CN106761790A - 一种敞开式tbm过全断面炭质板岩掘进及支护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，针对设计提供的地质剖面图对附近有低阻异常带、断层等进行超前地质预报，探清前方地质情况。在掘进过程中根据掘进参数的变化、出碴的大小对前方围岩情况进行辅助预判，围岩出护盾后根据实际揭露的围岩情况进行加强支护，采用拱架、钢筋排、锚杆、钢筋网、喷射混凝土等进行联合支护，在塌腔处回填混凝土，初喷后进行回填灌浆，使初期支护安全稳固，同时初支后加强监控量测，使TBM能够安全顺利进行掘进。其主要流程有：超前地质预报→TBM掘进→支护施工(钢筋排、钢筋网安装→拱架安装→锚杆安装→喷砼支护→回填混凝土及注浆)→监控量测→施工结束。

Description

一种敞开式TBM过全断面炭质板岩掘进及支护方法

技术领域

本发明涉及一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法。涉及隧道超前地质预报、TBM掘进中的控制、支护施工、注浆、监控量测以及质量控制和安全措施。

背景技术

随着经济的不断发展，科学技术的不断进步，隧道、煤矿、水利等地下工程不断发展，开敞式TBM的使用越来越普及，隧道施工过程中，常常会遇到复杂的地质条件，当遇到不仅有花岗岩、闪长岩等硬岩地层，同时也有很长一段距离的灰岩岩溶地层以及炭质板岩地层时。由于黝黑色的炭质板岩，围岩较为软弱且基本无强度，受力会变成粉末状，遇水泥化容易糊刀盘，堵刀孔，且顶部伴有塌腔、掉块严重，出渣困难，会造成刀盘扭矩过载无法掘进；在转接皮带处打滑，无法顺利出渣，造成场地泥泞；隧洞底部软化，刀盘载头等问题。这些问题，会给TBM掘进带来很大的影响，甚至威胁到施工人员及TBM的安全。因此为了解决了炭质板岩段敞开式TBM掘进安全施工风险大的难题，有必要发明一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，以满足工程应用。

针对实现TBM快速安全通过碳制板岩等复杂地质段的要求，研制一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，面临以下难题。

(1)隧道施工过程中，地质条件较为复杂，掘进过程中，一旦遇到不良地质条件极易引发突水突泥、塌方等地质灾害，造成人员伤亡、经济损失以及环境破坏，因此为防止在施工期地质灾害的发生，如何准确探明隧道前方的地质条件，以便做好充足的准备，减少不必要的损失。

(2)TBM掘进过程中掘进方向、姿态以及掘进参数是十分重要的，如何在掘进时确保掘进方向的有效控制，以及及时调整掘进参数，使得TBM始终顺利安全的掘进。

(3)隧道施工过程中，TBM不断向前掘进，围岩情况会不断发生变化，如何根据围岩情况的不同选择合适的支护方法。

(4)注浆是隧道施工过程中十分重要的一环，如何根据不同的地质条件选择合适的注浆方法。

(5)周边位移过大，拱顶下沉过大都会带来极大的施工安全隐患，如何根据围岩级别、隧道掌子面开挖方法等因素来选择合适的监控量测方法

(6)不合格的施工质量会导致人员伤亡，经济损失，造成十分严重的后果如何做好质量控制，使其达到施工要求，保证TBM安全快速的掘进。

(7)隧道施工空间较狭窄，且TBM占据了大部分空间，TBM掘进过程中，运输、设备挤压、吊装安装、初支施工、注浆。用电、动火作业都会带来一定的安全威胁，如何通过一定的安全措施确保施工过程中的安全。

(8)施工过程中出碴车产生的扬尘、泥浆、污水以及生产混凝土产出的污水，生活污水、垃圾等，如何通过一定的环保措施减少环境污染以及节约能源。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述难题，提供一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，主要包括超前地质预报→TBM掘进→支护施工(钢筋网、钢筋排安装→拱架安装→锚杆安装→喷砼支护→回填混凝土及注浆)→监控量测。实现TBM快速安全通过碳制板岩等复杂地质段的要求，从而使得TBM安全快速的通过长距离灰岩地层段，进而提高施工效率，提升项目盈利空间。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，包括，

步骤1：对全断面炭质板岩的地质进行超前预报；

步骤2：采用TBM对全断面炭质板岩进行掘进；

步骤3：对掘进后的围岩进行支护，具体的支护方法是：

在围岩上支护钢筋网，同时将提前预制的钢筋排安装在掘进机的护盾凹槽中；且钢筋排的一端与钢拱架焊接牢固；随着TBM向前掘进，钢筋排逐步抽出，使围岩一出掘进机的护盾就能及时得到支护，然后架设钢拱架，利用锚杆对钢拱架进一步进行固定，在塌腔处回填混凝土，初喷后进行回填灌浆；

步骤4：对围岩的周边位移、拱顶下沉进行监控量测。

进一步的，所述的步骤2中TBM掘进时护盾后发生坍塌、断层破碎带、溶洞充填物坍塌：如果坍塌没有规定值时，仍继续推进直到能立拱的尺寸，停止掘进，进行支护；如果坍塌超过规定值时，应立即停机进行支护，待支护完成后，方可掘进。

进一步的，所述钢拱架施工步骤如下：

步骤(a)当围岩出露护盾后观察围岩发育情况，若顶部出现坍塌掉块，先将顶部掉块处理完毕后在进行下部施工，确保现场安全施工；

步骤(b)利用TBM拱架安装环进行拱架拼装，每榀钢架由一定节数的成型工字钢组成，各节采用螺栓连接；

步骤(c)利用钢拱架安装***把拼装完整的拱架托出安装环并调整其立设间距后再由液压支撑***撑紧于岩面并尽量控制与隧道中线垂直，控制其施工误差，确保拱架与围岩紧贴；

步骤(d)安装调整到位后，拧紧各节点螺栓，当连接板间接缝较大时，要对接缝处夹入钢板或短钢筋加焊，并把底部可调节接头螺栓拧紧、夹板焊死；拱架间采用螺纹钢连接，环向间距为一定长度且焊接牢固。

步骤(e)安装完毕后，采用弯“L”型锁脚锚杆对拱架进行加固固定，并检查各节拱架连接螺栓紧固牢固，确保拱架质量。

进一步的，所述钢筋网的施工步骤，如下：

所述钢筋网根据设计支护参数的要求，在相应的围岩地段安装；用冲击钻打眼，将Φ8盘条短钉钉入岩面，然后将外露部分敲弯，起到所述钢筋网支撑点作用；

所述钢筋网与相邻所述Φ22或Φ25锚杆(或所述钢架)连接牢固，两组网片之间搭接长度为1～2个网格。

进一步的，所述喷射混凝土施工步骤如下：

喷混凝土支护由TBM自带的喷射***完成，混凝土在洞外拌合站生产，采取有轨混凝土运输罐车运送至洞内；TBM自带的所述喷混凝土***中输送泵分别位于指定位置拖车，与喷浆桥具有不同的间距；喷射机械手在喷混凝土区域纵向和环向移动，完成设计所要求的喷混凝土作业。

进一步的，若岩面地下水较多，首先对其进行封堵、接排水管或在岩面上凿沟进行引水；用高压水自上而下冲洗基岩表面并使岩石表面接近饱和状态；剥落部分，然后再用喷射混凝土喷护填平。

进一步的，若遇软弱破碎围岩，需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩，此时将利用备用小型干喷机进行初喷封闭作业；待该段进入喷浆桥后，再采用机械喷射方式复喷至设计厚度。

进一步的，所述支护参数选择步骤如下：

根据围岩出露护盾情况，进行说明：

(1)围岩出护盾后，拱顶大范围掉块，围岩稳定性非常差，存在塌方风险。在此类情况下，首先根据设计参数，采用钢拱架、锚网、钢筋排进行联合支护，在掉块及钢筋排受力挤压变形处，使用工字钢纵连拱架进行加固。

(2)围岩出护盾后，在撑靴部位有炭质板岩、粘土岩或塌腔。在此类情况下，围岩强度无法满足撑靴压力，需***进行处理：

(3)隧道底部为炭质板岩或粘土；在此类情况下，加强排水，底部铺设干硬性砼，并将底部两侧拱架连接筋替换成型钢纵联。

进一步的，所述顶部较大塌腔处理：

停止掘进；清理塌落体后，依据设计参数及时安装钢拱架，拱架间采用工字钢连接为防止坍腔内的围岩进一步垮塌，采用型钢支撑加固围岩，型钢落脚于钢拱架上；同时利用应急***机对坍塌处进行喷射混凝土封闭处理，减少岩石暴露时间以及时形成支护体系。为减少后续变形，利用应急***机对支护***钢支撑进行封闭回填处理。

进一步的，步骤4的测点布置方法如下：

对周边位移、拱顶下沉的监控量测主要是根据围岩级别、隧道掌子面开挖方法因素来确定布置测点的数量和测线的数量；对拱顶溶洞较大、塌腔较大地段要加密进行布设监控量测点；拱顶下沉的测量是在拱顶的每个断面布置几个测点，测点放在拱顶中心或其附近。

本发明的有益效果：

(1)采用激发极化、TRT、地质钻孔等多种预报方式探清前方地质，对于灰岩地层中炭质板岩段掘进，通过超前地质预报准确判断掌子面前方围岩情况，从而确保施工安全。

(2)掘进过程中根据围岩情况、TBM姿态等等控制掘进参数，从而确保TBM始终安全高效的掘进。

(3)出护盾后根据围岩情况动态进行初期支护，初期支护紧接着进行回填灌浆，降低了TBM掘进过程中的栽头、卡机施工风险，也降低了初支变形、拱顶坍塌等安全风险，为以后类似的不良地质施工提供了宝贵经验；并实现了敞开式TBM在灰岩地层中长距离掘进的可能，填补了国内施工的空白，有明显的社会效益和经济效益。

(4)根据不同的地质条件选择合适的注浆方法。保证注浆的稳定性，确保施工安全高效。

(5)根据围岩级别、隧道掌子面开挖方法等因素来选择合适的监控量测方法，以防止出现周边位移过大，拱顶下沉过大等所带来的的施工安全隐患

(6)严格做好质量控制，使其达到施工要求，保证TBM安全快速的掘进。

(7)通过一定的安全措施确保施工过程中的安全。以避免TBM掘进过程中，运输、设备挤压、吊装安装、初支施工、注浆。用电、动火作业所带来的安全威胁。

(8)通过一定的环保措施使得施工过程中出碴车产生的扬尘、泥浆、污水以及生产混凝土产出的污水，生活污水、垃圾等回收利用，减少环境污染以及节约能源。

附图说明

图1是施工流程图。

图2是隧道坍塌处理主视图；

图3是隧道坍塌处理侧视图；

图4是周边位移、拱顶下沉量测测点布置示意图；

图中：1 护盾，2 刀盘，3 钢拱架，4 混凝土，5 型钢，6 塌腔，7 注浆导管，8、9 收敛变形及拱顶下沉量测线，10、11 周边位移测线。

具体实施方式

如图1所示，为本发明公开的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，具体的工艺流程包括，超前地质预报→TBM掘进→支护施工(钢筋网、钢筋排安装→拱架安装→锚杆安装→喷砼支护→回填混凝土4及注浆)→监控量测。

具体的步骤如下：

步骤一：所述超前地质预报根据预报距离长短主要采取TRT以及激发极化两种方式可同时进行。TRT是隧道地震波反射层析成像技术的简称。通过分析，被用来了解隧道工作面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、含水等)、位置及规模。激发极化法是电法勘探的一个重要分支，通过对激发极化法中极化率、电阻率以及半衰时之差等参数进行分析和反演，可以得到掌子面前方岩体的电阻率、极化率结构，为进行超前地质预报提供重要的参考。为进行所述超前地质预报提供重要的参考。

步骤二：所述TBM掘进过程中，为确保掘进方向的有效控制，TBM主司机必须根据PPS导向***显示的主机位置数据实时进行调向作业：主司机通过操作撑靴、后支撑按钮控制各油缸的一系列动作，完成主机的掘进方向、高程相对于隧道设计中线偏差和主机滚动值的调整，使TBM掘进方向、隧道中线满足水平偏差以及垂直偏差的设计要求。具体实施方式如下：

(1)在掘进过程中主要进行TBM的中线控制，当掘进一个循环完成后，在进行换步作业时，对主机的倾斜和滚动值进行调整控制，纠正偏差。

(2)当TBM出现下俯时，通过调整上下油缸,增大主机的坡度,反之,则减小主机坡度。

(3)水平方向纠偏主要是在通过调节水平撑靴的油缸伸缩量进行调整。根据掌子面地质情况应及时调整掘进参数，防止TBM突然“低头”。

(4)方向纠偏时应缓慢进行，如修正过程过急，会对设备产生不利影响。

所述TBM掘进时对于刀盘2转速的调整方法：在软弱围岩中，依据上一个掘进循环的掘进参数，若刀盘推进力较大时，而且皮带上的岩碴均匀，大块较少，可采用高速掘进。若上一个循环的刀盘推力较小，且岩碴不均匀，大块较多，宜采用低速掘进。

所述TBM掘进时对于撑靴压力的大小取决于洞壁岩石的完整性及饱和抗压强度。掘进中，若撑靴压力变化，应及时补压。若压力持续减小，则应停机检查处理。

所述TBM掘进时刀盘掌子面坍塌、溶洞、溶蚀裂隙发育时：会在监视器屏幕上看到皮带机上的岩碴有很多大块，并且皮带机上的岩碴突增，皮带机压力指示明显升高，必须立即停止TBM推进，继续转动刀盘和皮带机，防止皮带机被卡或拉伤。如果碴量仍不能下降，应立即使刀盘后退3～5cm，严重时继续后退刀盘，直到上述参数恢复正常，方可恢复TBM推进。

所述TBM掘进时护盾1后发生坍塌、断层破碎带、溶洞充填物坍塌：如果坍塌不严重时，仍继续推进直到能立拱的尺寸，停止掘进，进行支护。如果坍塌严重时，应立即停机进行支护，待支护完成后，方可掘进。

步骤三：当围岩较破碎，安装钢筋网后仍有石块、溶洞充填物掉落且围岩仍不稳定的情况下，可采用所述钢筋排与所述钢拱架3、所述喷射混凝土联合支护；

所述钢筋排提前在洞外加工，分别采用合适的螺纹钢加工成两种类型所述钢筋排，所述钢筋排适用于Ⅳ类和Ⅴ类围岩，并根据现场实际围岩破碎情况决定采用哪一种螺纹钢。

所述钢筋排通过材料运输车运输到洞内，再通过设备桥处的吊机将所述钢筋排吊到上部平台，然后人工将所述钢筋排安装在护盾上的空槽中。

当围岩不稳定时，将所述钢筋排一端与所述钢拱架3焊接牢固，随着TBM向前掘进，所述钢筋排逐步抽出，使围岩一出护盾及时得到支护，并及时架设所述钢拱架3，所述喷射混凝土进行封闭；所述钢筋排之间采用单面焊接的形式，搭接一定长度且搭接处均与所述钢拱架3焊接牢。

所述钢拱架施工步骤如下：

(1)洞内凿帮、除危

当围岩出露护盾后观察围岩发育情况，若顶部出现坍塌掉块，先将顶部掉块处理完毕后在进行下部施工，确保现场安全施工。

(2)拼装所述钢拱架

利用TBM拱架安装环进行拱架拼装，每榀钢架由一定节数的成型工字钢组成，各节采用螺栓连接。

(3)钢拱架调整

利用所述钢拱架安装***把拼装完整的拱架托出安装环由人工调整其立设间距后再由液压支撑***撑紧于岩面并尽量控制与隧道中线垂直，控制其施工误差，确保拱架与围岩紧贴，特殊情况钢架与岩面的间隙需满足施工要求，有间隙处必须采用木楔或钢板沿架外缘每隔一定长度与围岩顶紧。

(4)所述钢拱架固定

安装调整到位后，拧紧各节点螺栓，当连接板间接缝较大时，要对接缝处夹入钢板或短钢筋加焊，并把底部可调节接头螺栓拧紧、夹板焊死；拱架间采用螺纹钢连接，环向间距为一定长度且焊接牢固。

(5)加固钢拱架

安装完毕后，采用弯“L”型锁脚锚杆对拱架进行加固固定，并检查各节拱架连接螺栓紧固牢固，确保拱架质量。

所述锚杆施工步骤如下：

施工顺序：钻孔→清孔→安装所述锚杆→进行下一个循环。

所述锚杆施工过程中的注意事项：

(1)所述锚杆孔应圆直，钻孔方向宜尽量与岩层主要结构面垂直，特别是拱部锚杆钻孔方向。

(2)所述锚杆安设后不得随意敲击，其端部一段时间内不得悬挂重物。

(3)所述锚杆施工时必须按设计及规范要求预留出拉拔试验锚杆。

所述钢筋网片施工步骤如下：

所述钢筋网施工根据设计支护参数的要求，在相应的围岩地段安装。所述钢筋网在洞外预制加工成两种不同的类型；

人工用冲击钻打眼，将Φ8盘条短钉钉入岩面，然后将外露部分敲弯，起到所述钢筋网支撑点作用；

所述钢筋网与所述相邻Φ22Φ25锚杆(或所述钢架)连接牢固，两组网片之间搭接长度为1～2个网格。

所述喷射混凝土施工步骤如下：

所述喷混凝土支护由TBM自带的喷射***完成，混凝土在洞外拌合站生产，采取有轨混凝土运输罐车运送至洞内。

TBM自带的所述喷混凝土***中输送泵分别位于指定位置拖车，与喷浆桥具有不同的间距；喷射机械手可以在喷混凝土区域纵向和环向移动，操作人员通过操作控制手柄完成设计所要求的喷混凝土作业。

岩面处理：若岩面地下水较多，首先对其进行封堵、接排水管或在岩面上凿沟进行引水；用高压水自上而下冲洗基岩表面并使岩石表面接近饱和状态；剥落部分，用喷射混凝土喷护填平。

若遇软弱破碎围岩，需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩，此时将利用备用小型干喷机进行初喷封闭作业；待该段进入喷浆桥后，再采用机械喷射方式复喷至设计厚度。

喷射混凝土过程中存在渗漏水的处理措施：

(1)若存在滴渗水，喷射混凝土采取围点的方式进行喷射；

(2)若存在大面积淋水，喷射混凝土采取挡遮、引排等措施进行喷射；

(3)若存在股状流水，采用波纹管沿边墙将水引排到隧洞底部，保证喷砼质量。

所述支护参数选择步骤如下：

根据围岩出露护盾情况，现分以下几种情况进行说明：

(1)围岩出护盾后，拱顶大范围掉块，围岩稳定性非常差，存在塌方风险。在此类情况下，我们首先根据设计参数，采用钢拱架、锚网、钢筋排进行联合支护，在掉块及钢筋排受力挤压变形处，使用合适的工字钢纵连拱架进行加固。

(2)围岩出护盾后，在撑靴部位有炭质板岩、粘土岩或塌腔6。在此类情况下，围岩强度无法满足撑靴压力，需***进行处理：

①在***前，施工人员先将撑靴部位的碎渣夹泥等清除干净；

②在撑靴部位挂网片，使其与拱架相连，在塌腔处将钢筋网片卷叠后塞入；

③***时自下而上进行作业，***时需包裹拱架；

④***后当班人员及时清理回弹料；

⑤由试验室确定配合比数据及等强时间；

(3)隧道底部为炭质板岩或粘土。在此类情况下，加强排水，底部铺设干硬性砼，并将底部两侧拱架连接筋替换成型钢5纵联。

①调小轨枕间距，加密轨枕，并选择合适的轨枕间距；

②在铺干硬性砼时，用沙袋等物体两头截流后清除隧道底部虚渣杂物等；

③干硬性砼标高与中心轨线轨枕齐高，由测量放线定点，现场严格控制；

所述顶部较大塌腔6处理：

停止掘进；清理塌落体后，依据设计参数及时安装钢拱架，拱架间采用合适的工字钢连接为防止坍腔内的围岩进一步垮塌，可采用型钢支撑加固围岩，型钢落脚于钢拱架上；同时利用应急***机对坍塌处进行喷射混凝土封闭处理，减少岩石暴露时间以及时形成支护体系。为减少后续变形，利用应急***机对支护***钢支撑进行封闭回填处理。

为保证对塌腔内的回填密实，可在拱架背后铺设一定厚度铁皮封闭坍腔，同时从浅到深埋设注浆管7，梅花形布置；然后再利用应急干喷***封闭整个支护面，至拱架全覆盖，初支达到一定强度后进行注浆回填密实坍腔，同时复喷砼至设计厚度。

所述刀盘清理步骤如下:

(1)出露炭质板岩后必须对刀盘进行一次全面清理，检查刀具的使用情况，对磨损刀具提前进行更换；

(2)除立拱及保养时间之外，在掘进过程中扭矩急剧增大且进尺极小时，需要清理刀盘，每次清理必须保证清理出两个刮渣口。

所述注浆施工步骤如下

(1)连接注浆管路

利用注浆管7与小导管套丝连接，注浆管上准备有出气管与进浆管，由阀门来控制开关。然后安装塑料管作为排气管，连接注浆管等各种管路，利用锚固剂、棉纱封闭喷砼面的孔隙，防止漏浆；管路连接好后必须进行压浆试验，以检查和确定注浆设备、压力表及管路的有效性和可靠性。

(2)注浆

采用全段式注浆，注浆泵向孔内注浆，注浆前将已打设的注浆孔进行临时封堵，防止注浆时串浆，同时保证注浆时压力，先注底部注浆孔，间隔注浆，注浆压力逐步升高，当达到设计终压并继续注浆一定时间后停止注浆；注浆过程中随时检查孔口、邻孔、初支面部位有无串浆、漏浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆或采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。注浆过程中压力如突然升高，可能发生堵管，应停机检查。

(3)注浆结束标准

采取低压力、中流量注入，注浆过程中压力逐步上升，流量逐渐减少，当压力升由初始压力升至注浆终压时，继续压注一定时间且压力无变化，注浆结束；过程中如果一直无压力，则停歇一定时间后继续注浆，反复试验至有压。

(4)封孔

采用止浆阀封孔，止浆阀与注浆管连接，单孔注浆完成后关闭止浆阀，待浆液凝固后拆除止浆阀，用水泥砂浆充填注浆管。

(5)换孔注浆

达到单孔注浆效果后换孔，先停机，关掉高压球阀再泄压后方可换孔。

步骤四：监控量测

(1)测点布置

对周边位移、拱顶下沉的监控量测主要是根据围岩级别、隧道掌子面开挖方法等因素来确定布置测点的数量和测线的数量；对拱顶溶洞较大、塌腔较大地段要加密进行布设监控量测点，拱顶下沉：每个断面布置几个测点，测点放在拱顶中心或其附近。

(2)对埋设测桩的要求

各点测桩应埋设在同一里程横断面内。

各测点尽可能靠近工作面埋设，收敛变形及拱顶下沉量测线8、9和周边位移测线10、11具体的如图4所示；

初始读数应在围岩出露后一定时间内读数，而且在下一次循环开挖前，必须完成初期变形值读数。

拱顶下沉量测与净空水平收敛量测在同一断面内进行，采用全站仪测定下沉量。当地质条件复杂，下沉量或偏压明显时，除量测拱顶下沉外，尚应量测拱腰下沉及基底***量。

测点的保护要求监控量测元件埋好后做好相应标识，以减少施工过程中的破坏。对一些在特殊地段(围岩差、位移速度快)损坏的监控量测点，要及时重新埋设，并加大量测频率。

步骤五：质量控制

初支、注浆效果检查

(1)初支效果检查

为了达到初支稳定的效果，通过混凝土强度检验、锚杆拉拔试验等进行检验，检查初支的强度及质量，同时初支后进行监控量测，保证初支稳固。

(2)注浆效果检查

通过对注浆效果进行检查，对注浆施工做以评价，这样可以进一步确定注浆材料及其配合比，同时为下一步施工提供依据和保障。

1、对注浆加固区进行钻孔取芯，观察注浆充填情况。

2、导管注浆后再打无孔管作为检查管，检查注浆质量。有水地层可观察无孔管孔内涌水颜色及涌水量，水颜色如较澄清或夹带水泥渣块，则注浆效果较好，如涌水为泥浆颜色或涌水量较大时，将继续注浆。

测量

施工测量是工程施工的重要组成，测量作业将严格按照规范进行。

技术交底

根据地质纵剖面图提前编制技术交底，且技术人员首先对现场施工作业人员进行技术交底培训，将支护参数、注浆参数、掘进过程中注意事项等技术要求传达给所有施工人员,使施工作业人员了解技术交底上质量标准，并要求施工作业人员在施工中严格按施工技术交底进行施作。

拱架施工质量标准

拱架制作

1、加工前除污除锈，拱片加工原材料无明显损伤；

2、拱架弯制要求弯曲圆顺，各项参数必须符合交底要求。

3、拱架每50榀为一检验批，每批成品至少5榀进行随机抽检，严禁扭曲及不合格成品进洞。

拱架安装

1、拱架安装前拼装轮必须位于初始状态，带孔第一片拱片必须用螺栓或插销将其固定在拼装轮托架上，然后逆时针旋转安装其余拱片，拱片自由端采用M16连接螺栓连接且螺栓拧紧牢固。

2、当钢拱架被举升油缸和扩张油缸扩至拱圈最大直径并密贴岩壁时，紧固螺栓，并紧固焊接夹板，再收回油缸；

3、拱架间距偏差不得超过一定值，且严格按照交底要求施做定位筋，拱架安装容许偏差，底部可调节接头螺栓拧紧、夹板焊死，安装完毕后，采用弯“L”型锁脚锚杆对拱架进行锁固，锁脚锚杆应在拱架两侧交错布置，严禁只布置在单侧；拱架与岩面之间采用钢楔楔紧。

钢筋排施工质量标准

(1)钢筋排制作

1、钢筋排制作前原材料去污除锈，无明显损伤；

2、洞内支护时禁止采用单根钢筋或多根钢筋代替；

3、分布筋与主筋必须焊接牢固，不能有漏焊或脱焊。

(2)钢筋排安装

1、钢筋排适用于围岩破碎段等不良地质段；

2、钢筋排必须安装在两侧撑靴以上的位置；

3、钢筋排之间的搭接采用单面焊接，按一定长度搭接搭接且连接处与钢拱架焊接牢固；

4、钢筋排搭接处必须架设在钢拱架上。

钢筋网施工质量标准

(1)网片制作

钢筋网在洞外分片制作，网孔误差在一定范围内。

(2)网片铺设

1、网片与岩面有一定距离，搭接一定长度，搭接处用扎丝绑扎；

2、网片利用手持风钻跟盘条进行挂设时，每张网片不少于5个点；

3、网片铺设要圆顺美观、横平竖直，且与拱架、锚杆及钢筋排要焊接成整体。

喷射混凝土施工质量标准

(1)喷射混凝土前

1、喷砼前，必须将受喷面松动的石块和泥渣清理干净，岩面清洗干净；

2、混凝土拌合物在运输或停放过程中应不停搅拌，喷射前必须对管路、泵站等进行疏通；

3、严禁运输、疏松过程中加水。

喷射混凝土时

1、喷射压力以及风压力都需要控制在一定范围内；

2、喷射时要分层分段、自下而上的顺序进行作业；

3、喷砼应圆顺、无裂缝及掉渣现象，锚杆头及钢筋无外露；

4、钢架与围岩间隙必须喷射砼充填密实，喷射砼应将钢架覆盖；

5、分层喷射隧道侧壁下部时，必须将回弹料清理干净，钢架覆盖砼处及时铲除；

6、冬季施工时，作业区的气温和混合料进入喷射机的温度均不应低于5℃；

7、当有钢筋排、网片、钢拱架时，要控制风压，以减少钢筋网振动，降低回弹。

8、未完成喷射砼时，禁止拖拉后配套，交接班时必须超前一循环。

注浆质量控制要点

1、进行交底培训，参与人员均需参加。注浆前拱顶埋深量测桩点，进行实时监控，过程中对数据进行记录，记录详实准确，以指导施工。

2、浆液配置必须按施工配合比进行，严格控制水泥、水以及其他外加剂的质量；浆液拌制必须使用机械拌和，严格控制拌和的时间。

3、注浆过程中随时检查孔口、邻孔部位有无串浆现象，如发生串浆，应立即停止注浆采用间歇式注浆封堵串浆口，也可采用麻纱、木楔、快硬水泥砂浆或锚固剂封堵，直至不再串浆时再继续注浆。

4、注浆时相邻孔眼需间隔开，不能连续注浆，以确保固结效果，达到控制注浆量的目的。

5、注浆时，要根据注浆终压和注浆量双控注浆质量，经常检查注浆压力表的准确度，根据单根钢管注浆量并结合岩体的松散程度，综合考虑注浆量。若个别孔浆液不畅通，被迫提前终止时，可在邻孔适当加压补偿。

6、注浆结束后，必须钻孔检查注浆效果，如未达到要求时需要补孔注浆。

7、配置的浆液应在规定的时间内用完。

步骤六：安全措施

运输安全保证措施

(1)设置清晰的信号标识。

(2)在机车行驶过程中，如有紧急情况需停车处理，必须要安装防溜装置，避免机车滑溜造成不必要的安全事故。

(3)机车在运输时，必须将平板上的物品固定牢固。

(4)在材料车装车时，不得超出车体净空。

(5)机车司机、调车员必须经过培训考核，持证上岗。

(6)在转运轨排、钢轨过程中防砸伤，防物体打击。

设备挤压预防措施

(1)所有的施工人员尽量不要再设备的连接位置停留，必须通过时要观察通过。

(2)在轨道一侧有人行步梯和通道时，人员先观察无机车通过时在行走，以防突然进入轨道，发生挤压。

(3)TBM后配布置单轨，人员避让位置狭小，在材料车装车时，不得超出车体净空。

吊装安装保证措施

(1)严禁超载吊装。

(2)每班对各工位的吊装操作设置专门指挥人员。

(3)在进行吊装时，吊装物下严禁站人。

(4)建立班组工位安全责任人，负责吊具的检察和班组工位安全的全程控制。

初支施工安全保证措施

(1)在吊运材料过程中防砸伤，防物体打击；

(2)钢拱架安装应由专人按规定的信号进行指挥，随时观察围岩动态，防止落石或坍塌引起伤人事故；

(3)钢拱架安装时采用连接筋将相邻的钢拱架连接牢固，防止钢拱架倾覆或扭转及变位等质量事故；

(4)对安装完成的钢拱架应经常检查，如发现扭曲现象或征兆时，必须及时采取加固措施。

(5)钢拱架、连接筋及钢筋排必须焊接牢固。

(6)喷射管路堵管时，应将输料管顺直，必须紧按喷头，疏通管路的工作风压控制在一定范围内。

(7)喷射砼施工作业中，要经常检查出料弯头、输料管和管路接头等有无磨薄、击穿或松脱现象，发现问题及时处理。

(8)喷射混凝土时，喷浆手必须佩戴防目镜，防止速凝剂滴入眼中，造成腐蚀伤害。

(9)顶部掉块处理时，施工作业范围底部不得有人行走或停留。

注浆施工安全保证措施

(1)连接管路时要保证各部位连接牢固；

(2)注浆时，人员要避开注浆管正面位置，以防注浆管意外伤人。

(3)封孔时，施工人员不能正对空口方向，防止浆液外窜伤人，换孔时施工人员必须在注浆管内压力释放后再拆卸拔枪。

(4)输送管路要固定牢固，安全可靠；若管路悬空，减少或避免管线的摇晃、松脱。

(5)注浆人员要随时注意：当设备运转出现异常时，如压力突然增大、注浆管跳动剧烈等，要立即停机，进行检查处理。注浆作业应组成专门正规队伍，注浆泵由专人负责，有专人监督压力表，注浆要加强信号联系，保证注、停及时，反应快速。

(6)注浆人员严格执行注浆泵操作规程，佩带防护眼镜、乳胶手套，谨防浆液对人造成伤害；注浆管路要牢靠，各螺丝扣的连接必须拧紧，以防脱出伤人，放浆时，要注意安全，人员避开放浆阀门，防止高压浆液突然喷出，时刻注意压力表变化情况，发现异常情况及时处理。

(7)注浆完毕后，应立即用清洗剂清洗缸体和注浆管路，清洗完毕后将泵、管路等规整码放整齐。

(8)严格控制注浆压力，注浆压力控制在一定范围内。

用电安全保证措施

(1)作业人员必须持有特种作业证，做到持证上岗；

(2)作业人员必须穿戴电工专用防护用具及工具进行操作；

(3)电工作业前，必须检查工具、测量仪器设备和防护用具是否完好，确认性能良好后才能作业。

动火作业安全注意事项

(1)氧气、乙炔焊割作业人员必须持有焊割作业特种作业证，做到持证上岗；

(2)运输、储存和使用气瓶时避免激烈振动和碰撞冲击，防止气瓶直接受热***；

(3)氧气瓶与乙炔瓶明火保持一定距离，气瓶间距保持一定距离；

(4)若发现瓶阀易烧塞或瓶体等部位有漏气时应立即停止作业，把气瓶转移到安全地点妥善处理，并且附近不得有火源；

(5)使用结束时，将气瓶阀门关闭，收好气带，并将气瓶放回规定位置，整理好氧气设备。

步骤七：环保与节能措施

按照施工工程的特点，污染源和影响源主要为出碴车产生的扬尘、泥浆、污水以及生产混凝土产出的污水，生活污水、垃圾等。为了减少环境污染，主要采取以下几个措施：

1、为了保护环境和洞外水源、河流、水库不受污染，在明渠内设污水处理***，修建沉淀池对废水进行处理。设专人值班管理，污水处理达到国家规定标准再排放。

2、隧洞弃碴必须运至指定的弃碴场，运碴途中不得落石掉碴，污染道路。

3、在弃碴场周围设挡碴墙，对弃碴场做好防护；并对碴场进行绿化，防止弃碴对河流的污染和侵占。

4、对有害物质(如染料、油料、废旧材料和生产、生活垃圾等)经处理后运至当地环保部门所指定的地点进行焚烧或掩埋，防止泄露、腐蚀造成对生态资源的破坏。

5、施工产生的泥浆必须经沉淀池沉淀干涸后方能弃在指定地点进行处理。

6、含有有毒物质(如化学灌浆材料、凝固的浆体等)的污水经特殊处理后，按监理人指定地点埋入地下，防止人畜中毒和污染水源及污染环境。

7、控制施工注浆使用的浆液泄漏，并对进入隧洞排水***中的注浆废液做净化达标处理，避免浆液污染洞外居民的生活、生产用水。

8、施工机械防止漏油，禁止机械运转过程中产生的油污水未经处理就直接排放，或维修施工机械时油污水直接排放。

9、相对以往敞开式TBM在灰岩地层中炭质板岩的掘进情况，一般采取钻爆法提前处理的施工方案，节约了施工工期和投资，并降低了TBM被卡、刀盘损坏的风险，能快速安全通过灰岩岩溶地层，经济效益显著。工法所涉及的施工工艺、方法都为常规方法，通过对关键技术参数的优化，节约了资源投入。

具体实施例1(引松供水TBM隧洞过出口至碱草甸子竖井区间)

2015年5月30日，TBM自出口始发掘进，2015年12月1日，成功与碱草甸子竖井贯通，期间共计掘进3125m，其中只有部分炭质板岩、凝灰岩、闪长岩出露，其余全部为灰岩，灰岩长度为2586m，埋深范围为156～30m。共计历时185d，最大日进尺达58.4m，平均日进尺16.9m，平均月进尺达520m，最高月进尺721m，项目部通过科技创新，TBM成功穿越灰岩填补了国内空白。

经过统计，此段区间V类围岩181m，IV类围岩925.8m，III类围岩1824.5m，II类围岩191m，共计经历大小溶洞溶腔17处，塌腔24处，其中最大处溶洞长16m，宽6m。掘进共计经过断层27条，其中炭质板岩共计160米，通过超前地质预报进行地质预判，撑靴处及出护盾后应急支护，溶腔溶洞回填密实，钢拱架、钢筋排、锚网喷等进行联合支护，监控量测数据显示稳定。

具体实施例2(引松供水TBM隧洞过碱草甸子至小河沿竖井区间)

2015年12月13日，TBM自碱草甸子竖井始发掘进，2016年2月18日，成功与小河沿竖井贯通，期间共计掘进1564m，共计历时68d，最大日进尺达70.8m，平均日进尺23m，平均月进尺达690m，最高月进尺726m。

全部为灰岩地层，埋深为54～26m，均处于浅埋地层，其中V类围岩114m，IV类围岩817m，III类围岩633m，共计经历大小溶洞溶腔处10处，其中最大处溶洞长9m，宽7m，断层2条，通过超前地质预报进行地质预判，撑靴处应急支护，溶腔溶洞回填密实，钢拱架、钢筋排、锚网喷等进行联合支护，监控量测数据显示稳定。

实施例3(引松供水TBM隧洞过小河沿竖井至8#支洞区间)

2016年2月28日，TBM自小河沿竖井始发掘进，2016年8月12日，成功与8#支洞大里程接应段贯通，期间共计掘进3886m，共计历时166d，最大日进尺达64.1m，平均日进尺23.4m，平均月进尺达647.7m，最高月进尺1226m。

本段围岩岩性为灰岩和闪长岩，其中Ⅴ类围岩257m，Ⅳ类围岩139m，Ⅲ类围岩3096.7m，Ⅱ类围岩393.3mⅢ类围岩3096.7m共计经历大小溶洞溶腔9处，其中最大处溶洞长17m，宽7m，深约3-6.5m，断层4条，通过超前地质预报进行地质预判，撑靴处应急支护，溶腔溶洞回填密实，钢拱架、钢筋排、锚网喷等进行联合支护，监控量测数据显示稳定。

Claims (10)

1.一种敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，包括，

步骤1：对全断面炭质板岩的地质进行超前预报；

步骤2：采用TBM对全断面炭质板岩进行掘进；

步骤3：对掘进后的围岩沿进行支护，具体的支护方法是：

在围岩上支护钢筋网，同时将提前预制的钢筋排安装在掘进机的护盾凹槽中；且钢筋排的一端与钢拱架焊接牢固；随着TBM向前掘进，钢筋排逐步抽出，使围岩一出掘进机的护盾就能及时得到支护，然后架设钢拱架，利用锚杆对钢拱架进一步进行固定，在塌腔处回填混凝土，初喷后进行回填灌浆；

步骤4：对围岩的周边位移、拱顶下沉进行监控量测。

2.如权利要求1所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，所述的步骤2中TBM掘进时护盾后发生坍塌、断层破碎带、溶洞充填物坍塌：如果坍塌没有规定值时，仍继续推进直到能立拱的尺寸，停止掘进，进行支护；如果坍塌超过规定值时，应立即停机进行支护，待支护完成后，方可掘进。

3.如权利要求1所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，所述钢筋网的施工步骤，如下：

所述钢筋网根据设计支护参数的要求，在相应的围岩地段安装；用冲击钻打眼，将Φ8盘条短钉钉入岩面，然后将外露部分敲弯，起到所述钢筋网支撑点作用；

所述钢筋网与所述相邻Φ22或Φ25锚杆(或所述钢架)连接牢固，两组网片之间搭接长度为1～2个网格。

4.如权利要求1所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，所述钢拱架施工步骤如下：

步骤(a)当围岩出露护盾后观察围岩发育情况，若顶部出现坍塌掉块，先将顶部掉块处理完毕后在进行下部施工，确保现场安全施工；

步骤(b)利用TBM拱架安装环进行拱架拼装，每榀钢架由一定节数的成型工字钢组成，各节采用螺栓连接；

步骤(c)利用钢拱架安装***把拼装完整的拱架托出安装环并调整其立设间距后再由液压支撑***撑紧于岩面并尽量控制与隧道中线垂直，控制其施工误差，确保拱架与围岩紧贴；

步骤(d)安装调整到位后，拧紧各节点螺栓，当连接板间接缝较大时，要对接缝处夹入钢板或短钢筋加焊，并把底部可调节接头螺栓拧紧、夹板焊死；拱架间采用螺纹钢连接，环向间距为一定长度且焊接牢固。

步骤(e)安装完毕后，采用弯“L”型锁脚锚杆对拱架进行加固固定，并检查各节拱架连接螺栓紧固牢固，确保拱架质量。

5.如权利要求1所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，所述喷射混凝土施工步骤如下：

喷混凝土支护由TBM自带的喷射***完成，混凝土在洞外拌合站生产，然后将其运送至洞内；TBM自带的所述喷混凝土***中输送泵分别位于指定位置拖车，与喷浆桥具有不同的间距；喷射机械手在喷混凝土区域纵向和环向移动，完成设计所要求的喷混凝土作业。

6.如权利要求5所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，若岩面地下水较多，首先对其进行封堵、接排水管或在岩面上凿沟进行引水；用高压水自上而下冲洗基岩表面并使岩石表面接近饱和状态；剥落部分，然后再用喷射混凝土喷护填平。

7.如权利要求5所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，若遇软弱破碎围岩，需要在护盾后初喷混凝土尽快封闭围岩，此时将利用备用小型干喷机进行初喷封闭作业；待该段进入喷浆桥后，再采用TBM自带的喷射***复喷至设计厚度。

8.如权利要求5所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，进一步的，所述支护参数选择根据围岩出露护盾情况，进行选择：

(1)围岩出护盾后，拱顶大范围掉块，围岩稳定性非常差，存在塌方风险；在此类情况下，首先根据设计参数，采用钢拱架、锚网、钢筋排进行联合支护，在掉块及钢筋排受力挤压变形处，使用工字钢纵连拱架进行加固；

(2)围岩出护盾后，在撑靴部位有炭质板岩、粘土岩或塌腔；在此类情况下，围岩强度无法满足撑靴压力，需***进行处理：

(3)隧道底部为炭质板岩或粘土；在此类情况下，加强排水，底部铺设干硬性砼，并将底部两侧拱架连接筋替换成型钢纵联。

9.如权利要求5所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，所述顶部塌腔处理：

停止掘进；清理塌落体后，依据设计参数及时安装钢拱架，拱架间采用工字钢连接为防止坍腔内的围岩进一步垮塌，采用型钢支撑加固围岩，型钢落脚于钢拱架上；同时利用应急***机对坍塌处进行喷射混凝土封闭处理，减少岩石暴露时间以及时形成支护体系。为减少后续变形，利用应急***机对支护***钢支撑进行封闭回填处理。

10.如权利要求5所述的敞开式TBM过全断面炭质板岩时的掘进和支护方法，其特征在于，步骤4的测点布置如下：

对周边位移、拱顶下沉的监控量测主要是根据围岩级别、隧道掌子面开挖方法因素来确定布置测点的数量和测线的数量；对拱顶溶洞较大、塌腔较大地段要加密进行布设监控量测点；拱顶下沉的测量是在拱顶的每个断面布置几个测点，测点放在拱顶中心或其附近。