双护盾tbm隧洞施工卡机判据与对策研究

三峡大学学报(自然科学版)

()JofChinaThreeGoresUniv.NaturalSciencesg

Vol.41Su.1pp

Se.2019p

:/DOI10.13393.cnki.issn.1672-948X.2019.S1.001j

],():引用格式:杨继华,景来红,齐三红,等.双护盾T三峡大学学报(自然科学版)BM隧洞施工卡机判据与对策研究[J.2019,41S11-6.

双护盾TBM隧洞施工卡机判据与对策研究

()黄河勘测规划设计研究院有限公司,郑州 450003

杨继华 景来红 齐三红 郭卫新

摘要:双护盾T护盾与洞壁的间隙较小,在围岩发生大变形时,易发生卡机事故.根BM护盾较长,据双护盾T基于护盾长度、护盾直径、护盾压力、摩擦系数等参数建立BM设备及施工的技术特点,计算泥质砂岩洞段不同埋深、不同围岩条件下的隧洞变形量及应力,并根据卡机判据进行卡机风险分析,结果表明,埋深5基于风险分析,提出了刀盘00m、600m时Ⅴ类泥质砂岩易发生卡机事故.所提出的对策切实有效,对保障TBM快速安全施工发挥了重要的作用.关键词:双护盾TBM; 卡机; 判据; 对策

卡机判据公式.以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾T采用数值模拟的方法,BM施工为例,扩挖、阶梯状护盾设计、向护盾和洞壁之间注入油脂及钻爆法预处理等对策.TBM施工实践表明,)中图分类号:TV554 文献标识码:A 文章编号:1672-948X(2019S1-0001-06

StudnCriteriaandMeasurementforDouble-shieldyo

TBMBlockaeinTunnelConstructiong

(,)YellowRiverEnineerinonsultino.Ltd.,Zhenzhou450003,ChinaggCgCg

Yanihua Jinaihon QiSanhon GuoWeixingJgLgg

becausedoubleshieldsarelonndthegaetweentheshieldandthecavewallissmall.Thispaergapbp

,establishesacriterionfordouble-shieldTBMblockaeonthebasisoftheparametersincludinhelenth,ggtg

,Abstract Blockaeofdouble-shieldTBMmaasilccurwhenthesurroundinockisseriousleformedgyeyogryd

euimentandconstruction.Thedouble-shieldTBMoerationinconstructionofthewaterconveancetunnelqppy

,ofLanzhouWaterSourceConstructionProecttakenasanexamlethepaerusesnumericalsimulationjpp

,,diameterressureoftheshieldandthefrictioncoefficientaccordinothetechnicalcharacteristicsofthepgt

thearillaceoussandstonesectionandanalzestheriskofTBMblockaeaccordinotheestablishedgyggt

methodtocalculatethetunneldeformationandstressatdifferentdethsandsurroundinockconditionsofpgr

criterion.TheresultssuestthatblockaeislikelooccurintheV-tearillaceoussandstonesectionatgggytypg

,thedethsof500mand600m.Basedontheriskanalsisthecutterheadexansion,ladder-shaedshieldpyppdesin,inectionofgreaseanddrillinndblastinretreatmentareproosedascountermeasures.Thegjgagpp

roleinensurinheraidandsafeconstructionofTBM.gtp

;;Kewords double-shieldTBM; blockae criteria countermeasuresgy

racticeofTBMconstructionshowsthattheproosedcountermeasuresareeffectiveandplanimortantppyap

双护盾TBM作为岩石隧洞全断面掘进机的一

种常用机型,以其安全性好、在适宜的地质条件下能

收稿日期:2019-05-06

获得较高的成洞速度等优势在水利水电、引调水、公路、城市轨道交通等领域的隧洞工程施工中得到了较

,:作者简介:杨继华(男,高级工程师,博士,主要从事岩土工程勘察、设计与研究工作.1980-)E-mailanihua68@sohu.comygj

2

三峡大学学报(自然科学版) 2019年9月

多的应用[1-4

]双护盾T.

盾及管片的遮挡BM护盾较长,

掘进过程中,受刀盘、护,基本无裸露的围岩,且主机内设备众多、空间狭窄,当遇到极端不良地质条件时,易发生卡机事故机已成为施工成本增加.国内、外的双护盾、工期延误等不良后果的主要TBM施工实践表明,卡因素之一[5-8

]F4-F5大断层带,如青,TB海引M累大计济受湟阻工和程卡输机水隧洞遭遇到

掘进处于停滞状态达5

];云南昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞受断层破

6年之久,造成工程进度严重滞10次,TBM后

[碎带塌方、围岩大变形等地质灾害的作用,发生了多次卡机事故,设备受到严重的损坏,最长一次停机时间达拆除1最终不得不放,0个月改由钻爆法施工.弃,造成了严重的经济损失TBM施工,将[6T-7

B]针对双护盾TBM的卡机问题,

国内、外众多.M

学者和技术工作者已开展了相关问题的研究对双护盾TBM的卡机类型进行了分类,将.文献[TBM9卡]

机分为卡刀盘、卡护盾及姿态偏差3种类型,在卡机原因分析的基础上,针对不同的卡机类型提出了应对措施;文献[10]以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞大直径双护盾TBM施工为背景,针对卡盘被卡的情况进行了地质分析,采用了从护盾两侧开挖旁洞的措施

通过了断层破碎带;文献[立了双护盾TBM施工隧洞模型11]采用了,

研究了挤压地层与FLAC3D

程序建

TBM的相互作用,并进行了卡机预测;文献[甘肃引洮供水工程9号隧洞,针对泥质砂岩类地层的12]

根据卡机事故,进行了卡机影响因素分析,并总结了卡机事故的预防措施;文献[根据隧洞高地应力和软岩大变形的特征13]针对大坂泥岩隧洞,提出了采用,化学灌浆加固隧洞塌方体的措施,并获得了成功;文献[的多次卡机事件处理经验进行了总结14]对陕西引红济石工程隧洞小直径双护盾,提出了预防卡TBM

机的盾TBTMBM设备改造方案;文献[工法隧道工程为依托,采用数值分析的方法15]以深圳地铁双护进行了隧道稳定性分析,并针对断层破碎带提出了加固处理措施,确保双护盾TBM顺利施工以上研究多集中在具体工程的双护.

盾TBM卡机的处理措施方面,对双护盾据方面研究较少,所得的结论普TB适M的卡机机理及判性不强.本文在研究双护盾水源地建设工TBM卡机机理及判据的基础上,以兰州市程输水隧洞软岩段双护盾提出预防卡机的措施.TBM施工为背景, 工程概况

兰州市水源地建设工程输水隧洞全长31.46km,

设计开挖洞径合施工,其中洞埋深主要地层岩性依次为100~9T56B.40mM6m施工段长约,采用钻爆法和双护盾16-18

]TB,输水隧M联

[平:前震旦均埋深系约22马衔4.010mkm山,

群隧(洞.

沿线4的(黑云石英片岩、角闪片岩,奥陶系上中统A雾n宿Zm山x群

)

2(OK2-3w变质安山岩、玄武岩,白垩系下统河1hk1x)泥质砂岩).隧洞沿线横穿F口群3、F4及断层规模较大,宽度大于或者斜交,倾角较陡,主断层带30m一般,

断由断层与F层洞8角线3条断层,砾正岩交及碎裂岩组成通过室内试验.

,泥质砂岩的平均单轴饱和抗压强

(度小于GB504380M7-2Pa,)根[19

据]的规定《水利,水泥质砂岩为软质岩电工程地质勘察.规根据范》相关工程经验008,在一定埋深条件下,软质岩易发生较

大的塑性变形,双护盾,当围岩变形TB由量M施工时,于护盾与洞壁间隙较小大时,易发生抱死护盾的卡机事故.因此,为保障兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM快速、安全地施工,在设备设计和施工之前,有必要对泥质砂岩洞段进行卡机风险分析和评判,并提出应对措施.

2 双护盾TBM卡机机理及判据

2.1 卡机机理分析

双护盾TBM由前、后两节护盾组成(如图示),护盾的总长一般为1所小于设计开挖洞径5~101c1~1m(如图2m,2护所示盾直).

径一般略图1 双护盾TBM结构示意图

图2 双护盾TBM护盾与洞壁之间的关系示意图

1第4等 双护盾T1卷 增刊1 杨继华,BM隧洞施工卡机判据与对策研究

3

为应对不同的地质条件,双护盾种掘进模式,即双护盾模式和单护盾模式TBM设计有两

定性较好时,使用位于后护盾上的支撑靴撑紧岩壁以.当围岩稳提供掘进推力和扭矩,此时后护盾不动,在主推进油缸的作用下,前盾与主机一起向前移动.当围岩稳定性较差时,收回支撑靴,由辅助推进油缸支撑在已经安装好的管片上以提供掘进推力和扭矩,此时前、后护盾一起向前移动.由于被护盾遮挡,护盾范围内的洞壁无法及时进行支护,如果围岩变形量大于护盾和洞壁之间的空隙,围岩与护盾发生接触,当接触压力与护盾产生的摩擦阻力加上掘进所需的推力之和大于辅助推进油缸的最大推力时,就会发生护盾被卡的卡机事故.2 卡机判据

.

设双护盾壁围岩的摩擦系数为TBM主机自重为Wμ,护盾与洞阻力F,则正常情况下护盾滑动摩擦(kN)1为:

F1(假设前、后护盾总长=度Wμ为L(m),护盾半径为(1R)(mMP)

,a

当),则此时围岩压力产生的摩擦阻力围岩与护盾安全接触时的平均F压力为P2为: F2假设此时所需要的总推力TBM正常掘进所需要的刀盘推力为=2πRLPμF(2F:3为,

则) F=F1+F2+F3=Wμ+2)<≥Fmax时,MπRLPμ+F3每台TB的最大推进力F(

max都是一定的,

3当则不TB会发生卡机事故,当F会M无法前进,发生卡机,因此发生卡机的判据可用式Fmax时,

(

F≥F4)双护盾表示:TBM是否max

卡机

(4

) 式(3)、(4)中F,不卡机及F[2m0a-x可以由计参数中获得,μ一般取为0.

3021

]TBM设建设工程输水隧洞的泥质砂岩主要分布在,兰州T市B水M2源施地

工段,TBM2的初步设计技术参数如下:

开挖洞径护盾长度.49m,护盾直径5.护盾总长1其中前00可由理式计算或数值计算的方法获得t,辅助推进油缸最大推力约4.50m,后40m护盾,长度71.70m,

30.200m00k,N.

主机护盾压力重量约,本文采用数值计算的方法.

输水隧洞TBM卡机风险分析

.1 泥质砂岩洞段围岩情况

兰州市水源地建设工程输水隧洞分布有较多的

白垩系下统河口群(育,岩体完整150~60,0m地下水不活跃,岩K1

深为体hk1

为)层泥质砂岩,状围岩以结构部洞段为Ⅴ类.根据室内试验并结合相Ⅲ,,节泥、关Ⅳ理质砂岩段埋类为主裂隙不,发局工程经验,泥质砂岩的力学参数见表库伦模型.

1.计算本构模型采用摩尔-表1 泥质砂岩力学参数围岩岩石饱和抗拉弹形类别抗压强度强度凝聚力c摩擦角φ/°模量泊松比

III/MP/M/MPaμ类IV33Pa4/G6Pa类

Ⅴ20a02

0.5

0..84050类

.2 5

00.1

30202

41

0.0.2.38315

数值计算模型

隧洞为线状地下建筑物,其纵向尺寸远大于横向尺寸,因此可采用平面模型进行计算源地建设工程输水隧洞的工程特.根据兰州市水点,分别考虑

00m、300m、400m、500m、600m围岩5种埋深,每种埋深条件下分别计算Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类,共计方案.

15个计算

根据钻孔地应力测试结果,对区域地应力场进行

拟合,得出水平主应力的方向及水平主应与自重应力的比值,即侧压力系数,泥质砂岩段的侧压力系数如下:Kx=σH围大于采用X5倍开挖/σV=洞1.径1,向约束,顶部为自由边界.Kz=σH模型底/σV部采=用固0.9模型计算范定.边界,侧面.3 计算结果分析

.

隧洞开挖后,会引起洞周一定范围内的应力和位移重分布,图以看出,洞周应力分布较为均匀3、图4分别为应力、位移分布情况,可,这主要是因为施工采用机械破岩,对围岩扰动小,且开挖断面T为B圆M形,受力条件好,不易产生应力集中,具体表现为,顶拱下.洞周围岩位移主要为径向位移沉,底板隆起,侧壁面向开挖临空面变形.

图3 隧洞开挖后的 图4 隧洞开挖后的

应力分布图表拱-底板的相对位移2为不同埋深 位移分布图

、不同围岩类别条件下的隧洞顶

及洞周径向的平均应力分别为不同围岩条件各埋深、

不同埋深条件各类围.图5、图2323F54P33

三峡大学学报(自然科学版) 2019年9月

岩的顶拱底板相对位移对比图,可以看出,在相同的围岩类别条件下-,随着埋深的增加,顶拱移逐渐增加,而在相同的埋深条件下,顶拱-底板相对位位移随着围岩类别的降低而增加表2 不同计算条件下的洞周位移及应力统计

.

-底板相对埋深围岩顶拱/m类别相对位移-底板洞周径向/cm

平均应力/200

ⅢⅣ0.3MPa

Ⅴ04.3.5602

Ⅲ0

3.0.5852300

Ⅳ01.94

0.53Ⅴ5..494

4

0.870..6794400

ⅢⅣ11..21Ⅴ.94

80

74

1.251..0185500

ⅢⅣ1.0Ⅴ9.5.42

292

0

1.1.79.1528600

ⅢⅣ12..888

1.83

Ⅴ

11.88

8

12..4134

图5 不同围岩条件各埋深顶拱-

底板相对位移对比图图.46 不同埋深条件下各类围岩顶拱卡机风险分析

-

底板相对位移对比图由式(变形造成卡机需要满足两个条件3)、式(4)可以看出,围,岩第一是围岩与护盾挤压变形或收敛完全接触,第二是围岩对护盾产生足够的压力可知,兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM2.由表初步

设计护盾直径则护盾与洞壁之间的最大间隙为5.40m,根据TBM2的开挖洞径5.49m,

出,埋深500m、600m时Ⅴ类围9岩c顶m拱,由表底板2可以看的最大相对位移量为之间的预留间隙9.9,0此c时m、护11盾.8与围8cm岩,超过了护盾与洞壁-紧密贴合,有发生卡机的可能,需要进一步计算围岩对护盾的摩擦阻力,根据式(中的洞周径向平均3)计算应.式(力,3T)

B中M,压正常力P的取值为表掘进所需要的刀2盘推力2000kNF,3则埋深根据掘进试验确定,500m、600m时Ⅴ类泥质砂岩取为

Ⅴ类围岩所需要的总推力分别为助推进油缸的最大推力97235kN,、1此时会发生卡机事故30563kN,远大于T.BM辅4 输水隧洞双护盾TBM卡机对策

根据第600m时Ⅴ类围岩会3节的计算结果,正常情况下埋深发生卡机事故,为避免500m、

定的T对B策M掘进过程中卡机事故的发生,需要采取一据目前的双护盾TBM施工经验,结合兰州市水源地.根建设工程输水隧洞及TBM设计的技术特点,提出以下措施:

大,避免围岩与护盾接触1)增大开挖洞径,从.而目前使护,国内盾与、外研制的洞壁的间隙扩一般都具有扩挖功能,即通过边刀增加垫块及刀盘抬TBM升相配合的方法,使隧洞洞径扩大低卡机的风险.但使用T,B需要M扩挖功能需要停机对设5~10cm,从而降备进行一定程度的改造掘进速度较慢,这与快速通过大变形洞段的掘进原则1~2d的时间,且扩挖不相符.另外,使用扩挖功能的前提是事前预测到大变形围岩洞段,由于地质条件的复杂性,且受技术条

件的,目前对大变形围岩的准确预测存在较大的困难,但仍然不能完全避免卡机的发生.因此,虽然国内、外研制的TBM均具备扩挖功能盾,以减少围岩与护盾的接触范围2)将护盾设计成阶梯状,即后护的直径小于前护.

直径40m,50m,直.如图径57所示,前盾7.20m5.,则前盾长、后盾与洞壁的最大间隙分别为度4.后盾.30m,长度1Ⅴ9c类围岩条件m,根据表下2的计算结果,在埋深,顶拱底板的最大相对50位0m移、量690c分0mm、

别为触9,而后盾与围岩未.90cm、11.88cm-完,全此接时触只,有后前盾盾上无与围围岩岩完的全变接形压力33745.按照式(kN3)

重新进行计算,所需的推力分别为0、%44配,584kN,相对前后盾直径均为合其它措施,使得TBM脱困B5M.4的最大0m时

降低了推力,但6可虽然此时所需推力仍大于T难度大为31第4等 双护盾T1卷 增刊1 杨继华,BM隧洞施工卡机判据与对策研究

5

降低.图护盾与围岩之间3

)向护盾与围岩之间注入油脂等润滑物质7 护盾阶梯状设计示意图

的摩擦系数,从而减使摩擦系数降低到0.10左右,根据,小摩擦阻,力降低.围岩与护盾之间的摩擦系数约为0.30注入油脂后式(3)

,在埋,可00m、600mⅤ类围岩条件下,

所需要的推力分别为深4B4M56脱困kN、18728kN,小于TBM的最大推力,可使释放围岩压力4)发生卡机时.

,使护盾与围岩脱离接触,采用人工开挖导洞、,旁洞的方法从而使,脱困但此法所需时.此种方法一般在采取其它措施无效的情况的使TBM用,间长、费用较高并且存在一定的安全问题,因此应慎用此方法.

施工中采用较多BM5

)滑行通过钻爆法提,避免卡机前全断面,其前提是对长距离大变形洞段的准.此种方法在国开挖大变形、围内外岩洞TB段M

,确预判,钻爆法开挖后,对围岩进行初期支护,保证围岩的稳定性,TBM卡机T,B既可避免发又可发挥M滑行通过时安装管片,生缩短工期具T有B较大M滑行速度快的优势,对于避免风险、的意义兰州市水源地建设工程输水隧洞在长距离.根据前期的勘察结果,大埋深所示,Ⅴ类围岩洞段采用钻爆法开挖,开挖断面如图对避免卡机,保障TBM快速、安全施工发挥了重要作用.

图8 Ⅴ类围岩洞段钻爆法开挖支护图

结 论

1

)针对兰州市水源地建设工程泥质砂岩软质岩洞段,根据数值计算结果,Ⅴ类围岩在大埋深条件下双护盾TBM施工时围岩的变形量超过护盾与围岩的最大间隙,且所需要的推力大于TBM的最大推

力,易发生在一定条件下2

)将护盾设计TBM卡机事故,可降成低阶围梯形.岩与护,即后盾盾的直接径触小面于积前,从盾而,显著降低摩擦阻力;当护盾与洞壁发生接触时,向护

盾与围岩间注入油脂,可降低摩擦系数,显著降低摩擦阻力;对于预判的长距离大变形洞段,可采用钻爆法开挖段超过3)兰州市水源TBM滑行通过的方法地建设工程.

输水隧洞泥质砂岩洞顺利施工10,k未发生严m,采用本文的应对措施后重的卡机事故,验证,双护盾了应对T措B施M的正确性.参考文献:

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