TBM施工關(guān)鍵技術(shù)探討
——以N-J水電站工程為例

夏 云，陳必振，陸廣東

(中國葛洲壩集團(tuán)路橋工程有限公司，湖北 宜昌 443002)

TBM施工段沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，具有埋深大(最大埋深1870m)、隧道線長的特點。存在高壓外水、遇水頁巖軟化膨脹、高埋深隧道段收斂變形大、突水、穿越圍巖穩(wěn)定性差復(fù)雜地質(zhì)問題。在TBM施工過程中，成功應(yīng)用了管棚技術(shù)、地質(zhì)段膠結(jié)情況下的仰拱噴護(hù)、高埋深全斷面鋼拱支護(hù)，清碴帶與卸碴帶的聯(lián)動施工技術(shù)是保證隧道連接暢通的關(guān)鍵。

1 工程概況

1.1 NJ簡況

圖1 NJ工程建筑物及地下洞室布置圖

NEELUM-JHELUM(以下簡稱“N-J”)水電站工程位于AZAD JAMMU & KASHMIR州，為長隧洞引水式水電站。本工程引水隧洞總長28.6km(單線洞和雙線洞交錯布置)，共設(shè)置5條施工支洞(分別為A1-A5)，其中A1、A2支洞間的引水隧洞長13,577m，是本工程的關(guān)鍵線路和施工難點，擬在此段引水隧洞采用TBM進(jìn)行掘進(jìn)施工，見圖1。

2 TBM施工問題

圖2 施工現(xiàn)場圖

TBM施工段為雙線隧道，采用兩臺TBM逆坡自下而上開挖。圖2顯示，單臺TBM開挖長度約11.2km，沿水流方向設(shè)計縱坡約0.78%，設(shè)計開挖直徑8.5m，TBM施工段地質(zhì)條件復(fù)雜，具有埋深大、洞線長的特點。主要工程地質(zhì)問題有高壓外水、遇水時頁巖軟化膨脹、收斂變形大、涌(突)水、圍巖穩(wěn)定性差、隧道穿越斷層破碎帶等。

TBM掘進(jìn)施工過程中，隨著隧洞埋深不斷增加，逐步進(jìn)入了高埋深、高地應(yīng)力巖爆段，最高埋深達(dá)1870m，其中埋深>1500m的掘進(jìn)里程在2km以上。針對復(fù)雜地質(zhì)條件，TBM適應(yīng)性差，掘進(jìn)效率較低，施工難度大[1]。

3 NJ-TBM施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 穿越軟弱地層的管棚技術(shù)

TBM通過軟弱斷層帶施工過程中，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(TST)與超前鉆探等常規(guī)的地質(zhì)預(yù)報手段的結(jié)合來判斷TBM掌子面前地質(zhì)情況，若出現(xiàn)不良地質(zhì)情況可進(jìn)行超前地質(zhì)加固施工。采用TBM設(shè)備上配備傘狀鉆機(jī)對不良地段進(jìn)行預(yù)加固處理。

1)管棚施工參數(shù)

TBM到達(dá)破碎圍巖洞段前3m開始進(jìn)行管棚施工，具體里程將根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報成果及掘進(jìn)揭露的實際圍巖地質(zhì)條件經(jīng)各方協(xié)商后確定。管棚施工長度15m-25m，管棚處理范圍為頂拱120°范圍，鉆孔間距為400mm；管棚鉆孔設(shè)備采用TBM配套的傘狀鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，根據(jù)傘狀鉆機(jī)的設(shè)計參數(shù)，管棚外插角為7°。管棚鋼管采用φ89mm無縫鋼管，壁厚5.5mm。預(yù)先在φ89×5.5mm鋼管上鉆φ10mm的出漿孔，孔距200mm，呈梅花型布置，出漿孔。為防止灌漿對刀盤的影響，護(hù)盾頂部及掌子面3m范圍內(nèi)的鋼管不鉆注漿孔。TBM掘進(jìn)，當(dāng)?shù)侗P距管棚端頭3m處開始進(jìn)行第2個管棚施工，再繼續(xù)掘進(jìn)后進(jìn)行第3個管棚施工，如此循環(huán)直至TBM安全通過地質(zhì)破碎帶。

2)灌漿技術(shù)參數(shù)

水泥漿濃度為1∶1.25-1∶0.8，灌漿初壓0.5MPa，終壓3MPa。漿液擴(kuò)散半徑≥0.5m。灌漿前應(yīng)按參數(shù)進(jìn)行灌漿現(xiàn)場試驗，灌漿參數(shù)應(yīng)通過現(xiàn)場試驗合格按實際情況確定，以確保達(dá)到固結(jié)圍巖的目的。

3)管棚施工方法及組織措施

管棚施工主要工序有：跟管鉆進(jìn)、洗孔、制漿、灌漿、充填M30水泥砂漿或水泥漿，詳見管棚注漿工序，見圖3。

圖3 管棚注漿工序流程圖

4)管棚超前支護(hù)施工效果

管棚超前支護(hù)施工可以有效支撐頂部圍巖，同時對松散的巖石起到了固結(jié)的作用，保障了TBM設(shè)備通過軟弱斷層地段。

3.2 遇水泥化地質(zhì)段的仰拱噴護(hù)

NJ工程TBM施工段地質(zhì)情況為砂巖和頁巖組成，廣泛出露于工程區(qū)，泥頁巖遇水軟化及膨脹、圍巖穩(wěn)定性差，隧洞還具有高埋深、高地應(yīng)力，大收斂變形洞段等主要地質(zhì)問題。隧洞的支護(hù)手段遵循新奧法理念，隧洞采用柔性支護(hù)，仰拱混凝土及時封閉，尤其是遇水泥化地質(zhì)段，需要盡早進(jìn)行仰拱混凝土的封閉施工，盡快完成全斷面的支護(hù)，通過定期對圍巖、洞室穩(wěn)定性的監(jiān)控量測，在保障隧洞安全。

圖4 管棚有效支護(hù)效果圖

TBM施工段隧洞支護(hù)體系由三部分組成，分別為L1區(qū)支護(hù)施工、仰拱噴射混凝土施工、L2區(qū)噴射混凝土施工。L1區(qū)主要使用錨桿、網(wǎng)片，TH拱架(根據(jù)圍巖情況而定)支護(hù)施工，針對遇水泥化地質(zhì)段仰拱部位主要完成隧洞底部100°范圍內(nèi)混凝土噴護(hù)施工，L2區(qū)主要采用TBM自帶的噴護(hù)混凝土系統(tǒng)進(jìn)行260°范圍內(nèi)的混凝土噴護(hù)施工，從而完成全斷面的隧洞支護(hù)施工任務(wù)。

NJ工程TBM施工段采用柔性支護(hù)手段，圍巖支護(hù)與圍巖共同變形受力。隧洞采用圓形斷面滿足靜力學(xué)上計算條件，因此要盡可能使結(jié)構(gòu)平順以避免產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，同時盡早使結(jié)構(gòu)閉合(封底)，以形成承載環(huán)。在遇水泥化地質(zhì)段，其仰拱混凝土的噴護(hù)施工，保證了圍巖全斷面的封閉施工，防止泥巖遇水軟化，有效的保證隧洞支護(hù)的安全。

隧洞施工過程中為完善TBM設(shè)計的不足，在TBM連接橋底部增設(shè)了一套全新的濕噴系統(tǒng)，用于仰拱混凝土噴護(hù)施工，使混凝土噴護(hù)系統(tǒng)更加完善，及時完成隧洞支護(hù)的閉合，使其成為完整的承載環(huán)，隧洞支護(hù)分區(qū)詳見TBM分區(qū)支護(hù)圖(見圖5)。

圖5 TBM分區(qū)支護(hù)圖

引水隧洞采用TBM開挖施工，對圍巖擾動小，開挖所形成的斷面為圓形斷面，不產(chǎn)生突出的拐角，避免產(chǎn)生應(yīng)力集中的現(xiàn)象，隧洞支護(hù)采用錨噴的柔性支護(hù)方式，尤其是仰拱混凝土的盡早噴護(hù)施工，使得圍巖全斷面盡快形成閉環(huán)，通過與圍巖的緊密結(jié)合，在隧洞的整個支護(hù)體系中，起主要作用的是圍巖本身，在進(jìn)行施工過程中，對隧洞周邊定期進(jìn)行位移收斂量的量測，通過數(shù)據(jù)說明隧洞支護(hù)滿足施工安全的需要。

3.3 高埋深全斷面鋼拱架支護(hù)

1)鋼拱架安裝系統(tǒng)的改良

TBM快速通過高埋深、高地應(yīng)力巖爆段，其中最主要的施工技術(shù)就是快速支護(hù)施工技術(shù)，常規(guī)的錨噴支護(hù)不能滿足施工支護(hù)的要求，在施工中采取鋼拱架進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。TBM設(shè)備自帶的拱架安裝器從拱架安裝的角度時間較長，安裝精度不夠，對于拱架安裝器的改良工作成為了施工的重點和難點，工程技術(shù)人員結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，創(chuàng)新性將原拱架安裝器的基礎(chǔ)上增加懸挑鋼結(jié)構(gòu)及懸挑鋼結(jié)構(gòu)端頭增加拱架固定裝置(見圖6、7)。

圖6 TH拱架拼裝后效果圖

圖7 TH拱架安裝器細(xì)部結(jié)構(gòu)

改良后拱架安裝方面同未改良前拱架安裝器相比，減少TH拱架固定點、減少已安裝好拱架從護(hù)盾內(nèi)脫出步驟，施工中減少TH拱架安裝人員投入的同時，也縮短了TH拱架拼裝時間。在TH拱架安裝精度上得到很大提升，TH拱架安裝定位更加精確、TH拱架的垂直偏差大幅減小，從而保障TH拱架具有良好的受力狀態(tài)。

2)鋼拱架快速安裝施工技術(shù)

本工法施工準(zhǔn)備：一方面，施工現(xiàn)場根據(jù)施工需要，將TH拱架相關(guān)材料準(zhǔn)備齊全，并堆放至拱架安裝器周邊。另一方面，TBM完成掘進(jìn)施工，需要對L1區(qū)圍巖進(jìn)行排險、清理，鋪設(shè)網(wǎng)片、錨桿支護(hù)施工，完成以上施工內(nèi)容后，再進(jìn)行TH拱架安裝施工[2]。

為縮短TH拱架安裝時間，提高TH拱架安裝精度，在拱架安裝器上增加懸挑鋼結(jié)構(gòu)，懸挑鋼結(jié)構(gòu)≥4個。TH拱架安裝施工，通過轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)器，將已經(jīng)確定好的懸挑鋼結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動到底部，通過人工將拱架搬運至指定部位，并根據(jù)拱架最后搭接情況，進(jìn)行第一根拱架的預(yù)留尺寸并使用TH拱架安裝器上固定裝置將TH拱架進(jìn)行固定，使用風(fēng)動扳手將固定裝置上螺栓擰緊。

按照固定方向轉(zhuǎn)動拱架安裝器，大約轉(zhuǎn)動角度為60°左右，將第2根TH拱架與第1根TH拱架進(jìn)行連接(搭接長度為55cm)，將其連接螺栓使用風(fēng)動扳手?jǐn)Q緊，并將第2根TH拱架與懸挑鋼結(jié)構(gòu)固定。以上是完成了1個小循環(huán)TH拱架的安裝施工，繼續(xù)進(jìn)行TH拱架安裝過程同上，略有不同的是在TH拱架與懸挑鋼結(jié)構(gòu)可不進(jìn)行固定，懸挑鋼結(jié)構(gòu)只是起到控制TH拱架位置和垂直度作用。

當(dāng)完成5個小循環(huán)施工后，TH拱架安裝進(jìn)入最后1個環(huán)節(jié)，L1區(qū)頂部使用舉升小車將拱架頂至巖面，L1區(qū)鉆機(jī)平臺底部人工將第6根拱架與第1根拱架進(jìn)行搭接，同時將張緊油缸放置就位，通過左右兩側(cè)鉆機(jī)進(jìn)行TH拱架垂直度的微調(diào)，達(dá)到TH拱架安裝要求后，通過張緊油缸進(jìn)行拱架的張緊施工，檢查TH拱架與巖面的貼合情況，TH拱架與巖面緊密貼合后將第6根與第1根TH拱架間連接螺栓使用風(fēng)動扳手?jǐn)Q緊。

通過對原拱架安裝器與改良后的拱架安裝器進(jìn)行對比，原拱架安裝器進(jìn)行拱架安裝需要60-70min，使用改良后的拱架安裝器進(jìn)行拱架安裝需要20-30min，從拱架安裝效率得到較大的提升；鋼拱架安裝投入的人員減少到原安裝人員的一半，大大的節(jié)約了人工成本；TH拱架安裝精度上得到很大提升，TH拱架安裝定位更加精確、TH拱架的垂直偏差大幅減小，從而保障TH拱架具有良好的受力狀態(tài)。

在施工過程中采用改良后的拱架安裝器可大大縮短TH拱架安裝時間，提高施工進(jìn)尺，同時縮減人工成本，提高工程效益的同時也為隧洞早日貫通提供保障。

3.4 清碴皮帶與出碴皮帶聯(lián)動施工技術(shù)

1)棄渣清理施工工藝流程

施工準(zhǔn)備→連續(xù)皮帶啟動→拖車尾部清渣皮帶啟動→小型挖掘機(jī)進(jìn)行清渣施工→連續(xù)皮帶停止運行→拖車尾部清渣皮帶停止運行(本循環(huán)清渣完成)。

圖8 清渣系統(tǒng)后、右設(shè)計視圖

圖9 清渣系統(tǒng)左設(shè)計視圖

2)TBM輔助清渣皮帶的布置方案

TBM布置輔助清渣系統(tǒng)的空間狹窄，干擾因素非常多。上部的干擾因素主要是通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)筒和連續(xù)皮帶以及連續(xù)皮帶的懸掛鏈條，下部的干擾因素主要是機(jī)車，要保證機(jī)車的安全運行。

TBM施工日均清渣量大約為40m3，清渣皮帶的運輸負(fù)荷很小，因此皮帶選型的原則是盡可能窄。布置皮帶時先定位下滾筒，在保證機(jī)車安全通行時盡量靠中。上滾筒定位時優(yōu)先避讓懸掛鏈條，在空間無法滿足時可向右適當(dāng)擠壓風(fēng)帶，驅(qū)動電機(jī)擠壓風(fēng)帶時做好防護(hù)措施避免將風(fēng)帶損傷。

3)傳輸皮帶支撐結(jié)構(gòu)選型

TBM設(shè)計時空間規(guī)劃已經(jīng)非常緊湊，增設(shè)的皮帶出渣系統(tǒng)對連續(xù)出渣皮帶、洞內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的干擾，在采取措施后將干擾控制在可接受范圍。皮帶支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計初步設(shè)計考慮為懸臂桁架不帶行走輪的方案。

皮帶系統(tǒng)和堆渣平臺的重量全部靠懸臂桁架承重，桁架末端和TBM拖車剛性連接。優(yōu)點是承重平臺和TBM拖車成為整體，不受軌道鋪設(shè)質(zhì)量的影響，始終和TBM拖車保持相對穩(wěn)定。缺點是整套懸臂承重結(jié)構(gòu)的加工量較大。

4)輔助清渣皮帶與主皮帶吊鏈干涉處理

圖10 活動溜槽處于伸出狀態(tài)

圖11 活動溜槽處于縮回狀態(tài)

連續(xù)出渣皮帶是采用鏈條固定在洞壁上，整體和隧道相對靜止。輔助清渣皮帶和TBM拖車相連，掘進(jìn)時跟隨TBM往前移動，因此掘進(jìn)時輔助清渣皮帶和連續(xù)出渣皮帶會有相對位移。輔助清渣皮帶要正常運行就必須解決出渣斗如何穿過連續(xù)皮帶懸掛鏈條的問題。

通過現(xiàn)場多次試驗研究，最佳解決方案是將出渣斗分成兩部分，與懸掛鏈條不干涉的部分做成固定渣斗，與懸掛鏈條相干涉的部分做成活動溜槽。運行時渣土由皮帶先進(jìn)入固定渣斗，再經(jīng)過活動溜槽，最后滑入連續(xù)皮帶運輸至洞外。

活動溜槽由溜槽和水平軸承滑道組成，可自由向前或向后滑動。實際運行中活動溜槽只有兩種工作狀態(tài)，輔助出渣系統(tǒng)運行時采用伸出狀態(tài)，溜槽隨TBM往前移動快碰到懸掛鏈條時采用縮回狀態(tài)，此時輔助出渣系統(tǒng)暫停運行，當(dāng)活動溜槽通過懸掛鏈條時恢復(fù)伸出狀態(tài)進(jìn)行出渣。在水平軸承滑道上設(shè)置限位栓，在活動溜槽伸出或縮回時將其固定。

5)操作要點

隧洞棄渣施工準(zhǔn)備相對而言比較重要，并分為兩部分，其一，將清渣皮帶區(qū)域小型挖掘機(jī)清理的有效范圍進(jìn)行清理和將混凝土棄渣進(jìn)行集中；其二，TBM掘進(jìn)施工的各項工序均要滿足掘進(jìn)施工的要求[3]。

連續(xù)皮帶保持運行狀態(tài)時，將清渣皮帶溜槽伸出，啟動清渣皮帶，通過拖車尾部小型挖掘機(jī)將棄渣清理至清渣皮帶上，棄渣經(jīng)過清渣皮帶運輸至連續(xù)皮帶，此過程為完成一個清渣小循環(huán)，清渣過程就是由若干個小循環(huán)組成。當(dāng)連續(xù)皮帶停止時，及時停止運行清渣皮帶，避免棄渣過多，造成皮帶損傷。

4 結(jié) 語

文章在N-J水電站工程復(fù)雜的地況下進(jìn)行TBM施工，探討在TBM施工過程中穿越軟弱地層的管棚技術(shù)、遇水泥化地質(zhì)段的仰拱噴護(hù)、高埋深全斷面鋼拱架支護(hù)、清碴皮帶與出碴皮帶聯(lián)動施工技術(shù)等技術(shù)的應(yīng)用方案，保證施工安全順利完成。