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5.93ｍ，采用管片衬砌，隧道净空5ｍ。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):19.94083kmTBM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位置施做φ91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①2008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。②2008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。③2008年6月28日～至今：刀盘前方围岩塌方将盾壳卡住。解决方案：①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。②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。③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145t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15km/h变频器额定容量250kVA最高速度25km/h传动方式DC—AC轨距900mm电池容量700Ah/只最小转弯半径25m额定功率220kw外型尺寸7983×1528×2158mm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：①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。②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置进行通风，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φ1800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50mL≤6910m对旋轴流风机TBM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GAL14-900/9002x90kW400V50Hzφ1400mm1500rpmIP54(30-45m3/s；5100-1300Pa)1消音器SchalldaempferSDS142集流器+防护栅ED+SG141扩散器UeF14/P1812变频调速控制箱适用于2x90kW1三、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，管片安装机位置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位置风机参数对比见表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）位置时，风机方转移至通风竖井位置，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位置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750021.2017.7728.31实际使用风机参数1050017.0022.1535.29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51mf13断层,宽64mf14断层,宽86m我部拟采取的措施：①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。②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③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。④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/minf14断层破碎带涌水539m3/minF2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：①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。②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。③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