一种小断面水利隧洞TBM掘进沉降和涌水段处理方法

技术领域

本发明涉及一种隧洞施工方法，特别是一种小断面水利隧洞TBM掘进沉降和涌水处理方法。

背景技术

随着国家经济与科技的快速发展，大量各种类型的隧洞工程在全国各地兴建，而TBM掘进技术作为一种新型的隧洞掘进技术具有掘进高效快速、成洞质量好、安全环保等优点因而在各种隧洞施工场地大放异彩。

TBM掘进技术的核心是隧洞掘进机（即所谓的TBM）这种用来在各类地质条件下掘进隧洞的新型施工机械，它的基本构造是配有刀盘的主机、连接桥和后配套，按照具体的构造可以分为开敞式TBM、单护盾TBM和双护盾TBM。利用TBM进行隧洞掘进的突出优点是成洞高效快速，掘进速度一般可以达到钻爆法施工速度的4到10倍，每日进尺可以达到150m以上。但是由于TBM这种机械本身的地质条件适应性较差，当其在掘进过程中遭遇沉降、涌水、塌方等不良地质现象时，往往会影响隧洞掘进的速度和效率，严重时可能导致TBM停机或机械损坏，甚至导致现场发生安全事故。因此当采用TBM掘进技术施工时，对在施工过程中遭遇的围岩沉降和涌水等不良地质现象进行及时有效的处理以使TBM继续顺利作业就显得十分必要。

发明内容

本发明的目的就是提供能快速安全的对沉降和涌水段进行处理的小断面水利隧洞TBM掘进沉降和涌水段处理方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种小断面水利隧洞TBM掘进沉降和涌水段处理方法，所述方法包括如下步骤：

1）通过超前地质预报探测沉降和涌水段；

2）对沉降和涌水段周边围岩喷护，封闭施工；

3）对沉降和涌水段围岩进行注浆加固；

4）注浆加固完成后，采用开挖取样法对加固效果进行检查；

5）TBM恢复掘进。

其中，为了施工的安全性，在所述步骤3）中，当沉降和涌水段范围较大时，划分区段进行加固。

其中，在所述步骤1）中，包括如下步骤：

（1）采用TSP超前地质预报系统进行地质预报；其中，一次预报距离为100米～150米，获得一次预报距离范围的掌子面前方围岩的地质情况，该地质情况包括TBM掘进前方不同距离段内围岩的破碎情况、节理裂隙发育情况、围岩富水情况及发生突水涌水的可能性；通过地质情况分析断层、破碎带、地下水等不良地质现象的空间位置和范围，继而预报沉降和涌水段的位置、范围和可能的沉降量，探明是否存在富水、岩石完整状况、断层情况；

（2）完成TSP长距离地质预报后，再利用激发极化法对TBM刀盘前方30m范围内进行探测，了解前方30m范围内富水情况，通过两种电法物探的方式进行相互校核；

（3）将TSP长距离地质预报与探地雷达短距离探测所得的围岩地质信息进行综合，若发现两种方法所得信息不一致，则进行辅助钻探，做进一步的地质情况查明，揭示钻探位置的围岩情况，通过钻取的岩芯分析围岩的破碎程度、节理裂隙发育状况和围岩富水程度，与两种地质预报方法所获得的围岩信息对比分析，剔除不符合的围岩信息；根据综合之后的地质预报所反映的围岩地质信息，确定出隧洞掌子面前方不良地质洞段的范围。

进一步，在所述步骤2）中，采用C25混凝土进行喷护封闭施工；其中，在TBM掘进过程中发现刀盘前方出现涌水及推进压力变小，需及时对护盾区域已掘进露出的岩体进行封闭；混凝土喷射作业完成后，设置隧洞洞顶沉降观测点和净空水平收敛观测点，反映封闭施工后周边围岩的稳定状况。

进一步，在所述步骤3）中包括如下步骤：

（1）在隧洞周边围岩堵水施工完成之后，对注浆孔进行钻孔，其中，注浆孔沿隧洞周边布设，钻孔深度25m、环纵向间距1.5m和1m、外插角为8º；

（2）注浆孔完成后，检查成孔质量，清洗所有注浆孔；采用单液浆和双液浆向注浆孔内注浆，形成围岩加固体，其中，注浆压力为0.1～1MPa，注浆试验按照以下流程进行：

在掌子面附近选择注浆试验地段并布设注浆试验孔，布孔间距为4m×4m；配置多组不同浆液配合比的单液浆和双液浆，按照拟定的工艺进行钻孔、冲洗、压水试验和注浆；注浆时根据每分钟单孔注浆量判定注浆压力及浆液扩散半径是否合理；注浆试验完成后通过取芯的方式检查注浆效果。

进一步，在所述步骤4）中包括如下步骤：

（1）在注浆完成形成围岩加固体后进行开挖取样，得到注浆加固体试件；观察掌子面围岩，以及开挖取样后浆液对掌子面内地层的加固效果，根据浆液填充围岩空隙缝隙情况判断注浆效果；

（2）将获取的注浆加固体试件进行性能指标测试，检测其抗压强度、含水量和孔隙率指标，依据检测结果判断注浆加固效果是否达到施工要求，检测注浆前后岩体透水率变化，钻孔取芯获得浆液在岩体裂隙中的结石，观察浆液与岩体的结合情况，并检测结石的物理力学参数，综合岩体透水率变化、浆液结石程度及其物理力学指标确定最佳浆液配合比及注浆压力；

（3）注浆完成后，采用涌水量对比分析法与检查孔取芯法一同对注浆效果进行检测，通过对注浆过程中各钻孔涌水量变化规律进行对比，或对注浆前后涌水量进行对比，从而对注浆堵水效果进行评价，通过对检查孔取芯率、岩芯的完整性、岩芯强度试验进行综合分析，判定注浆效果，检测完成后封闭检查孔；

（4）若加固效果不理想，未能达到预期要求，则对沉降和涌水段施作管棚，采用直径120mm的热轧无缝钢管、钢管单节长度为5m、总长为30m、环向间距40cm、外插角为10°，作为二次围岩加固措施。

其中，在所述步骤3）中，当沉降和涌水地段范围较大，无法一次注浆加固到位时，已加固段掘进完成后暂停掘进，重复步骤（2）～（4）直至沉降和涌水地段全部掘进通过。

由于采用了上述技术方案，本发明具有施工便捷、安全性高的优点，采用它能够快速的对沉降和涌水段进行探测，通过喷护和注浆加固使得沉降和涌水段更加稳固，保证了TBM掘进和通过沉降段和涌水段的案件，避免了刀盘停机以及机械损坏状况的发生，提高了施工效率，缩短了施工时间，降低了施工成本。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的施工流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例1：如图1所述，一种小断面水利隧洞TBM掘进沉降和涌水段处理方法，所述方法包括如下步骤：

1）通过超前地质预报探测沉降和涌水段；

2）对沉降和涌水段周边围岩喷护，封闭施工；

3）对沉降和涌水段围岩进行注浆加固；

4）注浆加固完成后，采用开挖取样法对加固效果进行检查；

5）TBM恢复掘进。

其中，为了施工的安全，在所述步骤3）中，当沉降和涌水段范围较大时，划分区段进行加固。

在本发明中，在所述步骤1）中，包括如下步骤：

（1）采用TSP超前地质预报系统进行地质预报；其中，一次预报距离为100米～150米，获得一次预报距离范围的掌子面前方围岩的地质情况，该地质情况包括TBM掘进前方不同距离段内围岩的破碎情况、节理裂隙发育情况、围岩富水情况及发生突水涌水的可能性；通过地质情况分析断层、破碎带、地下水等不良地质现象的空间位置和范围，继而预报沉降和涌水段的位置、范围和可能的沉降量，探明是否存在富水、岩石完整状况、断层情况；

（2）完成TSP长距离地质预报后，再利用激发极化法对TBM刀盘前方30m范围内进行探测，了解前方30m范围内富水情况，通过两种电法物探的方式进行相互校核；

（3）将TSP长距离地质预报与探地雷达短距离探测所得的围岩地质信息进行综合，若发现两种方法所得信息不一致，则进行辅助钻探，做进一步的地质情况查明，揭示钻探位置的围岩情况，通过钻取的岩芯分析围岩的破碎程度、节理裂隙发育状况和围岩富水程度，与两种地质预报方法所获得的围岩信息对比分析，剔除不符合的围岩信息；根据综合之后的地质预报所反映的围岩地质信息，确定出隧洞掌子面前方不良地质洞段的范围。

其中，TSP为隧道地震勘探。

为了保证施工周边的安全，防止在注浆加固过程中，围岩碎石掉落以及注浆后漏浆情况的发生，在所述步骤2）中，采用C25混凝土进行喷护封闭施工；其中，在TBM掘进过程中发现刀盘前方出现涌水及推进压力变小，需及时对护盾区域已掘进露出的岩体进行封闭；混凝土喷射作业完成后，设置隧洞洞顶沉降观测点和净空水平收敛观测点，反映封闭施工后周边围岩的稳定状况。

为了对隧洞周边进行加固，在所述步骤3）中包括如下步骤：

（1）在隧洞周边围岩堵水施工完成之后，对注浆孔进行钻孔，其中，注浆孔沿隧洞周边布设，钻孔深度25m、环纵向间距1.5m和1m、外插角为8º；

（2）注浆孔完成后，检查成孔质量，清洗所有注浆孔；采用单液浆和双液浆向注浆孔内注浆，形成围岩加固体，其中，注浆压力为0.1～1MPa，注浆试验按照以下流程进行：

在掌子面附近选择注浆试验地段并布设注浆试验孔，布孔间距为4m×4m；配置多组不同浆液配合比的单液浆和双液浆，按照拟定的工艺进行钻孔、冲洗、压水试验和注浆；注浆时根据每分钟单孔注浆量判定注浆压力及浆液扩散半径是否合理；注浆试验完成后通过取芯的方式检查注浆效果。

在本发明中，单液浆为水泥浆，双液浆为水泥+水玻璃混合而成，混合比例为1：1.

为了保证加固质量，在所述步骤4）中包括如下步骤：

（1）在注浆完成形成围岩加固体后进行开挖取样，得到注浆加固体试件；观察掌子面围岩，以及开挖取样后浆液对掌子面内地层的加固效果，根据浆液填充围岩空隙缝隙情况判断注浆效果；

（2）将获取的注浆加固体试件进行性能指标测试，检测其抗压强度、含水量和孔隙率指标，依据检测结果判断注浆加固效果是否达到施工要求，检测注浆前后岩体透水率变化，钻孔取芯获得浆液在岩体裂隙中的结石，观察浆液与岩体的结合情况，并检测结石的物理力学参数，综合岩体透水率变化、浆液结石程度及其物理力学指标确定最佳浆液配合比及注浆压力；

（3）注浆完成后，采用涌水量对比分析法与检查孔取芯法一同对注浆效果进行检测，通过对注浆过程中各钻孔涌水量变化规律进行对比，或对注浆前后涌水量进行对比，从而对注浆堵水效果进行评价，通过对检查孔取芯率、岩芯的完整性、岩芯强度试验进行综合分析，判定注浆效果，检测完成后封闭检查孔；

（4）若加固效果不理想，未能达到预期要求，则对沉降和涌水段施作管棚，采用直径120mm的热轧无缝钢管、钢管单节长度为5m、总长为30m、环向间距40cm、外插角为10°，作为二次围岩加固措施。

进一步，为了保证施工的安全，在所述步骤3）中，当沉降和涌水地段范围较大，无法一次注浆加固到位时，已加固段掘进完成后暂停掘进，重复步骤（2）～（4）直至沉降和涌水地段全部掘进通过。

本发明适用于在小断面水利隧洞中利用TBM掘进时遭遇围岩沉降和涌水段进行处理，通过日益成熟的超前地质预报技术对掌子面前方围岩进行探测能够有效判断出可能存在的围岩沉降和涌水情况；利用掌子面封闭施工来预防不良地质状况对已掘进隧洞和TBM施工机械的可能危害，并能够防止在之后的注浆加固施工中围岩碎石掉落和注浆后漏浆的情况；对沉降和涌水段的加固利用单液浆和双液浆这两种浆液通过注浆孔注入到围岩中，形成围岩加固段，本发明技术简单、施工便捷且有效的处理方式在小断面水利隧洞中具有相当的可行性；本发明利用“探测+预防+注浆处理”的小断面隧洞沉降和涌水段处理方式既能够有效避免延缓TBM掘进的施工速度，保证隧洞施工按照工期要求进行，也能够保证TBM掘进通过沉降和涌水段时的安全，避免TBM刀盘停机甚至机械损坏的状况的发生。