技术领域
[0001] 本
发明涉及隧道施工技术领域，具体为一种岩爆隧道双护盾TBM卡机脱困施工方法。
背景技术
[0002] 随着国家一系列重大工程建设的实施，多条
铁路、公路，以及多个世界级的大型
水利
水电工程即将在青藏高原的高山谷地兴建。这些工程涉及的大量地下工程，具有埋深大、地质条件复杂、地质构造活动强烈、地应
力水平高等特点。
[0003] 其中，作为高地
应力地区所特有的灾害现象，岩爆一直是岩土工程界研究的热点及难点。岩爆是具有大量弹性应变能储备的岩(矿)体，由于开挖硐室或坑道，使地应力分异、围岩应力跃升及
能量进一步集中，在围岩应力作用下，产生张-剪脆性破坏，并伴随声响和震动，围岩由静态平衡向动态失稳发展，以造成岩片(
块)隔离母体、获得有效弹射能量、猛烈向临空方向抛(弹、散)射为特征的一种动力破坏现象。
[0004] 由于岩爆的突发性和强大的破坏性，采用双护盾
隧道掘进机(隧道掘进机，Tunnel Boring Machine，简称TBM)进行高地应力地区隧道施工，能够有效地降低施工
风险，保障人员安全。双护盾TBM外部采用
钢体护盾进行防护，盾体厚度往往可达数厘米，可以对内部的施工人员和机械设备起到很好的防护作用。同时，前端的钢护盾盾体和后方支护的
混凝土管片实现“无缝衔接”，人员和设备不会直接暴露在开挖岩壁之下。当岩爆发生时，无论是发生岩体剥落还是爆裂弹射，盾体和管片都会起到一定防护作用。因此，轻微-中等岩爆对TBM设备、衬砌结构以及内部施工人员的安全影响较小，双护盾TBM对中低强度的岩爆具有极强的适应能力。
[0005] 但对于强-极强岩爆而言，尽管盾体和管片起到了一定的阻挡保护作用，当能量过大时，也会对管片和盾体造成一定影响。譬如，受岩爆弹射岩块冲击会造成盾体局部
变形或管片开裂等现象。更为严重的是，崩落的围岩可能会导致双护盾TBM被卡，TBM无法正常掘进。若不采取恰当的措施，及时脱困，不仅会延长工期，还很有可能将施工设备埋在隧道内无法取出，造成巨大的损失，锦屏二级水电站地下深部工程被埋TBM就是典型案例。
[0006] 公开号为CN105781562A的发明
专利公开了一种“隧洞掘进机施工时的卡机脱困方法”，发明的技术解决方案包括：第一步，将隧洞掘进机刀盘设成由中心圆面板和沿中心圆面板外缘
焊接的侧边面板构成；第二步，隧洞掘进机的护盾采用沿径向设置的内外两层结构，内外两层护盾之间用
螺栓连接；内层护盾通过液压伸缩油缸与隧洞掘进机针梁相连接；第三步，当隧洞掘进机刀盘被卡时，切割刀盘抛弃侧边面板卸下外层护盾，通过液压伸缩油缸回缩内层护盾，使用拖车将隧洞掘进机整机拖出隧洞外，将新的侧边面板运输到隧洞内，再将整机重新运输至隧洞内，在隧洞内完成刀盘的焊接和内外层护盾的连接、安装，即可重新掘进。该项技术虽然能使隧洞掘进机脱困，但脱困后，抛弃了刀盘侧面板和外层护盾，损失较大；流程繁琐，需要将隧洞掘进机拖出隧道才能实现脱困，影响工期。
[0007] 公开号为CN106522963A的发明专利公开了一种“TBM隧洞施工卡机脱困方法”，发明的技术解决方案包括：(1)人工开挖纵向导洞，越过塌方影响区开挖管棚工作间；从护盾尾部围岩相对较好部位向外侧开挖爬坡孔，通过爬坡孔向TBM掘进方向人工开挖纵向小导洞，纵向小导洞穿过塌方影响区后横向开挖导洞并扩挖成管棚工作间。(2)向塌方影响区施做超前管棚；利用管棚工作间反向向塌方区施做超前大管棚，并注浆加固围岩，超前大管棚穿过塌方影响区2-3米，且穿过护盾尾部2-3米。(3)人工开挖刀盘前塌方影响区；在超前大管棚的防护下，采用台阶法及左右导坑法人工开挖刀盘前方塌方影响区，同步施做密排钢拱架支护，并对围岩
破碎带进行注浆加固。(4)通过纵向小导洞人工开挖刀盘和护盾顶塌方区；通过已开挖的纵向小导洞向两侧分段分区开挖并同步支护，开挖前施做超前注浆锚管加固围岩，对塌腔进行注浆加固回填处理。(5)刀盘和护盾周边坍塌渣体清理完毕后，TBM即可脱困。该项技术适合用软岩掘进中的卡机脱困，但对于高地应力条件下的硬岩掘进尤其是极强岩爆条件下并不适用。硬岩条件下人工开挖小导洞后扩挖管棚工作间是相对费时费力的，超前管棚技术更适合用于软弱岩土层。
[0008] 双护盾TBM设备和施工工艺具有特殊性，其设备结构、破岩机理以及施工环境与传统
钻爆法和开敞式TBM都有着十分明显的差异。由于双护盾TBM机械设备庞大、施工环境封闭、声光电系统复杂，从而造成内部作业空间狭小、开挖岩面不可见等一系列该施工工艺下的新问题。
[0009] 与此同时，在高山峡谷地区的深埋越岭隧道的开挖过程中，往往会伴随不同程度的岩爆事件的发生。岩爆会导致储存于围岩中的弹性应变能突然释放，并产生爆裂、松脱、剥落、弹射甚至抛掷等破坏现象。目前国内外对高地应力(岩爆)洞段双护盾TBM施工尚缺乏成熟有效的经验。实践证明，在高地应力(岩爆)洞段进行双护盾TBM施工，常常会发生由于围岩突发且猛烈性的崩落，造成双护盾TBM被卡，严重影响双护盾TBM的正常掘进。通常情况下，刀盘前方上部或右(左)侧出现塌方，形成较大空腔，造成双护盾TBM前盾、伸缩盾被
岩石卡住，无法正常掘进，如图1和图2所示。
[0010] 双护盾TBM卡机严重影响施工进度、施工安全，造成大量施工
费用增加。因此，本发明提供一种适用于双护盾TBM在高地应力(岩爆)隧道卡机脱困的施工方法。
[0011] 为了解决以上问题我方研发出了一种岩爆隧道双护盾TBM卡机脱困施工方法。
发明内容
[0012] 本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种岩爆隧道双护盾TBM卡机脱困施工方法。
[0013] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0014] 一种岩爆隧道双护盾TBM卡机脱困施工方法，包括以下步骤：
[0015] S1、TBM设备防护；TBM设备防护包括搭设清渣平台和开挖前的防护区；
[0016] S2、危岩清理；对TBM盾周松动的岩块进行清理；
[0017] S3、掏渣清理；对TBM盾周未被塌方段
挤压的部分进行掏渣处理，并获得对塌方段进行处理的操作空间；
[0018] S4、塌方段处理；进行聚
氨酯灌浆以在TBM盾与塌方段形成隔离带，然后用
水泥砂浆进行回填灌浆处理，对塌方段进行状态稳定。
[0019] 具体地，搭设清渣平台时，清渣平台采用架管、木板、钢格板、
橡胶皮带的基本形式，架管搭设利用伸缩盾区内钢构件进行横纵布置，架管形成
支撑并稳固后再铺设钢格板，主要受力区加铺木板，边
角位置设木板作挡隔，钢格
板面上再铺设橡胶皮带；施工平台与TBM的1#皮带之间设危岩清理及掏渣清理渣料溜渣槽，横纵1m×1m间距设置架管作支撑，彩钢板作溜渣槽；
[0020] 开挖前的防护区设置包括，对伸缩盾外侧即将开挖附近的油缸、管路及
电缆进行防护，防护材料选用木板、皮带及
钢筋网；当伸缩盾打开600mm时，除底90°范围不作
钢筋网防护，伸缩盾与撑靴盾之间部分均焊接扁铁，在伸缩盾底部180°范围铺设皮带和木板，已搭设好的清渣平台上部铺设木板。
[0021] 具体地，危岩清理包括：用钢钎及风镐
自上而下进行，清理渣料从盾体外搬运至施工平台上，再将石渣溜渣至TBM的1#皮带上，启动TBM的1#、2#和3#皮带输送至洞外，再由转渣皮带转渣至渣场，散漏渣料装编织袋，并装
内燃机车运输至洞外，再由自卸
汽车转运至渣场。
[0022] 具体地，掏渣清理在隧洞长度方向按先伸缩盾、后前盾范围进行，伸缩盾范围清理完成后，仍然无法脱困时再进行前盾范围清理；掏渣清理在隧洞环向断面范围内的8点钟方向至12点钟方向，且掏渣厚度为1.5m-1.8m；
[0023] 掏渣清理采用导洞领进、预留岩柱扩挖的形式，导洞布置于8点钟和12点钟，导洞尺寸1.5m宽×1.8m高，城
门洞形；导洞开挖采用钻爆形式，开挖过程中跟进临时支护，支护采用方木支撑，沿开挖断面井字形布置，纵向间距50cm；
[0024] 掏渣清理施工步骤包括：施工准备、测量放线、造孔、装药、爆破、散烟、安全处理与安全支护、出渣、下一个循环施工准备，并在整个施工过程中均进行
通风；
[0025] 导洞开挖施工前，利用伸缩盾打开间隙，横向清理出导洞施工空间，尺寸为1.5m×1.2m×1.0m；
[0026] 采用手持手风钻造孔，装乳化炸药，周边孔采用导爆索起爆的光面爆破工艺，其余孔用非毫秒延期
雷管起爆；开挖渣料先从盾体外侧采用人工方式运到平台上，再将石渣搬运至TBM的1#皮带上，启动1#、2#和3#皮带输送至洞外渣场；散漏渣料由人工持铁锹装编织袋，人工抬运并装内燃
机车运输至洞外，再由自卸汽车转运至渣场，导洞开挖循环的开挖深度为1m，炮孔间距40-50cm；
[0027] 扩挖过程中，采用工字钢支撑，锚喷挂网，采用砂浆锚杆，顶部采用钢筋网封闭，喷混凝土厚20cm。
[0028] 具体地，塌方段处理分两步，先进行聚氨酯灌浆以形成隔离带，然后用水泥砂浆进行回填灌浆处理；
[0029] 聚氨酯化学灌浆为：先采用聚氨酯化学灌浆在水泥砂浆灌浆区与盾体之间形成隔离带，聚氨酯化学灌浆范围为距离TBM盾体2m以内，
自下而上分次定量间歇性灌注，单次灌注控制量按50kg计，间歇时间为30min；灌注时先水后浆，让水在外侧形成反应圈，聚氨酯遇水反应形成隔离圈，采用自进式锚杆作灌浆
导管，长度为2-3m，间距为1m，下倾角度为30°-45°；
[0030] 水泥砂浆回填灌浆为：水泥砂浆回填灌浆范围为TBM盾体顶部，形成连续板厚度不小于4m，作用于空腔、塌方体；首先灌注靠近聚氨酯化学灌浆隔离圈2m左右范围，采用M7.5水泥砂浆，自进式锚杆低压分次进行间歇性灌注，单次尽量施灌，灌浆压力为0.3-0.5MPa，间歇时间为60min；其次灌注剩余区域，水泥砂浆强度为M20，直接通过盾体顶部通道或自进式锚杆作灌浆导管进行灌注，由远端至近端浓浆、低压、慢灌，使TBM盾体顶部形成厚度不小于4m的连续体；
[0031] 完毕后，TBM即可脱困，TBM脱困后跟进预制管片安装和豆砾石回填灌浆施工。
[0032] 优选地，架管与架管，或架管与钢构件之间横纵间距不大于1m×1m。
[0033] 优选地，架钢筋网均采用Φ8钢筋网，网格间距10cm×10cm。
[0034] 本发明的有益效果在于：
[0035] 本
申请一种岩爆隧道双护盾TBM卡机脱困施工方法，有效地解决了在深埋隧道中由于围岩在强烈岩爆作用下大规模弹射或构造带楔形挤出等因素，致使双护盾TBM前盾和伸缩盾被卡的问题；当遭遇围岩弹射、挤出、塌方等致使TBM卡机时，利用清理TBM盾周危岩及采用开挖导洞、超前支护、塌方段加固等方法，可有效保证价值数亿人民币的双护盾TBM设备安全；迅速脱困，减少对工期的影响，降低因岩爆引起的经济损失。
附图说明
[0036] 图1为本发明中塌方位置俯视图；
[0037] 图2为本发明中盾体被困处隧洞横截面图；
[0038] 图3为本发明中施工方法技术路线
框图；
[0039] 图4为本发明中清渣平台和防护区示意图；
[0040] 图5为本发明中掏渣工艺示意图；
[0041] 图6为本发明中扩挖处理处隧洞横截面图；
[0042] 图7为本发明中塌方处理范围示意图；
[0043] 图8为本发明中灌浆处理范围示意图。
[0044] 图中：1-断裂破碎带；2-空腔；3-塌方堆积区域；4-隧壁；5-盾体；51-刀盾；52-前盾；53-伸缩盾；54-撑靴盾；55-尾盾；6-处理区域；7-开挖区域；8-第一连续板；9-第二连续板；10-回填灌浆区；61-第一清渣平台；62-第二清渣平台；63-第三清渣平台；64-上平台防护区；65-中平台防护区；66-下平台防护区。
具体实施方式
[0045] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0046] 本发明提供的施工方法基于岩爆导致的围岩塌方，致使双护盾TBM前盾和伸缩盾被围岩卡住，无法正常掘进，考虑将盾周的危岩进行清理，从而实现双护盾TBM脱困。
[0047] 该施工方法完整的技术路线如图3所示。且图1、图2中示出了断裂破碎带1；空腔2；塌方堆积区域3；隧壁4；盾体5；刀盾51；前盾52；伸缩盾53；撑靴盾54；尾盾55；
[0048] TBM设备防护
[0049] 为防止TBM盾体外部塌方掉块，确保危岩清理、围岩支护、掏渣清理工作施工时TBM设备及施工人员安全，首先进行TBM设备防护工作。防护施工前搭设好清渣平台，防护主要内容：(1)间距10cm扁铁(5mm厚，50mm宽)封闭伸缩盾打开的间隙，腰线及上部270°范围内；(2)5cm厚木板和橡胶皮带遮盖伸缩盾内部油缸、液压管路、电器管路。
[0050] 清渣平台采用Φ48架管、3cm厚木板、钢格板、橡胶皮带的基本形式。Φ48架管搭设利用伸缩盾区内钢构件进行横纵布置，架管与架管或架管与钢构件之间横纵间距不大于1m×1m。Φ48架管形成支撑并稳固后再铺设钢格板，主要受力区加铺3cm厚木板，边角位置设3cm厚木板作挡隔，钢格板面上再铺设橡胶皮带以防止小石块等小件掉落。施工平台与1#皮带之间设危岩清理及掏渣清理渣料溜渣槽，横纵1m×1m间距Φ48架管作支撑，3mm厚彩钢板作溜渣槽。
[0051] 在进行伸缩外盾左侧围岩开挖前，需对附近油缸、管路及电缆等设备进行防护，防护材料选用厚50mm木板、皮带及钢筋网。当伸缩护盾打开600mm时，除底90°范围和不作钢筋网防护外，伸缩护盾与撑靴盾之间其它部位焊接扁铁，以防止裸露石块掉落砸坏设备和砸伤施工人员。在伸缩护盾底部180°范围铺设皮带和木板，已搭设好的清渣平台上部铺设木板，以防护平台下部施工人员、设备和裸露部分管线等人员、设备的安全。
[0052] 如图4所示，示出了BM盾体内上部的上平台防护区；BM盾体内中部的中平台防护区；BM盾体内下部的下平台防护区。其中第一清渣平台置于上平台防护区；第二清渣平台、第三清渣平台分别置于中平台防护区下方两侧；其中清渣平台主要由Φ48架管、3cm厚木板、钢格板、橡胶皮带构成；平台防护区主要由厚50mm木板、皮带及钢筋网构成。
[0053] 危岩清理
[0054] 为确保危岩清理、围岩支护、掏渣清理工作施工时TBM设备及施工人员安全，在TBM设备防护后及时进行塌方、掉块及松动危岩清理。
[0055] 危岩清理由人工持钢钎及风镐自上而下进行，清理渣料由人工从盾体外搬运至施工平台上，再将石渣溜渣至1#皮带上，启动1#、2#和3#皮带输送至洞外，再由转渣皮带转渣至渣场，散漏渣料由人工持铁锹装编织袋，人工抬运并装
内燃机车运输至洞外，再由自卸汽车转运至渣场。
[0056] 掏渣清理
[0057] 在掏渣工作开展的同时进行TBM设备维护工作，确保TBM脱困后设备处于性能良好状态。
[0058] 如图6所示，示出了扩挖处理处隧洞横截面图，其中示出了开挖区域、塌方堆积区域、空腔
[0059] (1)掏渣的范围和基本形式
[0060] 掏渣清理纵向范围按伸缩盾+前盾进行(先进行伸缩盾范围)清理，以实现TBM脱困。伸缩盾范围清理完成后，仍然无法脱困时再进行前盾范围清理，掏渣清理环向断面范围按TBM掘进断面8点钟-12点钟范围进行，掏渣清理厚度1.5m-1.8m。
[0061] 掏渣清理采用导洞领进、预留岩柱扩挖的形式，导洞布置于8点钟和12点钟，导洞尺寸1.5m×1.8m(宽×高)，城门洞形。导洞开挖采用钻爆形式，钻爆开挖依据浅孔、小药量、弱爆破、强支护、多循环的原则钻孔爆破，最大限度地降低爆破震动对围岩的不利影响。开挖过程中跟进临时支护，支护采用20cm×20cm方木支撑，沿开挖断面井字形布置，纵向间距50cm，必要时采用20#A工字钢支撑，顶部钢筋网封闭(Φ8钢筋网，网格间距10cm×10cm；20#A工字钢支撑，环向间距0.5m)。
[0062] (2)施工工艺(如图5所示)，包括施工准备、测量放线、造孔、装药、爆破、散烟、安全处理与安全支护、出渣、下一个循环施工准备，并在整个施工过程中均进行通风；
[0063] (3)施工步骤
[0064] 导洞开挖施工前，利用伸缩盾打开间隙，横向清理出导洞施工空间，尺寸为1.5m×1.2m×1.0m。
[0065] 导洞开挖依据浅孔、小药量、弱爆破、强支护、多循环的原则钻孔爆破，最大限度地降低爆破震动对围岩的不利影响。导洞开挖采用松动爆破，采用人工手持YT-28手风钻造孔，人工装乳化炸药，周边孔采用导爆索起爆的光面爆破工艺，其余孔用非毫秒延期雷管起爆。开挖渣料先从盾体外侧采用人工方式运到平台上，再将石渣搬运至1#皮带上，启动1#、2#和3#皮带输送至洞外渣场。散漏渣料由人工持铁锹装编织袋，人工抬运并装内燃机车运输至洞外，再由自卸汽车转运至渣场。导洞开挖循环的开挖深度为1m，炮孔间距40-50cm。
[0066] 扩挖过程中，为阻止围岩继续变形及实施安全防护，采用20#A工字钢支撑，锚喷挂网，采用φ22砂浆锚杆(L＝2m，间距为0.5m×1.5m)，顶部采用钢筋网封闭(Φ8钢筋网，网格间距10cm×10cm)，C25喷混凝土厚20cm。
[0067] 扩挖完毕后形成开挖区域。
[0068] 3.4塌方段处理
[0069] 针对TBM盾体及刀盘右(左)侧空腔、塌方体的实际情况，处理措施分两步：先进行聚氨酯灌浆以形成隔离带，然后用水泥砂浆进行回填灌浆处理。如图7所示，示出了处理区域6的范围，为黑框内区域。
[0070] (1)聚氨酯化学灌浆
[0071] 为有效防止水泥砂浆对盾体的胶结而造成的刀盘无法转动的情况出现，先采用聚氨酯化学灌浆在水泥砂浆灌浆区与盾体之间形成隔离带，聚氨酯化学灌浆范围为距离TBM盾体2m以内(第一连续板8)，自下而上分次定量间歇性灌注，单次灌注控制量按50kg计，间歇时间为30min。灌注时先水后浆，让水在外侧形成反应圈，聚氨酯遇水反应形成隔离圈，从而达到有效进行控制灌浆的要求。聚氨酯化学灌浆单组份
水溶性聚氨酯化学
灌浆材料膨胀倍数为20倍，
凝固时间为20-120s，凝固强度为0.2MPa。φ32自进式锚杆作灌浆导管，长度为2-3m，间距为1m，下倾角度为30°-45°。
[0072] (2)水泥砂浆回填灌浆
[0073] 水泥砂浆回填灌浆范围为TBM盾体顶部4m以下(形成连续板厚度不小于4m)右(左)侧全部的空腔、塌方体。水泥砂浆回填同样分步骤进行，首先灌注靠近聚氨酯化学灌浆隔离圈2m左右范围(第二连续板9)，采用M7.5水泥砂浆，φ32自进式锚杆低压分次进行间歇性灌注，单次尽量施灌，灌浆压力为0.3-0.5MPa，间歇时间为60min；其次灌注剩余区域(回填灌浆区10)，水泥砂浆强度为M20，直接通过盾体顶部通道或φ32自进式锚杆作灌浆导管进行灌注，由远端至近端浓浆、低压、慢灌，使TBM盾体顶部形成厚度大于4m的连续体。
[0074] 如图8所示，示出了第一连续板8、第二连续板9、回填灌浆区10的位置。
[0075] 不良地质洞段TBM脱困后，及时跟进预制管片安装和豆砾石回填灌浆施工。
[0076] 以上仅为本发明的较佳
实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何
修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。
