TBM 法隧道在施工过程中主要遭遇了六大难题,在各个项目中均造成较大的困难。为此,基于六大难题的解决,提出一些探索性的建议。
在秦岭隧道、中天山隧道、引汉济渭引水隧洞、辽西北引水隧洞等工程中多次遭遇高磨蚀性地层,存在围岩强度在100MPa 以上,石英含量超过30%,磨蚀系数大于5 的情况。该类型围岩造成的直接影响有:刀具消耗量大、刀具异常损坏、刀盘损坏严重、设备振动大导致高故障率以及掘进速度慢。
目前对此类问题无有效的技术解决方案,通常采取精细化的刀具管理措施或依赖施工人员的经验来减少处理时间,能在一定程度上缓解影响的程度。
该问题可以从以下两个方面进行研究:
(1)在破岩理论和破岩方法上进行突破。目前TBM 均是基于滚刀的挤压破岩理论来施工,通过滚刀在岩面上的持续挤压使岩石形成贯通裂隙破岩,基本无法回避振动、磨蚀的难题。
应突破目前的思维定式,寻求创新型的破岩方法,比如水力破岩、激光破岩、超声波破岩等方法。值得一提的是目前在采矿领域中已经有水力采煤的成功应用经验,而在机械加工中水刀切割技术已经非常成熟。
(2)在抗冲击、高耐磨性材料技术上进行突破。通过材料技术的突破来提高刀具和刀盘的抗冲击、抗磨蚀能力,从而降低刀具消耗,减少维修时间,以降低设备故障率和提高掘进效率。
此问题在引大济湟调水总干渠隧洞、引红济石输水隧洞等护盾式TBM 施工中多次遭遇,高黎贡山隧道正洞开敞式TBM 也频繁遭遇此情况。其直接的影响是:围岩变形后握裹刀盘和护盾造成卡机、初期支护变形后造成TBM 后配套通过困难以及衬砌厚度不足。处理卡机的难度大、风险高、周期长,对工程建设的各项指标都会造成较大影响。
目前对于此类问题的基本措施是提高TBM 掘进的扩挖能力,相当于传统钻爆中增加预留变形量的做法,要求TBM 的刀盘具备扩挖能力,是一种被动措施,只能够延缓大变形造成卡机的时间,仍然不能从根本上解决问题。
该问题可以从以下两个方面进行研究:
(1)大变形控制方法研究。采用TBM法施工的隧道,其预留变形量不能无限地扩大,预留变形量的选择远不如钻爆法灵活,应当根据TBM 法的特点研究软岩围岩大变形的主动控制方法。
(2)研究TBM 集成式长锚杆、锚索快速施工装备。从目前钻爆法的经验看,长锚杆和长锚索对软岩大变形控制有明显的改善效果,但目前无法在TBM 上实施,需要研发相应的TBM集成式解决方案。
从历史经验看,岩爆对TBM 施工的影响后果最为严重,在引大济湟调水总干渠、引汉济渭输水隧洞(多数为中等或轻微岩爆、个别为重度岩爆)和锦屏水电站输水隧洞均有遭遇,锦屏水电站输水隧洞遭遇强岩爆,出现设备报废、人员伤亡的事故,后改为钻爆法施工。
目前的总体认知是TBM 法对短距离的弱、中等岩爆有一定应对措施,而对长距离强岩爆应对非常困难,有典型的失败案例。就目前技术水平而言,如果隧道勘察设计过程中发现有高地应力轻微~ 中等岩爆可能性且范围较广,一般采用单护盾TBM,以方便处理;如果有强岩爆可能性且范围较广,一般尽量避免采用TBM 施工。
岩爆的发生时间、发生部位等无法可靠预测,无有效治理方法,无论是钻爆法还是TBM 法均无有效应对手段,是隧道施工中的世界性难题。
该问题可从以下两个方面进行研究:
(1)深入研究岩爆机理,研究岩爆的预测预报技术和处理技术。
(2)研究TBM 施工岩爆防护技术。在目前岩爆无法控制的情况下,应基于TBM 的施工特点,研究设备和人员防护技术。
岩溶极发育地层对TBM 的施工影响极大,国内已有TBM穿越一般岩溶地层的案例,处理难度较大。在岩溶极其发育地层中,不建议采用TBM 施工。
在断层破碎带、蚀变岩和节理裂隙发育等地层中,岩层松散,易塌方,初期支护背后空洞等,极端情况下涌砂涌泥淹没设备,造成进度缓慢、卡机、撑靴支撑反力不足等问题。
在目前的隧道项目中,探明的较大断层破碎带一般通过辅助导坑采用人工钻爆提前处理。局部遭遇的破碎带主要采取超前管棚、迂回导坑超前处理、化学灌浆加固等方法进行处理,目前的处理方法耗时长,TBM 停机时间长,严重影响工期。
该问题可从以下两个方面进行研究:
(1)适用于TBM 的地层超前地质改良技术。如适用于TBM 的超前预注浆、超前管棚等,在接近断层破碎带时,通过集成在TBM 上的超前处理设备,对掘进前方的围岩进行超前改良处理以适应掘进。
(2)创新围岩支护技术。目前普遍局限在钢架、锚杆、喷射混凝土三种措施的组合,无法完全解决特殊地质地层的支护,造成TBM 清渣量大、施工速度慢、掘进支撑反力不足等,应研究快速支护的新型支护体系。
在掘进过程中发生突涌水,造成设备损坏,掘进停滞,并会对施工人员造成极大风险,设计中一般应尽量采用顺坡掘进。当前施工的TBM 隧道中,反坡施工一旦出现涌水,完全依赖于大流量排水设备,掘进停机或慢速掘进。
针对突涌水问题可从以下两个方面进行研究:
(1)提高超前地质预报技术的准确度。目前超前地质预报技术很难对水量大小、流水通道做出准确的预判,给施工决策造成很大的困难。应着力研究集成在TBM 上的长距离超前钻探设备和物探装置。2)超前堵水技术。依托超前探水预报技术和超前注浆等方法进行堵水,主动控制突涌水的发生。
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