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一、坍滑、坍塌的主要类型、形态及原因分析
TBM进入软弱破碎围岩时出现坍滑、坍塌的主要类型、形态随围岩类别、岩性、节理发育、节理走向的不同而有所不同,在TBM掘进时围岩出现坍滑、坍塌的情况主要有以下5种:
(1)工作面前方出现坍滑、坍塌:在TBM刀盘的正前方开挖断面Φ8.8 m以内出现围岩坍滑、坍塌。
原因分析:TBM刀盘前部围岩破碎,节理很发育,围岩失稳,大范围松动、剥落,掌子面坍塌。
(2)刀盘前上方及刀盘前部出现坍滑、坍塌:TBM刀盘前上方呈锅底状,并随时有岩石掉落现象发生;TBM刀盘的正前方出现围岩坍滑、坍塌,围岩呈自然斜坡状,此时坍滑、坍塌部位扩展到开挖断面Φ8.8 m以外。
原因分析:TBM刀盘前上方及刀盘前部围岩破碎,节理很发育,围岩失稳,大范围松动、下沉,整个掌子面坍塌,刀盘前上方岩石极不稳定,随时有掉落的可能,随岩石的塌落,上部塌腔将逐渐增大。
(3)刀盘顶护盾上方出现围岩坍滑、坍塌:TBM刀盘顶护盾上方塌落的岩石紧压护盾,或呈半锅底状,并随时有岩石掉落现象发生。
原因分析:TBM刀盘护盾上方围岩节理很发育,塑性围岩。先期掘进时处于相对稳定状态,当刀盘切削完成后处于护盾上方时,由于地应力的影响,围岩收敛变形,加上护盾振动的影响,围岩失稳、松动、剥落。
(4)刀盘于护盾外侧出现围岩坍滑、坍塌:刀盘于护盾外侧出现岩石塌落、掉落,根据围岩类别、岩性、节理发育及走向不同而形状各异。
原因分析:围岩节理很发育段,先期掘进时处于相对稳定状态,当刀盘切削完成后处于护盾外侧时,由于地应力的影响,围岩收敛变形,加上护盾振动的影响,围岩失稳、松动、剥落。
(5) TBM主机支撑区边墙坍滑:先期掘进后,开挖面处于相对稳定状态,当刀盘切削完成后处于撑靴位置时,由于撑靴的挤压,围岩失稳、松动、坍滑。
原因分析:撑靴挤压。
二、出现围岩坍滑、坍塌后的主要处理措施
在软弱围岩地带,围岩自稳时间较短,一般按照超前管棚、支立钢拱架、锚喷、挂钢筋网、喷混凝土的顺序施工。
1.围岩破碎地段的处理
对于围岩局部破碎地段,利用TBM刀盘护盾上部的指形防护栅,在隧道顶部120°范围内安全地安装Φ22 mm砂浆锚杆,挂双层钢筋网,及时超前喷护,稳定围岩。
若围岩破碎带较宽,在TBM开挖前,可利用超前钻机施作超前管棚,Φ108 mm钢管,间距30 cm,长18 m,在隧道拱部约120°范围内形成稳定支护区;然后边架立拱架边掘进,掘进8m左右即施作下一组管棚,与前组管棚间保证一定的搭接宽度,直至TBM通过该破碎带。
2.拱顶处的坍塌处理
岩石开挖后在刀盘护盾处出现部分崩塌或局部掉块,主要处理措施:加密Φ22 mm砂浆锚杆,挂双层钢筋网(10 cm×10 cm),将锚杆头与钢筋网焊接为一体,再喷射混凝土,此过程不影响TBM正常掘进。
岩石开挖后在刀盘或刀盘护盾处出现较大坍塌,必须停机处理。先停机处理护盾顶部危石,进行超前喷护,同时架立钢拱架,在钢拱架与护盾顶部搭焊短钢管,钢管上面焊接2 mm厚钢板封闭塌腔。随刀盘前进,逐一架立钢架、钢板封闭,用C20号细石混凝土回填密实,使塌腔与周围岩石连为一体。
3.拱墙处(撑靴处)坍塌的处理
一般小范围的软弱结构可通过锁死部分撑靴的方法通过。此时外机架支撑面积较小,要相应调整掘进参数,TBM才能安全通过。此过程中TBM不用停机。
拱墙处发生较大坍塌时,造成TBM外机架一侧的撑靴无法支撑,必须停机处理。施工中采用联合支护方式,先清理危石,塌腔及其周围利用超前喷头喷射8 cm厚混凝土,架立钢拱架,在钢拱架与塌腔之间用2 mm厚钢板封闭,用棉纱堵塞漏洞,用C20号混凝土回填塌腔,回填密实后整个钢板外围再喷射5 cm厚混凝土,使回填混凝土与围岩连成一体,待混凝土初凝后方可掘进。
4.撑靴部位位于软弱地段的处理
TBM的支撑系统采用双排四角支撑,由2个支撑部分(外机架1、外机架2)组成。每个支撑部件由8个撑靴组成,额定总支撑力91000 kN,在额定的总支撑力下撑靴接地压力为190 N/cm²。每个撑靴都能独立操作。TBM掘进时,支撑靴支撑着设备的重量,并将推力和扭矩的反力传给拱墙的岩壁。当拱墙围岩强度不足以支撑撑靴压力时,TBM将无法进行掘进。
主要处理措施是:
(1)将拱墙支撑靴部位进行换填处理,架立钢模板,封闭模板四周,用C20混凝土回填,待回填混凝土初凝后,再重新撑紧外机架进行掘进。
(2)在岩石松散、支撑力不足的情况,可采用在撑靴位置打迈式锚杆注浆加固岩石,同时调整撑靴压力,加大撑靴面积,避免出现反力不足、撑靴深陷的情况。
三、防止围岩坍滑、坍塌的主要措施
有效地进行超前地质预报、超前注浆预加固及采取科学的支护手段、选择合理的掘进参数,是减少、防止围岩坍滑、坍塌的主要措施。