可以控制速度最大限度地减低扰动的影响。4.2.3 需要施作超前管棚注浆（1）利用随机配备的超前钻机施作，但目前钻机型式不太适合，需要重新选型；（2）借鉴钻爆法施工的方法、手段。4.2.4 在护盾后立即施作封闭岩面的初期支护作业并增加初期支护的刚度利用随机配置

16、的钢拱架安装机构安装钢拱架，挂加密钢筋网并加强钢拱架横向连接。4.2.5 改进设备的局部结构和配置（1）增加一台砼输送泵，提高塌腔砼灌注速度TBM11机配置的磴喷射系统，泵送流量较小，且承担着磴喷射任务，用于塌腔砼灌注速度很慢，增加一台砼输送泵，能有效地提高隧道顶部中大塌方的塌腔砼回填进度，而且回填的砼阻止了塌腔的扩大。(2)改进仰拱清碴胶带输送机驱动方式，提高该机工作可靠性；增加胶带输送机长度，提高仰拱塌碴清理速度。(3)调节PLC系统撑靴支撑压力参数，减少撑靴对洞壁的接地比压，防止洞壁岩石剥落。五、结论( 1) "超前探测，管棚注浆，调整参数，适速推进，减少扰动，控制坍塌"的施工原则和"密排拱架，搭焊钢管，网板结合，封闭塌腔，回填密实，及时喷锚”的处理措施是TBM肝挖软弱破碎围岩的经验总结。(2)在TBM施工中，多次