软岩条件下单护盾BM长距离独头掘进技术

软岩条件下单护盾TBM长距离独头掘进技术研究主要内容一、立项背景

二、项目研究方法及路线三、项目主要研究内容四、研究成果一、立项背景及意义1.1工程概况

1.2项目研究意义

1.3工程重点难点

1.4工程建设过程简介1.1项目概况设计引水流量：32m3/s加大流量：36m3/s总干渠：110.5km干渠：146.2km支渠、分支渠238km

总干渠7#隧洞设计总长17286m，直线洞段，设计纵坡i＝1/1650，圆型断面，开挖直径5.75m，衬砌后净直径4.96m。单护盾TBM掘进，C45管片管片衬砌。管片设计为六边形,纵向为凹凸面球窝结构，厚28cm，4块管片拼接成环。1.1项目概况1.1项目概况

引洮总干渠7＃隧洞大地构造部属中、新生代陇渭盆地；隧洞布置于白垩系、上第三系地层之中，地质环境复杂。洞身地层主要有砂岩、砂砾岩、含砾（疏松）砂岩夹泥质粉砂岩、泥质粉砂岩夹砂质泥岩等软岩，主要为Ⅳ、Ⅴ类围岩，地下水含量大，围岩强度低。Ⅳ类围岩Ⅴ类围岩

引洮供水一期工程总干渠7#隧洞采用单护盾TBM掘进施工，为国内首次采用单护盾TBM施工，并且长距离独头掘进，施工风险及难度非常大。建设时我国单护盾TBM掘进正处于探索阶段，尚未有成熟的设计、施工经验可循，加之引洮7#隧洞工程特点难点突出，为确保安全顺利的建成国内首台运用单护盾TBM掘进施工的软岩隧洞，同时探索和积累施工经验和技术，特通过开展本课题进行研究。1.2项目研究意义1.3工程项目重难点（1）国内首次采用单护盾TBM进行隧洞掘进施工（2）隧洞工程地质条件复杂。引洮7#隧洞部分主体岩性为N2L3疏松沙层，含水疏松沙地层极不稳定，无自稳能力，含水率超过一定数值后，会发生突泥涌沙地质灾害。（3）任务重、工期紧、对TBM快速掘进要求高（4）TBM在极不稳定的含水疏松沙层洞段掘进施工技术（5）高压、富水疏松沙层地质洞段人工开挖施工1.4工程建设过程简介

（1）2009年12月29日TBM在隧洞出口开始进行掘进，

至2010年4月19日在自稳地质洞段4个月共掘进2135m，

月均掘进579米。1.4工程建设过程简介

（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，多种措施下恢复了掘进。C1皮带机被卡1C1皮带机被卡21.4工程建设过程简介浆液灌入围岩情况超前化学固结灌浆实施效果：1、由于粉细砂岩和细砂岩密实，孔隙率小，浆液需形成高压劈裂灌入，无法有效加固围岩。2、图中所示为浆液灌入围岩情况，在较大压力下浆液劈裂进入围岩内，但受围岩特性影响，浆液固结后影响范围较小，达不到有效加固目的。

为提高TBM在塌方洞段的适应能力，解决刀盘极易被卡现象，项目部对设备进行了前盾延伸改造。1.4工程建设过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护1.4工程建设过程简介前盾延伸改造效果图如下图：1、前盾延伸钢板厚度为40mm，盖住刀盘560mm，钢板焊接于前盾上部212°范围。2、增加钢板后，为保证开挖，将刀具更换成加高的撕裂刀，开挖直径扩大，增强TBM脱困能力。加高的扩挖刀前盾延伸钢板1.4工程建设过程简介突泥涌沙地质灾害1（4）

2010年10月6日，TBM在61+939处遭遇涌水涌沙地质灾害，

TBM主机部分约3/4被泥沙掩埋，TBM施工掘进中断。1.4工程建设过程简介突泥涌沙地质灾害2在多项措施实施下，TBM恢复了掘进，但由于围岩泥化承载力较低，导致TBM持续栽头，上下主推油缸压力差与铰接油缸行程差等方法无法控制栽头现象，当即停止掘进。1.4工程建设过程简介

（5）2011年1月，业主最终决定对施工方案进行调整，一是将隧洞出口TBM在60+931处拆机，重新制造刀盘和盾体，在进口组装后向下游方向掘进；二是在总干渠7#隧洞增设4条斜井，同时利用已有的闫家沟竖井提前处理含水疏松砂岩洞段。17286m出口进口竖井1#2#3#4#3070m已掘进1.4工程建设过程简介（6）2011年8月从进口开始向出口方向掘进。在具有自稳能力的围岩条件下，8.5个月共掘进10.193km，平均月进尺达1.308km，最高月进尺1.868km。1.4工程建设过程简介方案调整后TBM掘进施工进展情况（7）2012年4月27日进入饱水含水疏松沙岩后，2012年4月30日TBM于里程57+835处、同样饱水疏松沙层洞段再次遭遇突泥涌沙地质灾害，造成卡机。主轴承皮带孔处涌沙顶管片密集贯穿裂缝1.4工程建设过程简介（8）经多刑次会议王研究论舱证，决登定对7妹#隧洞桶再次新廊增两座臂斜井处纯理饱水彩疏松沙菜层，其羊中6#盈斜井承关担处理符剩余饱倘水疏松乖沙层段芽任务，兆5#斜立井承担伐通过斜挥井外围收解困T缘瑞BM任蔑务。20疲12年6月，穷两座广斜井增掌子妇面均缝遭遇拣含水辈疏松赖沙层怕，发饰生涌求沙现嫂象，5#斜井团被迫瓶停止坛开挖标；6#斜井垒绕线少施工酿达到通主洞烛。201朵3年2月，溉在确爪定人腾工常麻规钻纪爆开味挖无款法实我现有余效开涝挖时区，业绞主确基定在TB呆M卡机荷下游6.5迁m和160神m处增颜设两须个竖奴井，透采用错冻结趣法开砖挖TBM卡机下负游已揭述露的25烛0米含水常疏松沙妙层洞段味。出口TBM卡机洞挑段（60+甜851～60乡丰+9渡31）最丧终采劫用了肝洞内甲水平辣冻结宁施工蹦开挖牲，其极他洞抚段均想采用尖常规征人工聚钻爆秩法施景工。截止20恰14年9月25日，引垦洮7#隧洞全充线贯通景，计划20劈燕14年11月5日完桑成现消浇钢回筋砼女衬砌眠。详见CAD图示。1.顶4工程建车设过程崭简介冻结想孔钻结孔现锣场斜井肃掌子哥面涌优沙1.腹4工程痰建设浪过程宣简介2项目研龙究方法降及路线本科研匆项目主扔要采用迈的研究抱方法包杀含理论歌分析、鼓数值分河析和统产计分析最，研究岂的路线钟如右图疏所示：3主要研故究内容（1）TB虏M选型觉和设雀备配孔置研执究（2）单矮护盾TBM设备良优化晴改造拨研究（3）自摧稳软款岩地恢层条误件下TB宇M快速掘结进施工阿及运输连组织研贩究（4）TB掘M在不同技软岩地搏质条件伪下掘进传参数及渔适应性垮研究（5）TBM在Ⅴ类软岩盐隧洞段区施工技股术研究（6）高压架富水疏左松沙层颈段隧洞灾人工开用挖施工工技术研蹲究根据工坡程对TBM支护系吹统、后跑配套及渠出渣系翼统、主列机系统蜂等，确磁定了采宋用单护许盾TB尝M进行施奶工。结右合引洮7#隧洞工谈程地质挨特性，户科研小肌组与TB迹M设备钻设计秆、加盏工技怨术人墨员多旬次研今究，偏确定予了TBM各项非技术体参数潜。本疲台单矿护盾TB勒M由法国NF疾M公司赖设计游，北池方重蜓工制慰造。3.逗1少T贱BM选型区和设糊备配详置研罪究（1）科研搭小组在TB却M招标澄芒清、设筛计联络细以及工勤厂制造汽期间，驼多次向TB廉M设备招条标评标睬专家咨辣询，并播结合我姑公司长亮期从事TBM施工的锯经验，翼在本工筐程TBM的设专计、蒸制造浴过程扭中与事设备更供货堆商反把复研奖究、志讨论滩，实款施了铜系列铺化的晓技术榜改进且和完故善。重点据对驱床动系摸统、盒推进毒系统歇和铰狭接系乘统做解了优习化，滨提高奴了TBM软弱碰围岩瓣中的郑施工股能力茫。3.碑2单护嗓盾TB平M设备优离化改造膛研究3.2单护盾TBM设备优届化改造际研究（2）TBM掘进施牙工期间坡，因围鸟岩条件券较差、拿塌方严逢重，多蔑次造成TB摊M刀盘址被卡蛮或盾也体被犹困的茄局面咏。经羡科研旁小组无研究晓和分授析，限对TBM前盾进切行了延村伸改造漠方案。3.丢2单护盾TB膀M设备优银化改造络研究（3）科研岗小组利磁用工程住方案调蛇整契机桑，在重忠新设计翁加工TB泳M、设货备组棵装调倡试期萌间，怀项目景部对TBM设备进遗行了多捉项优化悄改造。将原设昨计单向耀旋转的逼刀盘优胡化为双广向旋转双向刮渣口单向刮渣口3.2单护盾TB脏M设备为优化德改造塑研究优化捞了刀乓盘的历厚度乎，在喂不影克响使粥用功想能的携情况旺下，趁将原馆设计80溜t的刀远盘降绕低至54竿.5佛t，提高颗了其在粘软岩洞喷段的防坦“栽头押”能力咬；减少质了刀泡盘距捉前盾程切口矿的距屠离，薯将刀缓盘距坛前盾该切口致的距停离由河原设美计的96姥0m盾m减少敢到76练5m兽m，降体低了愧刀盘积被卡意的概熄率；对边阵刀扩射挖形络式改破造，混将螺彻栓连私接改袄造为还垫块炒模式糊，提夹高了简安装缓扩挖旨刀的身工作迈效率巷；对刀盘俭表面耐霸磨层进缴行了优义化，原谱设计耐象磨层为10m蒙m厚har孙dox守400钢板，龟改为SA凤17思50灾CR碳化割铬复锤合板裕，提印高了夕刀盘炒的切只削能姑力。3.2单护谜盾TB静M设备衡优化搭改造增研究新的阻前盾撞上部隆比下亮部长40洒0m壶m，加趁大了钟刀盘帜圆周睬方向锅刮碴但口的芹进碴喉能力犯，可愁以提邪高TB煎M的掘进幻玉速度，候减少了普边刀弦该磨。在盾体绿周边开浊设注射奸孔，在命围岩出仰现坍塌秩或收敛姓时利用袜注射孔渐向盾体病外壁注庙废油或乳膨润土励，可降蒙低盾体元和围岩甘的摩擦痛阻力。底部些区域丧增加钟一根胞推进厉油缸旬，型闯号与女其他颠油缸幻玉相同峰，有缓利于TBM掘进姿蝇态及不兽良地质肆洞段脱锤困。优化匠了盾缺尾结霜构形骗式，吸底管线片支若墩可夺直接拢坐落临在围距岩上楚，有岔效的究提高矛了管发片安哑装质视量，3.胀2单护盾TB候M设备优鞭化改造锹研究高压达系统颠增加监一套类高压狗泵站队，大裙幅度胀提高砍了TB翼M脱困能岂力，在期后续施扬工中起芦到了关汽键作用爽。在管偿片运舟输车肃位置抗末端藏安装阵一台显额定词拉力穴为1.惩5T的小蛇型液个压绞树车，骗用钢裂丝绳晌牵引耗管片跑编组公，提海高了牧管片姨车在爆无机掀车牵锐引情尖况下堆的移拐动效仓率。优化行改造忆了拖曾拉油替缸和尖喂片缺机，溪提高加了管发片安饥装效箭率。敞增设叼管片敞豆砾怠石平知台，秋大幅衬度提进高了膛豆砾冻石回祝填效滋率。优化改叨造了一牺次注浆坡、二次工注浆、玩水冷却梁系统等尊，提高苏了TBM掘进批辅助恒工序违工作桂效率纯，为TBM高产稳密定奠定卖了基础脑。3.3自稳维软岩蜂地质牵条件乏下TB宁M快速掘秀进施工迅及施工雄运输组驰织研究单护掀盾TBM在出口昆、进口寇稳定围橡岩条件做下，达浪到了持致续高产删稳定的茎施工状朴态，特孙别是在珍进口向键出口方碎向掘进洁期间，弟创造了巡寿单护盾TB验M月掘貌进世股界记董录。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.礼3自稳软在岩地质猫条件下TBM快速掘粉进施工衰及施工乔运输组互织研究单护河盾TB铁M掘进施烦工流程3.拉3自稳软为岩地质咽条件下TBM快速漆掘进俘施工纵及施眉工运躬输组滋织研巩究科研倍人员刮从单混循环TBM掘进和物管片安愚装核心岸工序时益间出发棚，制订脚了配套素工序单宽循环完去成时间钓和施工嘉运输组哨织系统蚕。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自稳撕软岩股地质罚条件鼻下TBM快速掘锣进施工代及施工洪运输组盒织研究科研疑人员易从单芽循环TB仿M掘进和金管片安劲装核心洞工序时若间出发苗，制订搞了配套鹿工序单帅循环完嫩成时间番和施工促运输组福织系统顽。3.捐4奥T贩BM在不皱同地睁质条末件下梳掘进但参数族及适喇应性粘研究（1）砂质泥条岩及泥臭质砂岩财为主的更干燥软穷岩洞段盯。刀盘神转速保狸持在6.络8～8.租0r帝/m溉in、刀造盘扭屠矩在552～88蜘7k疼N.士m、总弓推进行力在45吐00～78递00悦KN，各掘解进参数倚波动范宫围均较堪小，TBM在该侄类地悬层条压件下修适应抗性强促，掘剑进效托率高诵。3.位4先T垮BM在不同票地质条示件下掘酬进参数胸及适应尺性研究（2）含水率6%～11.味8%的疏冷松沙简层洞茎段，96悬0～23押78摊KN初•m范围系内波逼动较权大，种掘进粱推力陈在59祥47～23况67平2K以N范围内剖规律变刺化，随轮含水率言的逐渐犹增大，败掘进推母力亦随使之增大惩。3.4夫T残BM在不岭同地博质条赚件下裕掘进考参数冶及适宏应性勺研究TBM在含水洞率较低套但未发庆生涌水级涌沙的懒含水疏余松沙层筝地质条红件下掘贞进具有愿一定的末适应能为力，通潮过采取漫辅助施洗工措施蔽，仍能两有效保菠证正常摸掘进施触工。TBM在出口茧和进口裕含水率4.唇5%～15纺.4排%范围内柱的含水宝疏松沙脚层中，裤掘进较泡为艰难坏，易造贺成卡机爬，但在冠充分发纸挥TBM的施工歌能力的敏情况下乞下，采衫取相关应辅助及放脱困施粉工措施克可缓慢施通过此垫类洞段堵。3.缠4帆T天BM在不虾同地增质条聪件下化掘进爬参数社及适坑应性爆研究（3）当赶疏松赤沙层端含水绍率达躲到15.暂4%以上时堆，单护部盾TBM将不再浆适应在软此类地突层条件昏下掘进许。一旦遵发生涌戏水涌沙尿地质灾角害，极罪易造成TB底M卡机。挣发生涌寸水涌沙碧造成卡印机后，旱无法从面隧洞内繁实施脱盲困措施原，在采界取相关皂辅助及艳脱困措境施后，呈仍不能直使TBM脱困。TB锣M在含水偿率为6.涨5%～12.圈3%范围肆疏松贫沙层哭洞段唯掘进壮期间转，应增采用冷多项没措施逼保证TB遍M连续归掘进渡，停拍机时泰间不兵宜超冰过1.5小时巩。长插时间谢停机美会使愚得TBM盾体赛周围钉、掌盯子面卫围岩剩特性理发生左明显著变化揉，围艺岩含职水率灵持续疏上升器，塑改化、丹泥化圆速度宅很快条，极腔易造要成突励泥涌士沙地体质灾早害。3.5吵T足BM在Ⅴ类软准岩隧话洞段狗施工努技术白研究（1）TB困M在稳定察围岩下颗快速掘注进姿态蚂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%3.5等T作BM在Ⅴ类软视岩隧版洞段撞施工欠技术桂研究（1）TB称M在稳定机围岩下探快速掘冈进姿态衔控制TBM主机界室控凝制掘护进参洲数管片内高效畏率安易装3.5寒T固BM在Ⅴ类软掀岩隧禾洞段探施工些技术尊研究（2）TBM掘进尝通过浅塌方环收敛歉变形劲洞段杯施工在盾习体与警围岩敞间注龟入膨才润土对工作床孔逐一樱进行检字查，增袄大回填况量限制双刮渣裂口进指渣能记力，淋增加单运输开编组明出碴掌能力制定TBM计划停雪机和非夺计划停惰机刚性争处理措遥施、TB增M推进爱预留冤油缸揭行程秩和增对设扩土挖刀命。控制掘肌进参数到，加强顾出碴皮向带的检沃查保养3.5乓T朋BM在Ⅴ类软珠岩隧避洞段临施工悟技术忙研究（3）含水与疏松沙宪层不良例地质洞系段TB拘M施工优化改槽造刀盘钢刮渣口呀控制出家碴量优化TB订M掘进减参数救，连途续掘倚进快非速通卡过该婶洞段通过领注膨漠润土咸或油钉脂降蓬低盾爹体与纸围岩鸦摩擦员力（3）TB谜M刀盘踢被卡存脱困尺施工俗技术利用拾尾盾驾观察引口开望挖至禽刀盘炊位置彩，对缴刀盘境四周只土体免进行图扩挖笼，解秒除围冬岩对所刀盘抓的压钱力。3.5绕T豆BM在Ⅴ类软氏岩隧殊洞段史施工权技术活研究（3）TB伍M应对危“低些头”础施工银技术增大掘呢进推力依，降低膛摩擦阻罢力增大纲上下嫌推进赵油缸绪和铰捡接油喘缸油社压差增大那底管够片抗摄压能荡力，下将混缠凝土炸管片雨更换荐为钢领管片3.6高压富犁水疏松全沙层段积隧洞人墓工开挖剩施工技色术研究（1）在高我压富水灰疏松沙规层洞段晴，主洞清开挖采秤用了帷或幕灌浆扁、超前版管棚支遮护、真揭空井点拍降水、骄水平旋貌喷桩等皱多种工停法，均牛未取得瘦良好的沫开挖效胃果。帷幕耳注浆羡孔口项管安熔装辅助询完成练刀盘泼割除3.痛6高压约富水章疏松卸沙层烘段隧障洞人嫂工开垫挖施币工技党术研殊究帷幕注尿浆完成伴、刀盘悼拆除后锹，进行街了隧洞渡主洞开场挖，发妖生了涌铜水涌沙课现象。3.6高压膊富水叠疏松车沙层偿段隧挨洞人吐工开鲜挖施蓬工技洋术研亡究超前夺大管养棚在宿钻进底过程毫中从柄管内状大量时喷水证及涌轿沙，采造成怠管棚舟设备疑钻进树和接蛙管十喊分困轰难，炊无法佩继续熟施做熄。3.研6高压富鲁水疏松俯沙层段猪隧洞人炉工开挖汇施工技匠术研究绕线洞惜段进行白了真空赌降水配那合超前诉小导管邮施工真空降梨水掌子袖面涌震水涌苦沙3.6高压富独水疏松误沙层段面隧洞人画工开挖蹈施工技轨术研究（2）最终舟采用了惭冻结法畜辅助人仔工开挖王进行施星工，有采效解决隆了开挖做施工难孙题掌子面幼冻结施斑工地面晚冻结讯施工会设备3.症6高压富密水疏松添沙层段衬隧洞人屿工开挖筛施工技圈术研究（2）毛恶细透居降水找管对倡高压傻富水风洞段兰地下麻水进湾行了烛有效收排放顶拱布奶设降排绩水孔毛细透剥降水管3.燥6高压富惭水疏松卖沙层段摘隧洞人筒工开挖卫施工技必术研究（2）采嘴用TB云M掘进识施工扔的长刺大山兆岭隧财道，城根据浪工程扁地质阻勘察艺资料愚，对乖于不帖良地居质洞炼段，任施工初条件偿具备德的情城况下化，宜躬尽早涨增设岂支洞鹿进行处人工绑钻爆敬开挖寸法处终理，从新增捏工作叉面在TB萍M到达前做处理不使良地质疏洞段对刊工程整柱体建设贤各项目拒标控制剪意义重摊大。4研究胞成果1、经滴对TB疾M进行多视项优化废改造，柱大幅度父提高了TB券M在不良但地质洞汽段地层妻中的适考应能力烛。2、刀盘膝单向旋族转改造缓为双向杜转掘，度有效的起解决了听管片旋州转施工鼻难题，氧在进度喘、安全的、质量钥等目标忌控制方芳面取得星了良好让效果。3、完法成了TBM在自稳盘软岩长洽距离隧终洞TBM快速掘惰进施工后研究，章得出了给当单轨瞒运输距强离达到7.认0k盐m左右时趋，宜在谁沿线增崖加固定虑道岔的巡寿经