导坑超前工法的研究.docx
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导坑超前工法的研究
TBM导坑超前工法的研究
——大断面隧道施工方法之一
TBM导坑衬砌施工方法是在超大断面隧道的施工方法中,利用TBM快速施工的特征而形成的一种施工方法。
这是一种在开挖主洞之前,先用TBM快速掘进一个超前导坑,进行地质调查、排水、对超大断面隧道围岩改良等作业,而后用爆破法进行扩挖的一种施工方法。
1、TBM导坑的目的
超大断面隧道TBM导坑的主要目的是:
·确认前方围岩的地质状况;
·对前方围岩进行改良;
·高速掘进。
2、适用的地质条件
从目前的技术状况看,适用于比较良好的围岩,对不良地质要考虑具有一定的风险。
按日本的围岩分级,Ⅰ~Ⅳa级围岩可以采用,而Ⅳb、Ⅳc级也勉强可以应用,但需辅以相应的辅助工法,因为在这种情况下,围岩崩塌、土砂流出、涌水等,会使掘进成为不可能,软弱的围岩也会造成机体下沉等,因此,需要辅以一定的辅助工法。
Ⅴ、Ⅵ则应另行研究。
3、TBM的施工长度、掘进速度
TBM施工长度,从出碴等施工性考虑,最好在1.5km以上,如考虑经济性最好在5km以上。
超大断面隧道采用TBM导坑超前工法时,如果另外考虑TBM到机械费用,大概在2km以上是比较适宜的施工长度。
从最近的实绩看,TBM的月掘进速度约在100~350m左右,但遭遇不良地质时,速度会大幅度降低。
4、TBM的形式
TBM的形式有开敞式、复合地质式、全地质式等,最近采用的,有50%以上属于全地质式,越来越多地采用全地质式掘进机是一个趋势。
5、TBM开挖直径
TBM的开挖直径应根据其目的、力学稳定性、施工性、工期及经济性等综合考虑决定。
在地质条件和掌子面稳定性条件的容许范围内,尽可能地采用较大开挖直径的TBM为宜。
日本的经验认为,在超大断面隧道中,为了能够确保主洞围岩改良和补强的空间,最好采用直径5.9m的掘进机。
6、TBM导坑的设置位置
基本上有四个位置可以考虑。
·上半断面的顶部(顶设方式)
·下半断面的底部(底设方式)
·两侧壁部(侧壁方式)
·其它位置
下面加以简要说明。
6.1顶设方式
国外、特别是欧洲,TBM导坑设置在顶部的事例比较多。
日本秋田2号公路隧道也是设在顶部。
其优缺点是:
·能够确认隧道上半断面的地质状况,可取得主洞掘进时的掌子面稳定与否定最有用的资料;
·为了从上半断面进行围岩改良,这是改良拱部围岩最优点位置;
·主洞开挖一开始就可以利用导坑作为通风坑道,同时主洞石碴对导坑的影响比底设方式、侧壁方式都小;
·排除地下水,上半断面也是有效的,但开挖下半断面时,效果不好,要另外采取排水对策;
·TBM导坑的施工步骤,顶设方式与主洞同时并进是困难的。
因为同时进行上半断面开挖好出碴非常困难。
因此,最好在导坑贯通后,进行主洞的扩挖。
在顶设方式中,因上半断面的扩挖高度约8m左右,因此导坑的配置有设在上半断面上部和下部2个位置。
表8对其进行比较,认为配置在上半断面下部比较有利。
表8TBM导坑配置位置比较
项目
上半断面上部
上半断面下部
略图
地质确认
能够直接确认隧道大板的地质状况,扩挖时能够正确评价拱顶的稳定性
对隧道顶部队地质确认稍微不利
事前围岩改良
围岩补强的锚杆打设角度条件差,注浆及向下打锚杆的情况多,效率差
锚杆布置比较理想,支护效果好。
向下打锚杆的情况少,效率高
通风坑道的利用
能够有效地排除有害气体
有害气体可能滞留在上部空间
涌水排除
地下水位仅能降低到上部断面
能够让地下水位降低到上半断面附近
扩挖时的施工性
爆破也好,机械扩挖也好效率差,因导坑开挖拱顶有松弛的危险、
因是横向扩挖,效率好,导坑与上半断面底在同一水平,施工安全性高
图1是顶设方式的施工模式图
图1顶设方式的TBM导坑超前工法例
【施工事例】隧道名称:
意大利铁路隧道(PonteCardena),隧道长13200m。
采用顶设方式。
主要地质条件为凝灰岩、片岩等,抗压强度120~160MPa,部分为10~80MPa。
导坑掘进采用3.5m直径的掘进机。
图2为导坑配置及隧道断面图。
图2开挖断面图
施工实绩:
-平均月进:
39.8m,最大日进78m,最大月进1525m。
【施工事例】日本富士川隧道,长4.5km,在突破断层破碎带时采用TBM导坑掘进。
导坑配置采用顶设方式,如图所示。
图TBM导坑配置图
为了查明地质状况,首先沿隧道全长用3.5m直径的TBM掘进一条长4754m的辅助坑道。
从辅助坑道掘进中,不仅确认得不良地质地段,也验证了TBM掘进的问题。
因此在主洞扩挖中,采用了直径5.0m的TBM。
进行掘进。
导坑设在隧道顶部。
【施工事例】日本铃鹿公路隧道,成3938m,开挖断面积190m,其中3694m采用直径5.0m导坑掘进机掘进(图)。
图标准断面及导坑配置图
主要地质条件是砂岩、砾岩及泥岩。
抗压强度增20~10MPa之间。
隧道穿越大小30余条断层。
全体平均月进359m,最大月进769m。
6-2底设方式
TBM导坑配置在底部的优缺点如下。
·作为超前导坑确认地质状况:
由于确认隧道下部的地质状况,在上下断面地质条件各异的围岩中,要特别注意,对上半断面地质的判定;
·因导坑配置在下部,进行拱顶部分围岩改良时,改良范围和施工区域都必顶设方式大;
·导坑可以有效地利用作为主洞扩挖时的通风坑道,但配置在底部的场合,上半断面的通风状态毕顶设方式差;
·排除地下水,效果比较好;
·导坑的施工步骤有可能与主洞同时并进,特别是在工期受到限制的场合。
图2是底设方式的施工模式图
图2底设方式施工模式图
【施工事例】
隧道名称:
意大利Camporosso隧道。
长7027m,用TBM导坑掘进6500m。
导坑TBM直径3.9m,设在隧道底部。
其主要地质条件是泥灰石灰岩、石灰质
页岩。
隧道断面及导坑配置图见图1。
图1隧道断面及导坑配置图
6-3侧壁方式
作为自隧道两侧配置导坑的方式,在日本、捷克等国家都有实例。
此方式的特征如下。
·可以在主洞扩挖前确认地质状况,这与工期的侧壁导坑法是一样的。
·导坑位于隧道断面下部,特别是设两个导坑,排水效果好;
·扩挖上半断面时,可以从两个导坑同时进行上半断面的围岩改良作业;
·因是超大断面,上半断面的支撑有可能产生下沉,侧壁方式可以防止脚部下沉;
·TBM导坑的施工步骤有可能与主洞同时并进,特别是在工期有限制的场合。
侧壁方式的施工模式图示于图3。
图3侧壁方式施工模式图
【施工事例】
隧道名称:
舞子公路隧道,隧道长度:
600m,主要地质条件:
花岗岩,抗压强度500~2000khf/cm,埋深20~60m。
舞子隧道采用侧壁TBM导坑方式,其布置示于图3。
图3TBM导坑配置图
施工实绩:
平均日进:
7.6m;平均月进:
183m;最大日进:
13.8m;最大月进:
216.3m。
7、结束语
目前,在大断面隧道施工中,日本推荐的施工方法如下图所示。
台阶法TBM导坑超前法
导坑超前法上半断面中壁法侧壁导坑超前法
图代表性施工方法
主流施工方法是台阶法。
为了适应地质条件的变化,台阶法可有多种变化方案,如导坑超前法、中壁法等,但都是在台阶法的基础上变化的。
在推荐的方法中导坑超前法占据重要地位。
为了适应隧道机械化施工的发展,导坑超前法中,TBM导坑超前法有了进一步的发展。
这是一种趋势应该引起我们的关注。
对上述方法的比较研究结果如下。
工法
优点
缺点
适用围岩
上半断面超前台阶法
·能够利用大型施工机械、施工性好
·与CD法并用,即使遇到不良地质疑难适应
·在超大断面的场合,掌子面稳定性没有其它方法好。
比较适合良好的围岩
C1~C2
上半断面中壁法
·与CD法比,掌子面稳定性高,在不良地质条件下,辅助工法规模也小
·超前的掌子面也可以与导坑一样确认地质状况
·在适用区间连续条件下,比CD法的开挖速度毫不逊色
·综合速度较慢
·后进侧拱顶附近的锚杆不能成直角打设
·中壁要废除
·通风方法要研究
C2~D
采用辅助工法的短台阶法
·能够有效利用大型机械,施工性好
·视围岩条件变化,可变为台阶法
·辅助工法规模大
·需要掌子面前方探查,以决定辅助工法
C2~D
导坑超前法
·比CD法,掌子面稳定性高,辅助工法规模也小
·有涌水的场合,导坑可以作为排水坑道
·可从导坑进行围岩补强
·导坑和扩挖交互掘进。
掘进速度低
·导坑需要通风
·导坑支护要废除
C2~D