TBM隧道施工中高地应力区的应对措施.pdf
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742012(11)CONSTRUCTIONMECHANIZATIONTBM隧道施工中高地应力区的应对措施ThemeasuresofTBMtunnelconstructioninhigngroundstressareas李海龙/LIHai-long(中铁十八局集团有限公司隧道工程公司,天津300222)中天山隧道是南疆线增建吐库二线穿越天山的特长隧道,采用敞开式TBM掘进机施工。
由于隧道埋深大,高地应力大,表现形式主要有围岩变形、岩爆等。
本文介绍了在高地应力区施工采取的应对措施。
TBM掘进机;高地应力;施工;岩爆;围岩收敛摘要关键词1工程概况中天山特长隧道位于托克逊、和硕中天山东段的岭脊地区,穿越中天山北支博尔托乌山中山山地,海拔11002950m。
山岭南北两侧地形切割剧烈,山高坡陡,基岩裸露,沟壑纵横,地形复杂,植被稀疏,相对高差8001200m。
中天山隧道是南疆线增建吐库二线穿越天山的特长隧道,主隧道总长22333m,隧道半径4.4m,隧道最大埋深1700m,采用全断面敞开式TBM掘进机施工,其中埋深在1500m以上的占总长度2/3,高地应力区范围较大。
中天山隧道工程区分布沉积岩、火成岩及变质岩三大岩类及F2F4三条区域性大断层,地质条件非常复杂。
初露地层岩性复杂多变,受多期构造的影响严重,洞口基岩裸露,岩质较硬,节理较发育,岩体较为破碎。
隧道通过区褶皱构造发育,洞身通过的地层岩性为变质砂岩夹片岩、混合岩夹片麻岩、花岗岩、闪长岩体。
隧道工程区地下水类型主要分为基岩裂隙水、构造裂隙水及岩溶裂隙水。
2高地应力主要表现形式及应对措施2.1围岩变形及应对措施由于中天山隧道越岭隧道区内分布多条近东西向的全新世纪活动的逆-逆掩断裂,反映出区域构造应力场受近南北向挤压应力控制。
在软弱、破碎等围岩地段开挖隧道,受较高的地应力影响,造成隧道挤压产生大变形。
隧道开挖过程中不可避免的对岩体产生不同程度的扰动和破坏,引起围岩变形。
一般隧洞中常见的变形破坏方式除拱顶下沉、坍塌外,还有片帮和底鼓、底围隆破,隧洞表现出强烈的整体收敛和破坏。
如果围岩变形过大,可能会诱发塌方等隧道事故。
由于软岩隧道变形收敛速度高,在短时间内收敛值就会很大,在常规无仰拱支护的情况下,强烈的底鼓往往会将整个隧道封闭,所以软岩隧道的来压快。
一般的锚杆长度不够,往往不能伸入围岩弹性区进行锚固,这是许多软岩隧道锚喷支护失败的根本原因。
对应围岩变形破坏,维持隧洞的结构稳定,支护结构应具备下列要求。
1)支护体系应采取及时支护、限制变形、先柔后刚、封闭成环的原则。
2)支护可采用可缩钢架、可缩锚杆和多层钢纤维的喷锚等。
3)采用可缩式钢架时,应快速封闭成环。
4)喷射钢纤维混凝土宜采用逐层加喷作业,并在隧道纵向预留间隙。
5)支护总压缩量应与预留变形量一致。
ShieldEquipment&Project盾构工程建筑机械化2012(11)752.2岩爆及应对措施2.2.1岩爆分类及特征岩爆是高地应力区的地下工程在开挖过程中或开挖完毕后,围岩因开挖卸荷发生脆性破坏而导致储存在岩体中的弹性应变能突然释放且产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛射现象的一种动力失稳的地质灾害。
岩爆的特征可从多个方面去描述,根据岩爆特征、岩爆危害方式、危害程度以及对其防治对策等因素主要分为破裂松脱型、爆裂弹射型、爆炸抛射型。
此外,还有冲击地压型、远围岩地震型、断裂地震型等,但隧洞施工中很少遇到。
通过对已发岩爆的地下工程作调查,可对岩爆的特征归纳为以下几点:
岩块从开挖的坑壁迅速飞出,严重时整个掌子面瞬间破坏;在世界各地的深矿山中经常发生,在非常深的矿山中有衬砌瞬间破坏的情况,多是附近矿山开挖所致;在深度超过700m的情况发生的居多;岩质不同发生的方式不同;有涌水时不易发生;与地层的方向、节理、夹层等强烈相关,例如顺层的发生多;岩块的大小各式各样,但多是扁平的;在TBM隧道掘进机开挖过程中掌子面的岩爆发生较多。
2.2.2岩爆防治措施岩爆防治应从预测预报入手,像其他地质灾害一样,岩爆发生前也有前兆,主要表现在:
坑壁出现微破裂,可听到劈开的声音;钻孔岩芯出现饼化现象,岩饼中间厚0.53cm,四周薄,端口新鲜,常有间切擦痕,一般来说,越靠近坑道周边,岩饼越薄。
同时可用声发射仪进行监测,确定高应力集中点,即岩爆地点。
采取控制围岩应力和变形的措施如下。
1)围岩加固围岩加固措施是针对已经开挖隧洞的周边加固以及掌子面前方的加固。
这些措施可以改善掌子面本身以及12倍隧洞直径范围内围岩的应力状态并可防止弹射、塌落。
从工程实践来看,按照岩爆的程度不同,目前采取的加固措施大致有以下几种:
岩石剥落,破坏不严重在掌子面上喷射混凝土,安设摩擦型锚杆,按要求使用垫板,锚杆长度应为2倍循环进尺;中等程度的岩爆在掌子面上喷射混凝土,布置系统的摩擦型锚杆,锚杆长度要求2倍进尺深度,同时进行锚网加强支护,特殊地段进行超前喷射混凝土;剧烈的岩爆在某些特殊情况下,如岩爆发生频繁且较剧烈,通常采用钢筋网、单钢筋加强网片或钢支撑配合锚喷支护进行加固,特殊地段进行超前喷射混凝土。
2)超前应力解除法超前应力解除法是在施工过程中,超前钻孔释放应力,即在掌子面向应力集中区打钻孔,进行松动爆破或注入高压水,使岩体产生裂隙,促使一部分应力释放,减小应力集中。
3)洞顶施做应力释放孔在正常支护措施完成后,隧道环向施做应力释放孔,孔深大于锚杆长度,呈梅花形布置。
4)改变围岩性质对富含瓦斯的岩层,经常使用对围岩预注水的方法,使部分瓦斯融解于水以达到改变岩层的性质。
3工程实例中天山隧道由于埋深大,且岩石单轴抗压强度大,裂隙水不发育,开挖过程中由于高极高地应力作用发生岩爆次数较为频繁。
中天山隧道施工采用敞开式全断面TBM掘进机,在应对高地应力施工区主要采取的措施。
3.1采取针对性支护对于围岩收敛变形进行锚杆、网片、超前喷射混凝土、钢筋加强网片等加强措施进行支护。
对于轻微岩爆的处理方法为钻环向应力释放孔进行应力释放,然后在进行锚杆、网片、喷射混凝土支护。
对中等和强烈的岩爆的处理办法除了施做环向应力释放孔释放一部分应力之外,还必须进行锚杆、网片、喷射混凝土、钢筋加强网片等支护措施,特殊地段需采用钢拱架、封钢板回填注浆等措施来控制落石,必要时进行循环喷射混凝土,防治高地应力引起隧道大塌方影响施工安全和施工进度。
由于掌子面上岩爆发生频率高于洞壁,岩爆(下转第85页)盾构工程ShieldEquipment&Project建筑机械化2012(11)85中图分类号TH213文献标识码C文章编号1001-1366(2012)11-0083-03收稿日期2012-09-05不高,对起重机械的性能不了解,对安全没有起到把关作用;四是没有摆正工期、效益与安全的关系,只是抢工期、重效益而忽略安全;五是领导盲目指挥,不尊重科学、不尊重技术人员的意见,指挥操作人员蛮干;六是对分包队伍自带及租赁的起重机械管理没有纳入整个项目的安全体系中来,以包代管、以租代管现象普遍。
4起重机械安全监管的问题这里讲的安全监管包括企业内部和国家技术监督部门两方面,企业内部的监管是关键,同时国家技术监督部门的监管是不可缺失的。
企业内部必须设立监督部门或人员,而且要有职有权。
对在监督过程中发现的没有按照有关制度实施或安全隐患没有及时整改的情况要有处罚措施,而且必须到位。
重要的是让被处罚者改正错误,以便在公司内部形成一个良好的氛围。
现在部分规模较大的公司部门、人员、制度等齐全,但实施起来效果不佳,而规模较小的公司尤其是个体私营公司部门人员建制不全,这都是起重机械安全管理的大忌。
近些年,国家质检总局在特种设备方面尤其是起重机械安全管理方面连续出台了法律法规5个,部门规章5个,安全技术规范33个,有关标准数百个。
尤其是制造、安装监检等的实施,起到了很好的作用。
但对于地市级的年度检验来讲,有些地方的监督把关就显得差强人意。
主要问题是:
年度检验形同走过场,关键的问题发现不了;对企业的指导不够;组织举办的培训班效果不佳。
这种情况也要得到其上级部门的监督方能杜绝。
5结语起重机械的安全管理是一项系统工程,必须依靠各环节的技术、管理、操作、起重、检修等人员去共同把关才可能减少乃至杜绝事故的发生。
同时,还要得到各级领导的重视和支持。
我们相信,只要脚踏实地,按照国家质检总局关于对特种设备的一系列要求去做,起重机械的安全管理工作一定能做好。
(编辑张磊庆)(上接第75页)的突发性使接近掌子面的作业人员尤其是对TBM进行换刀的作业人员受到威胁,因此在岩爆段换刀时应迅速退机,使刀盘和掌子面保持一定距离,并用冷水喷洒或喷射混凝土后再进行作业。
3.2加强现场管理与安全警戒加密围岩收敛点,测量人员进行24h严密监控。
岩爆地段必须布设警示牌,派专职人员进行岩爆地段的松石、危石的清理并负责24h作业面的安全巡查工作。
岩爆发生的时机、部位不定,无明显预兆,持续时间长短不一。
施工时,要派专人观察,加强安全警戒。
强岩爆发生时,暂停施工,人员撤至安全地带躲避,待岩爆减弱或停止时,先行喷水喷混凝土,再进行锚杆、挂网复喷混凝土等作业。
4结语TBM长大隧道施工中高地应力引起隧道发生围岩收敛变形与岩爆等现象屡见不鲜,不同地质环境情况所表现的性质特征不同。
围岩收敛与岩爆的防治需要吸取国内外的施工经验,理论与实际相结合,针对不同工况总结出相对应的防治措施。
(编辑张磊庆)中图分类号U455.7;U458.1文献标识码C文章编号1001-1366(2012)11-0074-02收稿日期2012-08-31使用&管理Use&Management
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