软岩条件下单护盾TBM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工程建设过过程简介浆液灌入围围岩情况超前化学固固结灌浆实实施效果：：1、由于粉细细砂岩和细细砂岩密实实，孔隙率率小，浆液液需形成高高压劈裂灌灌入，无法法有效加固固围岩。2、图中所示示为浆液灌灌入围岩情情况，在较较大压力下下浆液劈裂裂进入围岩岩内，但受受围岩特性性影响，浆浆液固结后后影响范围围较小，达达不到有效效加固目的的。为提高TBM在塌方洞段段的适应能能力，解决决刀盘极易易被卡现象象，项目部部对设备进进行了前盾盾延伸改造造。1.4工程建设过过程简介工作洞室开挖入口上导洞开挖支护上导洞采用用钢插板超前前支护1.4工程建设过过程简介前盾延伸改改造效果图图如下图：：1、前盾延伸伸钢板厚度度为40mm，盖住刀盘盘560mm，钢板焊接接于前盾上上部212°范围。2、增加钢板板后，为保保证开挖，，将刀具更更换成加高高的撕裂刀刀，开挖直直径扩大，，增强TBM脱困能力。。加高的扩挖挖刀前盾延伸钢钢板1.4工程建设过过程简介突泥涌沙地地质灾害1（4）2010年10月6日，TBM在61+939处遭遇涌水水涌沙地质质灾害，TBM主机部分约约3/4被泥沙掩埋埋，TBM施工掘进中中断。1.4工程建设过过程简介突泥涌沙地地质灾害2在多项措施施实施下，，TBM恢复了掘进进，但由于于围岩泥化化承载力较较低，导致致TBM持续栽头，，上下主推推油缸压力力差与铰接接油缸行程程差等方法法无法控制制栽头现象象，当即停停止掘进。。1.4工程建设过过程简介（5）2011年1月，业主最最终决定对对施工方案案进行调整整，一是将将隧洞出口口TBM在60+931处拆机，重重新制造刀刀盘和盾体体，在进口口组装后向向下游方向向掘进；二二是在总干干渠7#隧洞增设4条斜井，同同时利用已已有的闫家家沟竖井提提前处理含含水疏松砂砂岩洞段。。17286m出口进口竖井1#2#3#4#3070m已掘进1.4工程建设过过程简介（6）2011年8月从进口开开始向出口口方向掘进进。在具有有自稳能力力的围岩条条件下，8.5个月共掘进进10.193km，平均月进进尺达1.308km，最高月进进尺1.868km。1.4工程建设过过程简介方案调整后后TBM掘进施工进进展情况（7）2012年4月27日进入饱水水含水疏松松沙岩后，，2012年4月30日TBM于里程57+835处、同样饱饱水疏松沙沙层洞段再再次遭遇突突泥涌沙地地质灾害，，造成卡机机。主轴承皮带带孔处涌沙沙顶管片密集集贯穿裂缝缝1.4工程建设过过程简介（8）经多次会会议研究论论证，决定定对7#隧隧洞再次新新增两座斜斜井处理饱饱水疏松沙沙层，其中中6#斜井井承担处理理剩余饱水水疏松沙层层段任务，，5#斜井井承担通过过斜井外围围解困TBM任务。。2012年6月，两座座斜井掌掌子面均均遭遇含含水疏松松沙层，，发生涌涌沙现象象，5#斜井被迫迫停止开开挖；6#斜井绕线线施工达达到主洞洞。2013年2月，在确确定人工工常规钻钻爆开挖挖无法实实现有效效开挖时时，业主主确定在在TBM卡机下游游6.5m和160m处增设两两个竖井井，采用用冻结法法开挖TBM卡机下游游已揭露露的250米含水疏疏松沙层层洞段。。出口TBM卡机洞段段（60+851～60+931）最终采采用了洞洞内水平平冻结施施工开挖挖，其他他洞段均均采用常常规人工工钻爆法法施工。。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在出出口口和和进进口口含含水水率率4.5%～15.4%范围围内内的的含含水水疏疏松松沙沙层层中中，，掘掘进进较较为为艰艰难难，，易易造造成成卡卡机机，，但但在在充充分分发发挥挥TBM的施施工工能能力力的的情情况况下下下下，，采采取取相相关关辅辅助助及及脱脱困困施施工工措措施施可可缓缓慢慢通通过过此此类类洞洞段段。。3.4TBM在不不同同地地质质条条件件下下掘掘进进参参数数及及适适应应性性研研究究（3）当当疏疏松松沙沙层层含含水水率率达达到到15.4%以上上时时，，单单护护盾盾TBM将不不再再适适应应在在此此类类地地层层条条件件下下掘掘进进。。一一旦旦发发生生涌涌水水涌涌沙沙地地质质灾灾害害，，极极易易造造成成TBM卡机机。。发发生生涌涌水水涌涌沙沙造造成成卡卡机机后后，，无无法法从从隧隧洞洞内内实实施施脱脱困困措措施施，，在在采采取取相相关关辅辅助助及及脱脱困困措措施施后后，，仍仍不不能能使使TBM脱困困。。TBM在含含水水率率为为6.5%～12.3%范围围疏疏松松沙沙层层洞洞段段掘掘进进期期间间，，应应采采用用多多项项措措施施保保证证TBM连续续掘掘进进，，停停机机时时间间不不宜宜超超过过1.5小时时。。长长时时间间停停机机会会使使得得TBM盾体体周周围围、、掌掌子子面面围围岩岩特特性性发发生生明明显显变变化化，，围围岩岩含含水水率率持持续续上上升升，，塑塑化化、、泥泥化化速速度度很很快快，，极极易易造造成成突突泥泥涌涌沙沙地地质质灾灾害害。。3.5TBM在Ⅴ类软软岩岩隧隧洞洞段段施施工工技技术术研研究究（1）TBM在稳稳定定围围岩岩下下快快速速掘掘进进姿姿态态控控制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类软软岩岩隧隧洞洞段段施施工工技技术术研研究究（1）TBM在稳稳定定围围岩岩下下快快速速掘掘进进姿姿态态控控制制TBM主机机室室控控制制掘掘进进参参数数管片片高高效效率率安安装装3.5TBM在Ⅴ类软软岩岩隧隧洞洞段段施施工工技技术术研研究究（2）TBM掘进进通通过过塌塌方方收收敛敛变变形形洞洞段段施施工工在盾盾体体与与围围岩岩间间注注入入膨膨润润土土对工工作作孔孔逐逐一一进进行行检检查查，，增增大大回回填填量量限制制刮刮渣渣口口进进渣渣能能力力，，增增加加运运输输编编组组出出碴碴能能力力制定定TBM计划划停停机机和和非非计计划划停停机机刚刚性性处处理理措措施施、、TBM推进进预预留留油油缸缸行行程程和和增增设设扩扩挖挖刀刀。。控制制掘掘进进参参数数，，加加强强出出碴碴皮皮带带的的检检查查保保养养3.5TBM在Ⅴ类软软岩岩隧隧洞洞段段施施工工技技术术研研究究（3）含水水疏松松沙层层不良良地质质洞段段TBM施工优化改改造刀刀盘刮刮渣口口控制制出碴碴量优化TBM掘进参参数，，连续续掘进进快速速通过过该洞洞段通过注注膨润润土或或油脂脂降低低盾体体与围围岩摩摩擦力力（3）TBM刀盘被被卡脱脱困施施工技技术利用尾尾盾观观察口口开挖挖至刀刀盘位位置，，对刀刀盘四四周土土体进进行扩扩挖，，解除除围岩岩对刀刀盘的的压力力。3.5TBM在Ⅴ类软岩岩隧洞洞段施施工技技术研研究（3）TBM应对““低头头”施施工技技术增大掘掘进推推力，，降低低摩擦擦阻力力增大上上下推推进油油缸和和铰接接油缸缸油压压差增大底底管片片抗压压能力力，将将混凝凝土管管片更更换为为钢管管片3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究（1）在高高压富富水疏疏松沙沙层洞洞段，，主洞洞开挖挖采用用了帷帷幕灌灌浆、、超前前管棚棚支护护、真真空井井点降降水、、水平平旋喷喷桩等等多种种工法法，均均未取取得良良好的的开挖挖效果果。帷幕注注浆孔孔口管管安装装辅助完完成刀刀盘割割除3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究帷幕注注浆完完成、、刀盘盘拆除除后，，进行行了隧隧洞主主洞开开挖，，发生生了涌涌水涌涌沙现现象。。3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究超前大大管棚棚在钻钻进过过程中中从管管内大大量喷喷水及及涌沙沙，造造成管管棚设设备钻钻进和和接管管十分分困难难，无无法继继续施施做。。3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究绕线洞洞段进进行了了真空空降水水配合合超前前小导导管施施工真空降降水掌子面面涌水水涌沙沙3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究（2）最终终采用用了冻冻结法法辅助助人工工开挖挖进行行施工工，有有效解解决了了开挖挖施工工难题题掌子面面冻结结施工工地面冻冻结施施工设设备3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究（2）毛细细透降降水管管对高高压富富水洞洞段地地下水水进行行了有有效排排放顶拱布布设降降排水水孔毛细透透降水水管3.6高压富富水疏疏松沙沙层段段隧洞洞人工工开挖挖施工工技术术研究究（2）采用用TBM掘进施施工的的长大大山岭岭隧道道，根根据工工程地地质勘勘察资资料，，对于于不良良地质质洞段段，施施工条条件具具备的的情况况下，，宜尽尽早增增设支支洞进进行人人工钻钻爆开开挖法法处理理，新新增工工作面面在TBM到达前前处理理不良良地质质洞段段对工工程整整体建建设各各项目目标控控制意意义重重大。。4研究成成果1、经对对TBM进行多多项优优化改改造，，大幅幅度提提高了了TBM在不良良地质质洞段段地层层中的的适应应能力力。2、刀盘盘单向向旋转转改造造为双双向转转掘，，有效效的解解决了了管片片旋转转施工工难题题，在在进度度、安安全、、质量量等目目标控控制方方面取取得了了良好好效果果。3、完成成了TBM在自稳稳软岩岩长距距离隧隧洞TBM快速掘掘进施施工研研究，，得出出了当当单轨轨运输输距离离达到到7.0km左右时时，宜宜在沿沿线增增加固固定道道岔的的经验验成果果。4研究成成果4、完成成了TBM在不同同地质质条件件下掘掘进参参数及及适应应性分分析，，得出出了在在不同同地层