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      全斷面巖石隧道掘進機(TBM)施工超前處置技術綜述與思考

      2021-10-18 07:56:18齊夢學楊國清曾紹毅
      隧道建設(中英文) 2021年9期
      關鍵詞:護盾導洞管棚

      齊夢學, 楊國清, 曾紹毅

      (中鐵十八局集團隧道工程有限公司, 重慶 400700)

      0 引言

      全斷面巖石隧道掘進機(TBM)在我國已經(jīng)迎來大范圍推廣應用,據(jù)不完全統(tǒng)計,目前我國大陸地區(qū)在建工程中TBM應用數(shù)量近80臺,如在建的新疆EH工程共采用20臺TBM、剛剛開工建設的川藏鐵路經(jīng)大幅縮減后計劃采用18臺TBM[1]。大量潛在工程在研究TBM法施工的可行性,如即將開工的白龍江引水工程、引江補漢工程等,都將批量采用TBM施工[2]。

      隨著TBM應用的不斷推廣,其應用區(qū)域越來越廣,獨頭連續(xù)掘進長度已經(jīng)突破20 km,隨之而來的是地質(zhì)條件呈多樣化發(fā)展趨勢,并且總量呈增多趨勢,如大斷層、破碎帶、突涌水、巖爆、軟巖大變形、巖溶、蝕變等[3]。國內(nèi)外采用TBM法施工的隧道工程,復雜地質(zhì)導致TBM施工受阻、卡機、設備損毀、工期嚴重滯后、施工成本大幅增加,甚至發(fā)生安全事故,類似案例數(shù)不勝數(shù)。例如四川省錦屏二級水電站排水洞、青海省引大濟湟工程、甘肅省引洮供水工程、陜西省引漢濟渭工程秦嶺隧洞、云南省大瑞鐵路高黎貢山隧道等,TBM施工中發(fā)生巖爆、軟巖大變形、塌方、涌突水等,導致TBM施工受阻,嚴重制約工程建設[4-9]。

      引進TBM施工技術以來,眾多專家、學者、工程技術人員開展了大量復雜地質(zhì)條件下TBM施工技術與裝備技術方面的研究工作。文獻[10-14]作為較早文獻,以綜述或針對具體工程的方式,從不同角度和深度研究了破碎帶、巖爆、突涌水、特硬巖、軟巖大變形等復雜地質(zhì)條件下的TBM施工技術;文獻[15-19]研究了斷層破碎帶TBM施工技術;文獻[20-22]研究內(nèi)容均涉及TBM施工超前地質(zhì)預報技術。很多研究成果都提出,超前處置、超前加固是復雜地質(zhì)條件下TBM施工的關鍵措施,但未見針對TBM施工超前處置技術的專題研究。TBM施工超前處置技術包含2方面: 其一是超前加固與封堵技術,研究較為廣泛、深入,所取得的成果也比較多,如掌子面超前加固、塌腔回填與超前加固、超前小導管與超前管棚加固等;其二是超前干預技術,針對極少數(shù)特殊地質(zhì)條件,如導洞法超前處置后TBM掘進或步進通過、完整硬巖人造節(jié)理提高破巖效率、強烈及以上等級巖爆超前導洞釋放應力等。本文借鑒以往研究成果,結合20余年的施工經(jīng)驗,從3個方面總結歸納10項現(xiàn)有TBM施工超前處置技術,闡述其施工方案、重點技術,分析其適用條件和特點,供廣大讀者參考,從技術和管理方面提出5點思考,作為今后的努力方向。

      1 掌子面超前處置技術

      TBM在掌子面完成破巖,當掌子面不具備自穩(wěn)能力,或者掌子面前方、上部出現(xiàn)較大規(guī)模坍塌時,往往會導致超量出渣,引發(fā)更大規(guī)模坍塌,或者刀盤被卡;當掌子面為完整堅硬圍巖時,TBM破巖效率很低。此時,需要通過掌子面超前處置技術,解決掌子面圍巖失穩(wěn)、刀盤被卡、完整硬巖破巖效率低的問題。

      1.1 刀盤清理脫困

      破碎圍巖、掌子面巖爆、軟巖等復雜地質(zhì)條件下,TBM施工存在刀盤被卡的風險。一旦刀盤被卡,確認調(diào)整掘進策略無法實現(xiàn)脫困時,首先需要判斷并嘗試清理刀盤周邊松散體、堆積體,解除圍巖及巖渣對刀盤產(chǎn)生的干涉,以期恢復刀盤正?;剞D,為繼續(xù)掘進創(chuàng)造條件。

      針對不同的卡機原因,刀盤清理分為以下2種方式,但都以人工清理為主,尚無機械化方法可用。

      1)破碎、軟弱圍巖導致的刀盤被卡,需要清理刀盤周邊松散體,必要時施作超前加固。刀盤周邊石渣清理需要全面、徹底,局部清理不足就可能無法脫困。主要清理部位如下: ①刀盤上方(即拱頂); ②刀盤與掌子面之間; ③刀盤與護盾之間; ④刀盤背部與主驅(qū)動轉接環(huán)之間; ⑤刀盤內(nèi)部及刀孔。刀盤前方清理松散巖渣見圖1。

      圖1 刀盤前方清理松散巖渣

      2)掌子面巖爆導致的刀盤被卡,通常是由于塊狀巖石卡滯,甚至損傷刀盤刀具所致,清理過程中需要破解過大石塊。破碎刀盤前方堆積的巨石,可采用風鎬、破碎錘、膨脹劑,必要時采用控制爆破技術。刀盤前方清理巖爆落石見圖2。

      (a) 掌子面巖爆

      1.2 掌子面超前注漿

      破碎圍巖、軟巖、富水洞段TBM施工過程中,有時需要對掌子面超前注漿,加固圍巖或者封堵地下水,為TBM掘進創(chuàng)造條件。針對不同工況,掌子面超前注漿主要分為以下2種。

      1)掌子面前方圍巖自穩(wěn)能力差或者無自穩(wěn)能力時,無推進空轉刀盤就會大量出渣,如果持續(xù)轉動刀盤,就會造成超量出渣引發(fā)更大規(guī)模坍塌,此時需要掌子面固結注漿。

      掌子面固結注漿需要重點控制3個方面: 一是刀盤緊貼掌子面或者松散巖體,不可大幅后退刀盤,否則會導致更大規(guī)模坍塌。二是造孔,在刀盤內(nèi)通過刀孔、刮渣鏟斗、人孔等空間采用手持式風鉆或短氣腿風鉆,施作中空玻璃纖維錨桿作為注漿管,不可使用金屬錨桿,否則恢復掘進時會損壞刀盤刀具;由于刀盤內(nèi)作業(yè)空間狹小,通常需要接桿,單根錨桿長度一般約為1 m。三是注漿,由于刀盤緊貼掌子面或松散巖體,漿液選擇以聚氨酯化學漿液為宜,僅固結圍巖而不會將刀盤和圍巖固結為一體,切忌采用水泥漿液。刀盤內(nèi)掌子面超前固結注漿示意如圖3所示。

      (a) 正視圖 (b) 側視圖

      2)富水洞段存在發(fā)生突涌水風險或者已經(jīng)突涌水時,需要掌子面注漿堵水。如果掌子面自穩(wěn)能力較好,則后退刀盤,在刀盤前方實施注漿。

      ①根據(jù)斷面、富水情況做針對性注漿設計。以山西省中部引黃工程TBM1掌子面超前注漿堵水為例,掌子面全斷面布孔,分段注漿,外圈注漿孔外插角5°,孔徑65 mm,最大孔深50 m,分段梯度5 m,見圖4。同時做好漿液配比設計、注漿工藝設計。

      圖4 掌子面堵水注漿設計示例(單位: mm)

      ②刀盤后退不小于5 m,為掌子面超前造孔、注漿創(chuàng)造作業(yè)空間,檢查圍巖穩(wěn)定性,必要時先加固圍巖,確保安全施工。

      ③選用小型造孔設備,如電動潛孔鉆機、架柱式液壓沖擊鉆機等。

      ④按先內(nèi)圈后外圈、從下至上逐孔分段鉆孔注漿。刀盤前方柱架式液壓沖擊鉆機掌子面造孔見圖5。

      圖5 刀盤前方柱架式液壓沖擊鉆機掌子面造孔

      ⑤檢查注漿效果,達到設計封堵標準后,TBM向前掘進,必要時施作第2次堵水注漿,循環(huán)作業(yè),直到安全通過富水洞段。

      如果掌子面圍巖不具備自穩(wěn)能力,則按前述方式操作,需選用堵水型聚氨酯化學漿液。由于受作業(yè)空間影響,造孔位置、范圍、深度受限,注漿效果較差。

      1.3 地表注漿

      淺埋隧道破碎、軟弱、大流量突涌水洞段TBM施工過程中,如果具備條件,可在TBM到達該復雜地質(zhì)之前實施地表注漿,改良圍巖,減小卡機風險,為TBM正常掘進創(chuàng)造條件;如果TBM已經(jīng)進入上述復雜地質(zhì)洞段,也可以地表注漿脫困。以后者為例,說明如下。

      1)護盾區(qū)域。刀盤后方沿隧道軸線方向,注漿長度不小于護盾長度;護盾上方注漿厚度不小于2 m,護盾兩側注漿厚度不小于3 m??拷o盾的1 m范圍內(nèi)灌注水玻璃-磷酸雙液漿,其余部分灌注水泥-水玻璃雙液漿。

      2)刀盤前方沿隧道軸線方向,注漿長度以超出需要處理范圍3 m以上為宜;注漿深度為洞頂以上6 m至洞底以下2 m;注漿寬度為左右分別超出開挖輪廓線3 m。刀盤前方2 m范圍內(nèi)灌注水玻璃-磷酸雙液漿,其余部分灌注水泥-水玻璃雙液漿。

      3)靠近刀盤、護盾的區(qū)域灌注水玻璃-磷酸雙液漿,具有較好的止?jié){效果,可有效保護設備;與聚氨酯化學漿液類似,可固結圍巖,但不會粘結金屬結構,防止TBM與周邊圍巖固結為一體;該漿液注入巖體后,致密且強度低,便于后續(xù)清理。

      4)根據(jù)勘測的復雜地質(zhì)確定注漿孔間距、排距以及注漿壓力。

      5)注漿完畢,經(jīng)檢查達到設計標準后,參照1.1節(jié)方法,清理刀盤周邊,恢復掘進。

      青島地鐵2號線地表注漿加固掌子面前方圍巖布孔設計見圖6。

      說明: 里程ZK35+100.55~+112.55段注漿孔排距、間距均為1.5 m,交錯布置;ZK35+080.55~+97.25段注漿孔排距、間距均為1.5 m,南北側最外2根間距為0.8 m,交錯布置;ZK35+98.75~+99.55段排距為0.8 m,間距為0.8 m;ZK35+99.55~+100.55段注漿孔排距為1.0 m,間距為0.8 m。管線影響范圍根據(jù)實際情況增加間距0.4 m注漿孔。

      為了更好地控制風險,避免工期拖延、成本增加,需盡量創(chuàng)造條件,在TBM到達復雜地質(zhì)段之前,做好地質(zhì)調(diào)查、補勘,必要時提前施作地表注漿。

      對于部分淺埋極端復雜地質(zhì),地表注漿無法可靠固結時,可采用礦山法明挖,分層開挖至隧道底部標高,施作混凝土底板,TBM步進通過,再澆筑鋼筋混凝土邊頂拱成洞,分層回填上部開挖區(qū)域。

      1.4 人造節(jié)理

      Ⅱ級及以上圍巖,節(jié)理不發(fā)育,抗壓強度高,TBM掘進貫入度小,通常不超過2 mm/r,即使TBM純掘進時間利用率較高,也難取得較高掘進效率,并且開挖成本大幅增加。根據(jù)目前的破巖機制、TBM破巖設計,無法從根本上解決此類圍巖條件下的破巖效率問題,可以采用預裂爆破技術人為制造節(jié)理,從而提高TBM掘進貫入度。

      吉林引松供水工程TBM1施工過程中開展了工業(yè)性試驗。后退刀盤,在掌子面布孔,控制爆破人造節(jié)理,相同圍巖條件下TBM掘進貫入度由1.87 mm/r提高到2.70 mm/r,掘進速度由13.06 mm/min提高到17.78 mm/min,掘進效率提高36%。

      該技術由試驗轉為實用需要解決2個問題: 一是造孔,結合設備結構以及爆破效果合理設計鉆孔孔位,TBM上合理配置超前鉆機,以便實現(xiàn)掌子面高效造孔;二是爆破,依據(jù)地質(zhì)條件開展針對性爆破設計,以便在掌子面前方開挖輪廓線內(nèi)形成適宜的人造節(jié)理,并且確保安全、操作便捷,無需刀盤大幅后退即可快速完成控制爆破作業(yè)。

      2 后置式超前處置技術

      通常情況下,TBM會配置超前鉆機,通過敞開式TBM的護盾尾部或護盾式TBM護盾上預留孔以一定的外插角斜向前方造孔,實現(xiàn)加固,通常以超前注漿為主;有時,會在護盾后方擴挖工作間施作超前管棚。上述處理方法,超前處置的入巖位置在護盾尾部或者護盾后方,距離掌子面較遠,故稱之為后置式超前處置。

      2.1 超前注漿

      超前注漿是指利用超前鉆機(或者其他造孔方式)自敞開式TBM護盾尾部(或護盾式TBM盾體預留孔)入巖,經(jīng)護盾區(qū)域向掌子面前方鉆孔后,注入水泥漿液或者化學漿液固結前方破碎巖體,達到加固圍巖和堵水的效果,注漿達到設計強度后,TBM可以繼續(xù)掘進通過(見圖7)。超前注漿多用于超前堵水、超前加固或輔助刀盤脫困。

      圖7 超前注漿

      2.2 超前小導管加固

      超前小導管加固一般用于長度較小的中等破碎圍巖,小導管與注漿相結合加固圍巖并形成一定的棚護結構,避免開挖后圍巖坍塌。通過敞開式TBM的護盾尾部或護盾式TBM護盾上預留孔以一定的外插角斜向前方造孔,安裝小導管,再注漿,通常多次搭接循環(huán)施作。

      與鉆爆法超前小導管施工相比,需要重點關注以下2方面工作:

      1)結合TBM結構特點設計布孔。布孔參數(shù)根據(jù)圍巖破碎情況及拱部塌落高度確定,超前注漿孔沿TBM護盾外開挖輪廓線呈傘形輻射狀布置,注漿孔環(huán)向布置范圍視圍巖情況而定,一般不小于頂拱120°范圍,鉆孔深度根據(jù)鉆孔能力、刀盤及護盾長度、需處置圍巖長度、計劃掘進長度等因素確定。例如: 鉆機能力為一次鉆孔深度25~30 m,盾體及刀盤長5 m,掘進長度為注漿長度的70%~80%,每段預留20%~30%作為下段注漿的止?jié){盤,超前小導管加固后可掘進長度為14~20 m。釆取單雙序交叉布管方式,鉆孔環(huán)向間距一般不大于45 cm。超前鉆機和超前小導管布孔示意分別見圖8和圖9。

      圖8 超前鉆機

      圖9 超前小導管布孔示意圖

      2)結合TBM工法特點選擇漿液。漿液需具有良好流動性和可灌性,凝膠時間可根據(jù)需要調(diào)節(jié),固化時收縮小,漿液與圍巖、混凝土、砂土等粘結力強,固結體具有高強度和良好的抗?jié)B性、穩(wěn)定性;靠近刀盤、護盾區(qū)域的漿液加固圍巖的同時,不能粘接金屬結構件;漿液無毒、低污染。

      一般在中強風化及斷層破碎帶富水或動水條件下選擇采用普通水泥-水玻璃雙液漿,或化學漿液;在砂層中選擇采用超細水泥-水玻璃雙液漿;靠近TBM結構件的區(qū)域采用聚氨酯化學漿液等。

      2.3 超前管棚加固

      在極破碎地質(zhì)條件下,圍巖總體完整性差,自穩(wěn)能力弱,超前注漿、超前小導管難以有效加固掌子面前方破碎圍巖。采用超前管棚加固方案,即在TBM護盾后方適當擴挖,形成管棚工作間,單次或循環(huán)管棚加固,必要時同時施作掌子面超前注漿,刀盤清理脫困后恢復掘進。

      與鉆爆法相比,TBM施工過程中施作超前管棚,需重點關注如下工作:

      1)管棚鉆機選型。管棚鉆機宜選擇潛孔鉆機,具有跟管功能,潛孔錘可選擇氣動潛孔錘或者液壓潛孔錘。

      2)施作管棚工作間。TBM護盾后方,原始空間不足以布設管棚鉆機,即便結構上滿足安裝條件,也會由于外插角過大而無法正常施工,無法達到預期加固效果。根據(jù)管棚鉆機工作空間需求,在護盾尾部一定范圍內(nèi)(具體尺寸依據(jù)管棚鉆機施工需求確定)擴挖拱部。

      超前管棚如圖10所示。TBM開挖直徑6.53 m,護盾尾部管棚工作間擴挖尺寸按照超前管棚外插角3°計算,擴挖后隧道內(nèi)輪廓距護盾外輪廓約30 cm。擴挖后的上半斷面鋼拱架與未擴挖的下半斷面鋼拱架采用型鋼連接,并施作混凝土擴大基礎,上部拱架伸入混凝土至少30 cm;下半斷面鋼拱架分別以不少于2根錨桿錨固,上半斷面擴挖后的鋼拱架采用鎖腳錨桿固定;系統(tǒng)錨桿設置范圍為拱頂180°,布設自進式中空注漿錨桿,錨桿間排距為1 m,擴挖后的鋼拱架采用槽鋼縱向連接,間距為0.5 m。

      圖10 超前管棚(單位: mm)

      3)止?jié){作業(yè)。為在刀盤前上方及盾體上方形成巖體固結圈,避免注漿時漿液流至刀盤、護盾處固結鋼結構,擴挖完成后沿護盾尾部布設自進式中空注漿錨桿,范圍為拱頂180°,對護盾及刀盤上部圍巖進行化學灌漿固結;同時在刀盤內(nèi)按前述方法在掌子面超前注漿固結圍巖。

      3 導洞法超前處置技術

      3.1 小導洞法

      在極破碎地質(zhì)條件下,影響長度較小,刀盤或護盾易出現(xiàn)被卡的洞段,具備條件的可采用小導洞法處置前方圍巖,提升圍巖穩(wěn)定性,為TBM掘進創(chuàng)造條件;條件不足的則采用礦山法開挖支護后TBM步進通過。

      從TBM護盾后方相對穩(wěn)定巖體中開挖縱向小導洞(見圖11),作為施工通道,以礦山法處置前方復雜地質(zhì)。小導洞法有以下2種處置方式:

      (a) (b)

      1)小導洞到達掌子面,開挖橫向?qū)Ф醋鳛楣芘锕ぷ鏖g,向刀盤前方施作超前管棚,開挖輪廓線及其下部和兩側注漿加固,然后TBM掘進;或以礦山法部分斷面開挖支護后TBM掘進通過;或以礦山法全斷面開挖支護后TBM步進通過,如圖12所示。

      圖12 小導洞前向管棚法超前處置(單位: mm)

      2)小導洞到達掌子面,繼續(xù)向前開挖適當長度后,施作橫向?qū)Ф床⒆鳛楣芘锕ぷ鏖g,反向施作大管棚并注漿加固破碎圍巖,再按與上述類似的方法通過,如圖13所示。

      圖13 小導洞反向管棚法超前處置

      3.2 迂回導洞法

      當斷層破碎帶等復雜地質(zhì)規(guī)模較大,采用注漿加固和小導洞方案TBM仍無法順利脫困時,可采用迂回導洞法繞行至刀盤前方,以迂回導洞作為施工通道,上半斷面或者全斷面采用礦山法施工前方洞段,然后TBM掘進或步進通過。掌子面前方復雜地質(zhì)洞段礦山法處置方式與小導洞法類似,需要結合復雜地質(zhì)、施工環(huán)境等因素綜合研究確定。迂回導洞法超前處置如圖14所示。

      圖14 迂回導洞法超前處置

      迂回導洞設計,需要重點關注以下3個方面。

      1)迂回導洞開口位置選擇。根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)空間、運輸條件等因素選擇開口位置,單洞施工時可選部位有3處: TBM護盾尾部、連接橋區(qū)域和后配套尾部。同時,迂回導洞布置還應充分考慮斷層破碎帶附近橫通道、平導與主洞之間的位置關系,盡量減少迂回導洞開挖工程量及對設備的干擾。

      雙線隧道互為導洞,TBM施工進度滯后的隧道遭遇需要采用迂回導洞法超前處置時,可利用進度超前的隧道施工橫通道進入需要超前處置洞段,減少迂回導洞開挖。

      2)迂回導洞斷面設計。迂回導洞斷面多選擇城門洞型,導洞洞口可布置在護盾尾部,通常處理長度不大,受TBM空間影響,導洞斷面不宜過大,滿足小型機械或人工開挖施工需求即可,比如4 m×4.5 m(寬×高),如圖15所示。導洞洞口也可布置在后配套尾部,但超前處理的長度比較大,按常規(guī)礦山法滿足有軌運輸施工的斷面即可。

      圖15 迂回導洞橫斷面(單位: mm)

      3)迂回導洞法處置工期長達數(shù)月,導致TBM長時間停機,需要針對性做好TBM維護保養(yǎng)工作。

      迂回導洞法超前處置方案,工期長、造價高,非必要時不建議采用。

      3.3 超前導洞應力釋放法

      強烈及以上巖爆洞段,巖爆風險高、危害大,嚴重威脅TBM施工人員及設備安全,工期及成本可控性差,需要合理釋放應力,盡量減小巖爆等級。目前的TBM設備技術與施工技術,尚不具備依靠TBM設備實現(xiàn)超前應力釋放功能,必要時可以創(chuàng)造條件,在掌子面前方以礦山法開挖導洞釋放高地應力,剩余斷面TBM掘進通過。

      1)導洞位置選擇。應力釋放導洞根據(jù)位置不同通??煞譃橹袑Ф春蜕蠈Ф?種。錦屏二級電站引水洞TBM開挖直徑12.43 m,采用上導洞釋放應力,如圖16所示。

      圖16 應力釋放導洞橫斷面(單位: cm)

      2)TBM掘進控制。TBM掘進通過應力釋放導洞如圖17所示。剩余斷面TBM掘進過程中,導洞區(qū)域滾刀空載,進入巖體時發(fā)生荷載突變,部分滾刀頻繁承受沖擊荷載,增加了滾刀異常損壞風險;導洞加劇了刀盤偏載受力,長時間大推力掘進會損傷刀盤和主軸承。因此,需要嚴格控制推力、轉速、貫入度等掘進參數(shù),并加強TBM狀態(tài)監(jiān)測工作,加強刀盤刀具檢查與維護保養(yǎng)工作。詳情可參見《極強巖爆洞段TBM導洞擴挖法施工技術研究與應用》[23]等文獻。

      圖17 TBM掘進通過應力釋放導洞

      4 TBM施工超前處置技術的適用范圍和特點

      綜上所述,3個方面10項超前處置技術均來源于工程實踐,是對當前復雜地質(zhì)條件下TBM施工超前處置技術的全面歸納與總結,其適用范圍和特點見表1。

      表1 TBM施工超前處置技術

      5 關于TBM施工超前處置的思考

      超前處置可以有效解決復雜地質(zhì)條件下TBM卡機、施工效率低的問題,但投入大、風險高,通常占用直線工期。為了整體提升TBM施工效率、降低施工風險、控制施工成本,繼續(xù)深入研究超前處置技術的同時,需投入更多的資源,提高TBM的工程適應性,充分發(fā)揮TBM的優(yōu)勢,建立更加科學的工程管理和決策理念,努力減少TBM施工超前處置的幾率,促進隧道施工水平的整體提升。

      5.1 減少TBM在不適宜地質(zhì)洞段施工占比

      TBM在適宜的地質(zhì)條件下施工可持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn),具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益;TBM在適應性較差的復雜地質(zhì)條件下,施工安全、進度、經(jīng)濟效益都會受到嚴重制約,甚至造成長時間停機,即便采取輔助措施,其綜合進度也很低。如西北某輸水隧洞,在不適合采用TBM法施工的嚴重破碎圍巖洞段,近1年平均日進尺0.1 m,工期嚴重滯后,施工實際投入資金大幅超過概算。

      除非環(huán)境不允許,要盡量在具有較好適應性的地質(zhì)條件下采用TBM施工,這就要求隧道施工工法選擇時務必慎重。而工法選擇的關鍵依據(jù)之一是地質(zhì)勘查成果,因此,需加強前期地勘工作,提高地勘成果的準確性,為隧道設計和施工工法比選奠定良好的地質(zhì)基礎,條件允許時盡量避免TBM在長距離、大段落不適宜的地質(zhì)條件下施工。

      5.2 提高TBM工法地質(zhì)適應性

      雖然在工法選擇時,盡量規(guī)避TBM在不適宜的地質(zhì)條件下施工,然而隨著TBM的不斷推廣,連續(xù)掘進長度不斷增大,TBM施工過程中復雜地質(zhì)條件是不可避免的。因此,仍需持續(xù)加大技術研發(fā)力度,努力提高TBM設備應對復雜地質(zhì)條件的功能和性能,提高輔助措施的可靠性、有效性、便捷性,為TBM更好地建設隧道創(chuàng)造條件。

      豐富TBM設備功能,提高應對復雜地質(zhì)的性能。業(yè)內(nèi)始終在持續(xù)開展相關研究,如雙模式、復合式TBM研究與應用等,都是有益嘗試。目前尚無“地質(zhì)全天候”適應的TBM設備,因而研究實施必要的輔助措施,是目前減少復雜地質(zhì)條件下TBM卡機、長時間停機的有效手段。

      《一種敞開式TBM超前支護加固系統(tǒng)》[24]為前置式超前加固技術,在西北某輸水隧洞TBM施工實踐中形成思路,在樂西高速大涼山一號隧道已經(jīng)開始現(xiàn)場試驗;《一種用于隧道掘進機的高壓水輔助破巖系統(tǒng)及施工方法》[25]已經(jīng)在福建龍巖嘗試應用。諸如此類都是很好的研究方向,應予以鼓勵和支持,充分調(diào)動相關單位、人員的積極性,努力研發(fā)新技術,創(chuàng)造機會開展工業(yè)性試驗。只有在實踐中才能更深入、更全面地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題,增強TBM在復雜地質(zhì)條件下的應對能力,提高TBM的工程適應性。

      5.3 提高超前地質(zhì)預報準確性和及時性

      準確掌握前方地質(zhì)條件是正確決策下一步TBM施工組織的關鍵依據(jù)。目前,超前預報由于準確性有待提高、預報結果不及時,現(xiàn)場采信度不高,通常都是遇到地質(zhì)問題,TBM被困無法繼續(xù)正常施工時才施作超前地質(zhì)預報,不得已的情況下實施超前處置,處理難度和代價比較大。應進一步提升超前地質(zhì)預報的準確性和及時性,一是加大科研攻關力度,從技術上進一步提升;二是將其納入工序管理,及時與現(xiàn)場實際揭露地質(zhì)對照分析,不斷修正,長期積累,逐步提升,為施工決策及時提供越來越準確的地質(zhì)依據(jù);三是工程管理方面,將其納入工程量清單,按量計價,前期強制推廣,取得實效后,引導現(xiàn)場主動施作。

      5.4 動態(tài)設計,合理決策

      深埋地下的地質(zhì)條件千變?nèi)f化,限于當前地質(zhì)勘察水平,無法清晰、準確掌握所有的復雜地質(zhì),因而需要在TBM施工過程中,根據(jù)實際揭露和超前地質(zhì)預報成果,及時修正隧道施工圖設計;同時,隨著技術進步,參建各方及科研院所在實踐中不斷探索,可能會發(fā)明新的技術、工藝,也需要及時將其納入施工體系,為工程建設服務。川藏鐵路已經(jīng)明確采用動態(tài)設計方法,這是隧道建設的一大進步,具有很好的示范作用。

      受制于當前TBM設備及施工技術發(fā)展水平,復雜地質(zhì)條件下TBM施工風險、工期、成本均存在較大的不可預見性。需在動態(tài)設計理念的指導下,摒棄行政決策為主導的決策思想,以技術為基礎,綜合隧道建設管理其他需求科學決策,實事求是合理控制工期和投資。

      5.5 健全管理體系,指導TBM科學施工

      嚴格參照規(guī)范、標準等文件實施隧道(洞)設計與施工,是工程順利實施的重要保障。目前TBM法隧道施工的相關規(guī)范尚未形成健全的體系,在一定程度上制約了其發(fā)展;相關強制性、指導性文件都是基于已完工程編制的。技術進步不會停止,新技術會不斷被推廣,現(xiàn)有管理體系無法包含的新技術、新工藝、新方法、新裝備會不斷涌現(xiàn),需要及時修正和補充。建立健全適應TBM施工特點的隧道設計、施工規(guī)范、標準和定額等管理體系,使其與時俱進,更好地發(fā)揮規(guī)范管理、正確指導隧道建設的作用,促進TBM施工技術科學發(fā)展。

      6 結論與討論

      1)適宜的地質(zhì)條件下,TBM可以持續(xù)、均衡、快速施工,實現(xiàn)長期穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn);適應性差的復雜地質(zhì)、極端惡劣地質(zhì)條件下,超前處置技術是實現(xiàn)TBM持續(xù)、穩(wěn)步施工,盡量避免卡機和長時間停機的最佳途徑。

      2)進一步研究超前處置技術,充分利用增強后的TBM自身功能與性能,有效減少輔助工作量,提高超前處置的安全性、可靠性與及時性;同時創(chuàng)造條件,盡量避免和減少TBM在適應性差、不適宜洞段施工,減少超前處置技術的應用幾率。

      3)進一步提高超前地質(zhì)預報的準確性和及時性,為TBM施工策略選擇提供更加可靠的依據(jù);動態(tài)設計、合理決策,建立健全TBM施工相關的管理體系,促進TBM施工更加科學、健康發(fā)展,提升隧道施工技術水平。

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