双护盾TBM施工潜在的风险及解决方法

双护盾 TBM施工 潜在的风险 及 解决方法 二 00八年八月 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 一、工程概况 二、目前遇到的问题及解决方案 一、工程概况 “ ”工程是青海省内一项跨流域大型调水工程，地处 大陆腹地、中纬度高原地区，高寒少氧，为典型的半干 旱大陆气候，一年夏秋季短，冬季长且寒冷，冰冻期长 。年平均气温 2.8 ，极端最高气温 29.3 ，极端最低 气温 33.1 。 本工程 TBM施工范围为 K3+000 K23+902.83， TBM独 头掘进 20902.83m，进口底板高程 2955.60m，出口洞底 高程 2941.70m；平面设计为直线，纵向底坡度 i=0.00054529，隧洞开挖直径 5.93，采用管片衬砌， 隧道净空 5。 一、工程概况 一、工程概况 1、工程范围 出口明渠 (K24+165.83 K24+711.83): 546m 出口钻爆段隧洞 (K22+965.83 K24+165.83):1200m，实际完成 263米。 TBM段隧洞 (K3+025 K22+965.83):19.94083km TBM拆卸洞 (K3+000 K3+025): 25m 通风竖井 (K9+820):325.162m 一、工程概况 2、工程地质及水文地质 工程地质 水文地质 :孔隙水 、 基岩裂隙 水及冻结层水 . 二、目前遇到的问题及解决方案 二、目前遇到的问题及解决方案 二、目前遇到的问题及解决方案 2.1 目前现状 刀盘前方开挖采用马蹄形断面，开挖分两步走，先进行变截面开 挖，变截面开挖结束里程 K17+131.635，再进行固定截面开挖，固定 截面开挖结束里程为 K17+126.897。 在桩号 K17+128.47、中线偏左 25cm位臵施做 91 的超前地质钻孔 取芯，截止 2008年 8月 18日夜班钻孔深度 76.48m。 二、目前遇到的问题及解决方案 2.1 目前现状 TBM脱困侧面图 K17+135.235K17+131.635K17+126.897 说明： 图中标注均以 mm 为单位 ； 尾盾伸缩盾前盾 刀 盘 观察孔 观察孔 观察孔 60 60 割孔 观察孔 二、目前遇到的问题及解决方案 截止 2008年 7月 25日早 8： 00管片生产完成 8976环，累计完成量占管片 总量 13928环的 64.4。 TBM掘进 6767.546m，占掘进总长度 20877.83m的 32.41，并完成相应的管片衬砌、豆砾石回填灌浆施工；通风竖井主体 工程完成。 截止 2008年 8月 18日总工期合计延误 574天。 2.2 工程进度滞后 二、目前遇到的问题及解决方案 2.3 不良地质 （ 1）断层破碎带 2008年 4月 3日 2008年 4月 30日：施工桩号 K17+146，属 F5断层，开挖时因 围岩收敛变形速度过快造成 TBM被卡。 2008年 5月 1日 2008年 6月 27日：在掘进过程中岩体塌方将盾壳压住。 2008年 6月 28日至今：刀盘前方围岩塌方将盾壳卡住。 解决方案： 采用常规施工方法进行开挖，将盾壳周围围岩清理形成一定高度的空 间。利用上次 TBM脱困的盾壳外既有通道，进行适当扩挖及加固，开挖 长度为进入掌子面后 2 5m。对既有支护结构进行加固，开挖至原来掌 子面后，继续向前开挖至离塌腔范围 5m后施做超前地质钻探。 二、目前遇到的问题及解决方案 2.3 不良地质 （ 2）高地应力 a、岩爆地层 2007年 11月 19日 2007年 11月 27日：桩号 K18+784 K18+767发生 塌方，造成 TBM卡机，该段围岩岩性为黑色片麻岩与白色石英片岩，岩 石坚硬，呈互层状，埋深 750 817m，该段埋深较深，地应力大，局部 产生岩爆。 解决方案： 清理左侧滑动岩体，减除左侧侧压力，同时利用观察孔清理底部 和周边岩体。 b、软岩塑性变形地层 2008年 4月 3日 2008年 4月 30日：该段隧洞埋深大，受高地应力影 响，开挖时因围岩收敛变形速度过快造成 TBM被卡。 解决方案： 采用常规施工方法进行开挖，将盾壳周围围岩清理形成一定高度 的空间。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.1 运输方案 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 （ 1）存在的问题 目前 TBM施工运输编组采用 45T变频机车，其参数见表 1。截至 2008 年 8月 15日， TBM掘进至桩号 K17+135，则编组运输距离约为 7530m，根 据我部实测， 45T机车电瓶充电电压达到 580 610V时，编组在轨线上 运输 2 3个来回就需要更换电瓶。根据表 1提供的参数显示， 45T机 车电瓶连续工作时间为 100km，而现场实际为 30km电瓶工作时间 45km，考虑到编组运行坡度及编组运行状况，当运输距离达到 15km时 ，充满电的编组在洞内运输一个来回后就需要更换电瓶。以此计算， 当掘进距离达 10km时此运输方案难以保证。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.1 运输方案 表 1 45t电瓶机车技术参数表 项 目 技术参数 项 目 技术参数 机车型号 JXK-45 持续牵引力 110kN 粘着重量 45t 持续速度 15 km/h 变频器额定容量 250kVA 最高速度 25 km/h 传动方式 DCAC 轨距 900 mm 电池容量 700Ah/只 最小转弯半径 25 m 额定功率 220kw 外型尺寸 7983 1528 2158 mm 起动牵引力 130kN 电瓶连续工作时间 100km 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.1 运输方案 （ 2）解决方法 目前尽量维持现场洞碴运输的需要，已请股份公司张宁川副总工 程师帮助项目将电瓶车洞内接碴的点动方式改为其它驱动方式，以此 来节约电瓶的电能，目前此项工作正在进行中。但仅如此也不能解决 长距离运输的需要，故我项目的运输方案还需集团及股份公司专家给 予研究解决。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 （ 1）存在的问题 本工程地处高原高寒地区， TBM连续掘进距离长达 20.877km，同时 隧洞穿越的地层还可能含有瓦斯等有害气体，长距离隧洞施工通风是 本工程施工的一大难点，也是工程施工的重点所在。 目前 TBM施工中选取德国柯夫通风技术有限公司制造的通风设备， 设备参数见表 2；选用 4T直交变频牵引机车、渣土运输车等与 TBM后配 套相匹配的设备进行洞内运输；结合双护盾 TBM施工的特点，同时考虑 隧洞存在瓦斯等有害气体，工程施工中拟采用二阶段通风方式：第 一阶段： TBM独头掘进至通风竖井 9+820m前，采用 1台对旋式轴流通风 机通风。第二阶段： TBM掘进通过通风竖井后，将原有的 1台对旋式 轴流通风机移至通风竖井位臵进行通风，详见下图。 目前 TBM施工至桩号 K17+135，属第一阶段通风。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 说明： 1、风管均采用 1800的阻燃风筒。 2、为减少风管漏风，尽量选用节长为200m一节的风管。 3、风机离洞口的距离为50m。 掘进到达通风竖井前 隧 道 出 口 对旋轴流风机 一阶段 隧 道 出 口 二阶段 通风竖井 50m L6910m 对旋轴流风机 TB M通风布置图 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 表 2 风机型号及技术参数表 序号 名 称 型 号 数量 1 轴流风机 GAL14-900/900 2x90kW 400V 50Hz 1400mm 1500rpm IP54 (30-45 m3/s； 5100-1300 Pa) 1 消音器 Schalldaempfer SDS14 2 集流器 +防护栅 ED+SG 14 1 扩散器 UeF14/P18 1 2 变频调速控制箱 适用于 2x90 kW 1 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 该通风机为手动变频控制，每 500m根据柯夫曼所列频率参数表调整 一次，以达到节能并保证通风量的效果，目前为了保证洞内供风量，风 机频率已经调整到 35.29Hz。通风具体频率参数见表 3。 表 3 风机频率调整参数表 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 根据我部对目前桩号设备上的风速进行测量：伸缩盾内 1.22m/s， 管片安装机位臵 1.46m/s，主机室 1.85m/s，设备上接力风机口 15.86m/s，满足洞内需要。桩号 K17+135位臵风机参数对比见表 4，由 表 4可以看出，理论应该使用的风机参数在本工程所处的高原环境下无 法满足洞内施工生产需要。根据洞内的风量测量及现场的施工人员数 量，目前选取的风机参数比较合适。根据通风方案， TBM独头掘进至通 风竖井（ K9+820）位臵时，风机方转移至通风竖井位臵，由此通风， 则设计通风的最大距离为 14400m，根据表 3同时结合表 4，很明显可以 看出目前通风设备很难完成 TBM独头掘进通风任务，因此通风设备的能 力及通风方案需要重新评估验证。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 表 4 桩号 K17+135位臵风机参数对比表 项 目 里程 /m 风管口风速 m3/s 风机口风速 m3/s 风机频率 /Hz 理论应该使用风机参数 7500 21.20 17.77 28.31 实际使用风机参数 10500 17.00 22.15 35.29 设计最大使用距离 14400 / / / 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.2 施工通风 （ 2）解决方法 我部已联系过厂方技术人员到工地进行了探讨，厂方技术人员主 要对现目前通风管路的顺直及漏风情况做了要求，我部现目前只能加 强通风管理，防止通风管路漏风、保证通风管路的顺直。对于进一步 预案的确定我部需请集团及股份公司专家的支援。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 （ 1）断层破碎带 根据设计文件显示，本工程隧洞穿越大小断层 24条，一般断层宽 度 10 30m，最大断层宽度 300m，工程区段岩体中紧密褶皱较为发育达 坂山北缘断裂带（ F1、 F2），大坂山南缘断裂带（ F4、 F5、 F6）、金 子沟断层带（ f11、 f12、 f12）、特别是煤窑沟断层带 K8 300附近（ f13）和磨扇沟断裂带（ f14）断层宽且处于沟谷地段，断层充填物为 碎裂岩夹断层泥，可能存在较强的涌水， TBM通过断层带时很容易造成 刀盘前面和拱部坍塌，容易发生 TBM刀盘及盾壳被卡，目前已经经过的 断层有 f21、 F7、 f22、 f23、 f20、 f24、 F5，其中 TBM在 F5断层中发生 卡机至今。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 f12断层 ,宽 51m f13断层 ,宽 64m f14断层 ,宽 86m 我部拟采取的措施： 采用地质素描、超前钻探相结合的手段确定断层带的规模、断层充填 物、涌水、隧洞轴线与断层走向、倾向的组合关系等情况。 充分利用双护盾 TBM本身对断层的适应性，结合本工程 TBM穿越断层的 经验，重点做好双护盾 TBM掘进参数的控制，防止 TBM低头或刀盘被卡。 3.3 不良地质 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 对于地下水丰富，围岩极破碎且不稳定的断层，采用新买的 XY-1B 钻机实现超前帷幕固结灌浆堵水，然后掘进通过。 对于通过超前预灌浆加固处理后 TBM仍然不能施工的区域性断层， 造成刀盘被卡等灾难性后果时启动应急预备，从侧面打绕洞进入刀盘前面 钻爆法处理， TBM步进通过的方案或借鉴目前已采用过的施工方法施工。 3.3 不良地质 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 （ 2）高压富水地层 隧洞通过的含水地层长度约 4591m， K4+619 K4+911、 K10+037 K10+838、 K12+210 K12+442、 K12+839 K15+292隧洞段初期最大涌水 量超过 30000m3/d，在 K6 402 K6+758地段共 150m为高承压水含水地 层，易引起含炭页岩、煤层塌方。有 790m含水洞段水压力高，在上述 含水洞段中，隧洞涌水主要发生在断层及影响带、侵入岩接触带。本 工程隧洞设计纵向底坡度 i=0.00054529，根据 TBM施工到目前的情况， 隧洞自排水能力较差，当施工距离较长或出现高压富水地层，洞内排 水不畅时，可能造成灾难性事故。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 f11断层 ,岩层分 界 面 涌 水 477m3/min f14断层破碎带 涌水 539m3/min F2断层 ,414m3/min 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 我部拟采取的措施： 根据洞内的实际空间，采用多种物探手段结合超前地质钻探的 综合地质预测预报手段探明前方及隧洞周边可能的突水情况。 根据超前地质预报结果，采用超前探水孔验证的方法，判明涌 水量、分布情况、补给方式、变化规律，根据具体情况采取不同的措 施，根据探水孔涌水量及水压力来决定采用局部预灌浆堵水、全断面 帷幕灌浆堵水后灌浆止水的方法，做到不出现突水和大的涌水。 对于一般高压富水洞段 (隧洞涌水量 100m3/h或单孔探水孔出 水量 10m3/h)的洞段，双护盾 TBM可直接通过，管片拼装后及时通过 管片预留灌浆孔进行回填灌浆和固结灌浆，同时适时施做排水孔。隧 洞排水除利用隧洞顺坡外排外，同时开启 TBM后配套上配备的 200m3/h 排水泵通过排水管外排。 对于涌水量较大的高压富水洞段 (隧洞涌水量 100m3/h或单孔 探水孔出水量 10m3/h)，首先考虑开挖轮廓线周边灌浆，总出水量较 大时则加大加长灌浆范围，直至全断面帷幕灌浆。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 （ 3）高地应力 a、岩爆地层 引水隧洞最大埋深 1028m，埋深大于 600m的隧洞长约 10km，埋深大于 900m 隧洞长约 2.7km，属深埋长隧洞，相应地应力很高。埋深 130m 600m隧洞段最 大水平应力约为 6 20MPa；埋深 1000m左右的隧洞段最大水平应力近 30MPa。 由于地应力的影响，在干燥和质地坚硬的岩层中可能发生岩爆，在 TBM施工过 程中若高地应力不及时释放，将很用发生岩爆导致 TBM被卡。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 我部拟采取的措施： 由于双护盾 TBM所切削的断面非常圆顺的圆形，可以有效的防止应力集 中，从而减少岩爆发生的程度。 施工中只要做好管片和围岩之间的豆砾石回填灌浆，就可大大减少了 围岩暴露的时间，从而在时间和空间上减少岩爆发生的程度。 加强预测预报，施工中在设计提供的地质勘探资料的基础上做好超前 地质预报，根据施工经验及超前钻孔对岩体进行力学计算分析，确定岩爆发 生的强度等级。 预测岩爆为微弱时，直接在开挖面上喷水，软化表层使应力释放， TBM 可直接掘进通过，及时做好管片的背衬充填及回填灌浆，尽早封闭围岩。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 b、软岩塑性变形地层 在软岩洞段（主要为第十三段 K7+128 K8+002、十五段 K8+338 K10+037 、十七段 K10+838 K12+201）因高地应力的作用，围岩可能发生软岩塑性变 形，严重时可能造成刀盘被卡的被动局面。 我部拟采取的措施： 利用双护盾 TBM设备的自身优点，快速均衡掘进，及时管片背衬回填灌 浆，则可以有效防止塑性变形的影响。 将 TBM主轴承抬升、边刀外移可增大开挖直径，保证设备能在变形发生 至卡机时顺利通过。 若变形比较严重，采取常规的措施仍不能掘进时，则可以采取超前灌 浆预加固前方地层，达到一定强度后掘进通过的方案。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 （ 4）煤系瓦斯地层 引水隧洞要穿越 4128m的煤系地层和约 5000m的含炭页岩，以上地层可能 存在瓦斯，煤系地层主要分布在侏罗系地层（ 3+000 7+128）和三叠系上统 第二段（ 7 128 12 201）。 侏罗系地层 三叠系上 统第二段 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 我部拟采取的措施： 地质预报：根据业主提供的地质资料，离可能出现瓦斯地段 100m位臵 施做探孔，确定前方是否有瓦斯逸漏，早发现、早防治、防患于未然，必要 情况下通过钻探准确掌握煤层走向、倾角、厚度、顶底板岩性等地质资料。 利用 TBM自身监测及人工监测相结合的方法： TBM上安装有瓦斯监测系统， 根据瓦斯涌出规律，在瓦斯容易聚集的部位共设臵探测点，连续对瓦斯进行 监测。同时配备专门的瓦斯检测人员，携带便携式瓦斯检测仪，实现全天候 监测。 调节目前通风设备的频率，加强洞内通风。 三、潜在的风险及我部考虑的解决方法 3.3 不良地质 双回路电源，洞内配臵双回路电源，隧洞施工时以网电为主回路电源 ，水草滩电变所 10kV电源为备用电源，备用 1台 286kW柴油发电机作为保安电 源，以满足通风的需要。 制定完善的安全技术措施，建立完善的瓦斯监测检查制度、严格的进 洞人员检查制度，从管理上杜绝火源、静电、电气火花、撞击火花等不安全 因素。 敬请各位专家领导批评指正 谢谢！