软岩条件下单护盾TBM长距离独头掘进技术

软岩条条件下下单护护盾TBM长距离离独头掘掘进技技术研研究主要内内容一、立立项背背景二、项项目研研究方方法及及路线线三、项项目主主要研研究内内容四、研研究成成果一、立立项背背景及及意义义1.1工程概概况1.2项目研研究意意义1.3工程重重点难难点1.4工程建建设过过程简简介1.1项目概概况设计引引水流流量：：32m3/s加大流流量：：36m3/s总干渠渠：110.5km干渠：：146.2km支渠、、分支支渠238km总干渠渠7#隧洞洞设计计总长长17286m，直直线洞洞段，，设计计纵坡坡i＝＝1/1650，圆圆型断断面，，开挖挖直径径5.75m，，衬砌砌后净净直径径4.96m。。单护护盾TBM掘进，，C45管片管管片衬衬砌。。管片片设计计为六六边形形,纵纵向为为凹凸凸面球球窝结结构，，厚28cm，4块管片片拼接接成环环。1.1项目概概况1.1项目概概况引洮总总干渠渠7＃隧洞洞大地地构造造部属属中、、新生生代陇陇渭盆盆地；；隧洞洞布置置于白白垩系系、上上第三三系地地层之之中，，地质质环境境复杂杂。洞洞身地地层主主要有有砂岩岩、砂砂砾岩岩、含含砾（（疏松松）砂砂岩夹夹泥质质粉砂砂岩、、泥质质粉砂砂岩夹夹砂质质泥岩岩等软软岩，，主要要为ⅣⅣ、ⅤⅤ类围围岩，，地下下水含含量大大，围围岩强强度低低。Ⅳ类围围岩Ⅴ类围围岩引洮供供水一一期工工程总总干渠渠7#隧洞洞采用用单护护盾TBM掘进进施工工，为为国内内首次次采用用单护护盾TBM施工工，并并且长长距离离独头头掘进进，施施工风风险及及难度度非常常大。。建设设时我我国单单护盾盾TBM掘掘进正正处于于探索索阶段段，尚尚未有有成熟熟的设设计、、施工工经验验可循循，加加之引引洮7#隧隧洞工工程特特点难难点突突出，，为确确保安安全顺顺利的的建成成国内内首台台运用用单护护盾TBM掘进进施工工的软软岩隧隧洞，，同时时探索索和积积累施施工经经验和和技术术，特特通过过开展展本课课题进进行研研究。。1.2项目研究意义义1.3工程项目重难难点（1）国内首次采采用单护盾TBM进行隧洞掘进进施工（2）隧洞工程地地质条件复杂杂。引洮7#隧洞部分主体体岩性为N2L3疏松沙层，含含水疏松沙地地层极不稳定定，无自稳能能力，含水率率超过一定数数值后，会发发生突泥涌沙沙地质灾害。。（3）任务重、工工期紧、对TBM快速掘进要求求高（4）TBM在极不稳定的的含水疏松沙沙层洞段掘进进施工技术（5）高压、富水水疏松沙层地地质洞段人工工开挖施工1.4工程建设过程程简介（1）2009年12月29日TBM在隧隧洞出口开始始进行掘进，，至2010年4月19日在自稳地质质洞段4个月共掘进2135m，月均掘进579米。1.4工程建设过程程简介（2）2010年4月20日～10月5日耗时169天，实施61+435～60+939洞段（长504m）施工掘进，，期间TBM遭遇三次卡机机，多种措施施下恢复了掘掘进。C1皮带机被卡1C1皮带机被卡21.4工程建设过程程简介浆液灌入围岩岩情况超前化学固结结灌浆实施效效果：1、由于粉细砂砂岩和细砂岩岩密实，孔隙隙率小，浆液液需形成高压压劈裂灌入，，无法有效加加固围岩。2、图中所示为为浆液灌入围围岩情况，在在较大压力下下浆液劈裂进进入围岩内，，但受围岩特特性影响，浆浆液固结后影影响范围较小小，达不到有有效加固目的的。为提高TBM在塌方洞段的的适应能力，，解决刀盘极极易被卡现象象，项目部对对设备进行了了前盾延伸改改造。1.4工程建设过程程简介工作洞室开挖入口上导洞开挖支护上导洞采用钢插板超前支支护1.4工程建设过程程简介前盾延伸改造造效果图如下下图：1、前盾延伸钢钢板厚度为40mm，盖住刀盘560mm，钢板焊接于于前盾上部212°范围。2、增加钢板后后，为保证开开挖，将刀具具更换成加高高的撕裂刀，，开挖直径扩扩大，增强TBM脱困能力。加高的扩挖刀刀前盾延伸钢板板1.4工程建设过程程简介突泥涌沙地质质灾害1（4）2010年10月6日，TBM在61+939处遭遇涌水涌涌沙地质灾害害，TBM主机部分约3/4被泥沙掩埋，，TBM施工掘进中断断。1.4工程建设过程程简介突泥涌沙地质质灾害2在多项措施实实施下，TBM恢复了掘进，，但由于围岩岩泥化承载力力较低，导致致TBM持续栽头，上上下主推油缸缸压力差与铰铰接油缸行程程差等方法无无法控制栽头头现象，当即即停止掘进。。1.4工程建设过程程简介（5）2011年1月，业主最终终决定对施工工方案进行调调整，一是将将隧洞出口TBM在60+931处拆机，重新新制造刀盘和和盾体，在进进口组装后向向下游方向掘掘进；二是在在总干渠7#隧洞增设4条斜井，同时时利用已有的的闫家沟竖井井提前处理含含水疏松砂岩岩洞段。17286m出口进口竖井1#2#3#4#3070m已掘进1.4工程建设过程程简介（6）2011年8月从进口开始始向出口方向向掘进。在具具有自稳能力力的围岩条件件下，8.5个月共掘进10.193km，平均月进尺尺达1.308km，最高月进尺尺1.868km。1.4工程建设过程程简介方案调整后TBM掘进施工进展展情况（7）2012年4月27日进入饱水含含水疏松沙岩岩后，2012年4月30日TBM于里程57+835处、同样饱水水疏松沙层洞洞段再次遭遇遇突泥涌沙地地质灾害，造造成卡机。主轴承皮带孔孔处涌沙顶管片密集贯贯穿裂缝1.4工程建设过程程简介（8）经多次会议议研究论证，，决定对7#隧洞再次新新增两座斜井井处理饱水疏疏松沙层，其其中6#斜井井承担处理剩剩余饱水疏松松沙层段任务务，5#斜井井承担通过斜斜井外围解困困TBM任务务。2012年6月，两座斜井井掌子面均遭遭遇含水疏松松沙层，发生生涌沙现象，，5#斜井被迫停止止开挖；6#斜井绕线施工工达到主洞。。2013年2月，在确定人人工常规钻爆爆开挖无法实实现有效开挖挖时，业主确确定在TBM卡机下游6.5m和160m处增设两个竖竖井，采用冻冻结法开挖TBM卡机下游已揭揭露的250米含水疏松沙沙层洞段。出出口TBM卡机洞段（60+851～60+931）最终采用了了洞内水平冻冻结施工开挖挖，其他洞段段均采用常规规人工钻爆法法施工。截止2014年9月25日，引洮7#隧洞全线贯通通，计划2014年11月5日完成现浇钢钢筋砼衬砌。。详见CAD图示。1.4工程建设过程程简介冻结孔钻孔现现场斜井掌子面涌涌沙1.4工程建设过程程简介2项目研究方法法及路线本科研项目主主要采用的研研究方法包含含理论分析、、数值分析和和统计分析，，研究的路线线如右图所示示：3主要研究内容容（1）TBM选型和设备配配置研究（2）单护盾TBM设备优化改造造研究（3）自稳软岩地地层条件下TBM快速掘进施工工及运输组织织研究（4）TBM在不同软岩地地质条件下掘掘进参数及适适应性研究（5）TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（6）高压富水疏疏松沙层段隧隧洞人工开挖挖施工技术研研究根据工程对TBM支护系统、后后配套及出渣渣系统、主机机系统等，确确定了采用单单护盾TBM进行施工。结结合引洮7#隧洞工程地质质特性，科研研小组与TBM设备设计、加加工技术人员员多次研究，，确定了TBM各项技术参数数。本台单护护盾TBM由法国NFM公司设计，北北方重工制造造。3.1TBM选型和设备配配置研究（1）科研小组在在TBM招标澄清、设设计联络以及及工厂制造期期间，多次向向TBM设备招标评标标专家咨询，，并结合我公公司长期从事事TBM施工的经验，，在本工程TBM的设计、制造造过程中与设设备供货商反反复研究、讨讨论，实施了了系列化的技技术改进和完完善。重点对驱动系系统、推进系系统和铰接系系统做了优化化，提高了TBM软弱围岩中的的施工能力。。3.2单护盾TBM设备优化改造造研究3.2单护盾TBM设备优化改造造研究（2）TBM掘进施工期间间，因围岩条条件较差、塌塌方严重，多多次造成TBM刀盘被卡或盾盾体被困的局局面。经科研研小组研究和和分析，对TBM前盾进行了延延伸改造方案案。3.2单护盾TBM设备优化改造造研究（3）科研小组利利用工程方案案调整契机，，在重新设计计加工TBM、设备组装调调试期间，项项目部对TBM设备进行了多多项优化改造造。将原设计单向向旋转的刀盘盘优化为双向向旋转双向刮渣口单向刮渣口3.2单护盾TBM设备优化改造造研究优化了刀盘的的厚度，在不不影响使用功功能的情况下下，将原设计计80t的刀盘降低至至54.5t，提高了其在在软岩洞段的的防“栽头””能力；减少了刀盘距距前盾切口的的距离，将刀刀盘距前盾切切口的距离由由原设计的960mm减少到765mm，降低了刀盘盘被卡的概率率；对边刀扩挖形形式改造，将将螺栓连接改改造为垫块模模式，提高了了安装扩挖刀刀的工作效率率；对刀盘表面耐耐磨层进行了了优化，原设设计耐磨层为为10mm厚hardox400钢板，改为SA1750CR碳化铬复合板板，提高了刀刀盘的切削能能力。3.2单护盾TBM设备优化改造造研究新的前盾上部部比下部长400mm，加大了刀盘盘圆周方向刮刮碴口的进碴碴能力，可以以提高TBM的掘进速度，，减少了边刀刀弦磨。在盾体周边开开设注射孔，，在围岩出现现坍塌或收敛敛时利用注射射孔向盾体外外壁注废油或或膨润土，可可降低盾体和和围岩的摩擦擦阻力。底部区域增加加一根推进油油缸，型号与与其他油缸相相同，有利于于TBM掘进姿态及不不良地质洞段段脱困。优化了盾尾结结构形式，底底管片支墩可可直接坐落在在围岩上，有有效的提高了了管片安装质质量，3.2单护盾TBM设备优化改造造研究高压系统增加加一套高压泵泵站，大幅度度提高了TBM脱困能力，在在后续施工中中起到了关键键作用。在管片运输车车位置末端安安装一台额定定拉力为1.5T的小型液压绞绞车，用钢丝丝绳牵引管片片编组，提高高了管片车在在无机车牵引引情况下的移移动效率。优化改造了拖拖拉油缸和喂喂片机，提高高了管片安装装效率。增设设管片豆砾石石平台，大幅幅度提高了豆豆砾石回填效效率。优化改造了一一次注浆、二二次注浆、水水冷却系统等等，提高了TBM掘进辅助工序序工作效率，，为TBM高产稳定奠定定了基础。3.3自稳软岩地质质条件下TBM快速掘进施工工及施工运输输组织研究单护盾TBM在出口、进口口稳定围岩条条件下，达到到了持续高产产稳定的施工工状态，特别别是在进口向向出口方向掘掘进期间，创创造了单护盾盾TBM月掘进世界记记录。日期2011年2012年8月9月10月11月12月1月2月3月4月长度/m4101515171818681297691886117515603.3自稳软岩地质质条件下TBM快速掘进施工工及施工运输输组织研究单护盾TBM掘进施工流程程3.3自稳软岩地质质条件下TBM快速掘进施工工及施工运输输组织研究科研人员从单单循环TBM掘进和管片安安装核心工序序时间出发，，制订了配套套工序单循环环完成时间和和施工运输组组织系统。序号工序名称时间范围/min施工说明1TBM掘进0.8米6～8开挖出渣20.78方，两环出渣83.1实方；管片为六边形球窝自锁结构，错缝安装，单环由4块管片拼接而成。2安装2块/半环管片7～9每列编组有2环8块管片每掘进0.8m停机，安装两块管片。3每环封闭22.75米接缝，封堵9个管片工作孔25～35勾缝封孔采用微膨胀水泥砂浆4底部管片回填M15水泥砂浆，0.33方/环5～8在底管片工作孔封堵前完成5豆砾石回填2.86方/环25～35豆砾石规格为5～10mm6水泥灌浆1.32方/环25～35豆砾石孔隙率在42%～46%之间7电缆延伸，接头连接45～60每500m设置一个电缆接头8运输编组—TBM正常掘进期间，保证后配套上时刻停靠一列轻编组。3.3自稳软岩地质质条件下TBM快速掘进施工工及施工运输输组织研究科研人员从单单循环TBM掘进和管片安安装核心工序序时间出发，，制订了配套套工序单循环环完成时间和和施工运输组组织系统。3.4TBM在不同地质条条件下掘进参参数及适应性性研究（1）砂质泥岩及泥泥质砂岩为主主的干燥软岩岩洞段。刀盘盘转速保持在在6.8～8.0r/min、刀盘扭矩在在552～887kN.m、总推进力在在4500～7800KN，各掘进参数数波动范围均均较小，TBM在该类地层条条件下适应性性强，掘进效效率高。3.4TBM在不同地质条条件下掘进参参数及适应性性研究（2）含水率6%～11.8%的疏松沙层洞洞段，960～2378KN•m范围内波动较较大，掘进推推力在5947～23672KN范围内规律变变化，随含水水率的逐渐增增大，掘进推推力亦随之增增大。3.4TBM在不同地质条条件下掘进参参数及适应性性研究TBM在含水率较低低但未发生涌涌水涌沙的含含水疏松沙层层地质条件下下掘进具有一一定的适应能能力，通过采采取辅助施工工措施，仍能能有效保证正正常掘进施工工。TBM在出口和进口口含水率4.5%～15.4%范围内的含水水疏松沙层中中，掘进较为为艰难，易造造成卡机，但但在充分发挥挥TBM的施工能力的的情况下下，，采取相关辅辅助及脱困施施工措施可缓缓慢通过此类类洞段。3.4TBM在不同地质条条件下掘进参参数及适应性性研究（3）当疏松沙层层含水率达到到15.4%以上时，单护护盾TBM将不再适应在在此类地层条条件下掘进。。一旦发生涌涌水涌沙地质质灾害，极易易造成TBM卡机。发生涌涌水涌沙造成成卡机后，无无法从隧洞内内实施脱困措措施，在采取取相关辅助及及脱困措施后后，仍不能使使TBM脱困。TBM在含水率为6.5%～12.3%范围疏松沙层层洞段掘进期期间，应采用用多项措施保保证TBM连续掘进，停停机时间不宜宜超过1.5小时。长时间间停机会使得得TBM盾体周围、掌掌子面围岩特特性发生明显显变化，围岩岩含水率持续续上升，塑化化、泥化速度度很快，极易易造成突泥涌涌沙地质灾害害。3.5TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（1）TBM在稳定围岩下下快速掘进姿姿态控制序号项目控制标准1水平方向姿态预警偏向值：±100mm趋势值：±0.5%2垂直方向姿态预警偏向值：+20～+80mm趋势值：0.2～+0.6%3调向值每掘进800mm水平和高程调向值不大于±5mm，趋势值变化小于0.1％4推进油缸行程差单环掘进油缸行程差变化不能大于15mm；累计油缸行程差不大于30mm5铰接油缸行程差铰接油缸上下两组行程差：正常掘进时不大于15mm，需要调向时不大于20mm；铰接油缸左右两组行程差：正常掘进尽量不使用，需要调向时不大于10mm。6中盾与尾盾高程差不大于20mm7TBM前盾滚动值0～+1.5%3.5TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（1）TBM在稳定围岩下下快速掘进姿姿态控制TBM主机室控制掘掘进参数管片高效率安安装3.5TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（2）TBM掘进通过塌方方收敛变形洞洞段施工在盾体与围岩岩间注入膨润润土对工作孔逐一一进行检查，，增大回填量量限制刮渣口进进渣能力，增增加运输编组组出碴能力制定TBM计划停机和非非计划停机刚刚性处理措施施、TBM推进预留油缸缸行程和增设设扩挖刀。控制掘进参数数，加强出碴碴皮带的检查查保养3.5TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（3）含水疏松沙沙层不良地质质洞段TBM施工优化改造刀盘盘刮渣口控制制出碴量优化TBM掘进参数，连连续掘进快速速通过该洞段段通过注膨润土土或油脂降低低盾体与围岩岩摩擦力（3）TBM刀盘被卡脱困困施工技术利用尾盾观察察口开挖至刀刀盘位置，对对刀盘四周土土体进行扩挖挖，解除围岩岩对刀盘的压压力。3.5TBM在Ⅴ类软岩隧洞段段施工技术研研究（3）TBM应对“低头””施工技术增大掘进推力力，降低摩擦擦阻力增大上下推进进油缸和铰接接油缸油压差差增大底管片抗抗压能力，将将混凝土管片片更换为钢管管片3.6高压富水疏松松沙层段隧洞洞人工开挖施施工技术研究究（1）在高压富水水疏松沙层洞洞段，主洞开开挖采用了帷帷幕灌浆、超超前管棚支护护、真空井点点降水、水平平旋喷桩等多多种工法，均均未取得良好好的开挖效果果。帷幕注浆孔口口管安装辅助完成刀盘盘割除3.6高压富水疏松松沙层段隧洞洞人工开挖施施工技术研究究帷幕注浆完成成、刀盘拆除除后，进行了了隧洞主洞开开挖，发生了了涌水涌沙现现象。3.6高压富水疏松松沙层段隧洞洞人工开挖施施工技术研究究超前大管棚在在钻进过程中中从管内大量量喷水及涌沙沙，造成管棚棚设备钻进和和接管十分困困难，无法继继续施做。3.6高压富水疏松松沙层段隧洞洞人工开挖施施工技术研究究绕线洞段进行行了真空降水水配合超前小小导管施工真空降水掌子面涌水涌涌沙3.6高压富水疏松松沙层段隧洞洞人工开挖施施工技术研究究（2）最终采采用了冻冻结法辅辅助人工工开挖进进行施工工，有效效解决了了开挖施施工难题题掌子面冻冻结施工工地面冻结结施工设设备3.6高压富水水疏松沙沙层段隧隧洞人工工开挖施施工技术术研究（2）毛细透透降水管管对高压压富水洞洞段地下下水进行行了有效效排放顶拱布设设降排水水孔毛细透降降水管3.6高压富水水疏松沙沙层段隧隧洞人工工开挖施施工技术术研究（2）采用TBM掘进施工工的长大大山岭隧隧道，根根据工程程地质勘勘察资料料，对于于不良地地质洞段段，施工工条件具具备的情情况下，，宜尽早早增设支支洞进行行人工钻钻爆开挖挖法处理理，新增增工作面面在TBM到达前处处理不良良地质洞洞段对工工程整体体建设各各项目标标控制意意义重大大。4研究成果果1、经对TBM进行多项项优化改改造，大大幅度提提高了TBM在不良地地质洞段段地层中中的适应应能力。。2、刀盘单单向旋转转改造为为双向转转掘，有有效的解解决了管管片旋转转施工难难题，在在进度、、安全、、质量等等目标控控制方面面取得了了良好效效果。3、完成了了TBM在自稳软软岩长距距离隧洞洞TBM快速掘进进施工研研究，得得出了当当单轨运运输距离离达到7.0km左右时，，宜在沿沿线增加加固定道道岔的经经验成