专利名称：一种tbm施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法
技术领域：
本发明涉及隧道开挖与支护领域的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段采用钻 爆法开挖上导洞尔后TBM开挖全断面的联合掘进方法，主要用于采用TBM法开挖、且全部或 部分洞段存在极强或强岩爆风险的水利水电、交通等高应力隧道中。
背景技术：
岩爆是高应力地下工程中，岩体内积聚的高应变能突然释放而导致的强烈的围岩 破坏。其基本特征是突然和强烈，对现场施工人员、设备造成极大的危害。至今，国内外对岩 爆的工程处理措施研究的比较多，既包括施工开挖措施，也包括支护控制措施，归纳起来， 可分为两种第一种是降低岩体中积聚的能量；第二种是提高岩体的储能能力。第一种包 括应力解除爆破、高压注水、工作面喷水、钻应力释放孔、洞壁切槽、开挖中导洞等措施，这 些措施在国际上很早就进行了应用，且在国内的苍岭特长隧道、二郎山隧道、拉平隧道、秦 岭隧道、天生桥水电站引水隧洞等工程中也进行过应用，积累了丰富的经验和技术，但对于 极强或强岩爆问题，除应力解除爆破法外，其他施工措施的效果均不理想，中导洞方法甚至 存在加剧扩挖施工过程中岩爆风险的案例。第二种主要为围岩的支护技术，包括缓冲剧烈 冲击的柔性支护、抵抗冲击的刚性支护以及二者结合的支护方式，但是根据国内外的研究 成果及工程应用效果的评价可知，仅仅依赖支护系统无法达到完全控制极强或强烈岩爆的 目的，对于钻爆法施工隧道，综合采用这两种控制方法可达到很好的效果。当前所有的岩爆控制技术均是针对钻爆法开挖而研究提出的，而TBM庞大的机械 设备、特殊的掘进方式和有限的操作空间无法像钻爆法那样采用灵活多变的措施，在钻爆 法中被认为效果较好的应力解除爆破法也因此无法应用。在极强或强岩爆情况下，单纯支 护系统的控制能力是有限的，且过强的支护控制措施意味着大量的支护作业，将占用大量 的TBM掘进时间，大大降低TBM的掘进效率，无法发挥其快速掘进的优势。故对于TBM施工 隧道极强或强岩爆洞段的掘进，在支护控制效果存在局限性的前提下，TBM的全断面掘进面 临巨大的风险，国内曾发生极强岩爆将TBM设备损毁的实例。当前国内TBM施工隧道极强或 强岩爆问题的施工控制技术基本处于空白状态。随着水利水电、交通等工程中高应力特长 穿山隧道越来越多，且计划采用TBM方法掘进的隧道也日益增多，因此，该问题亟待解决。
发明内容
针对上述存在问题，本发明的目的在于提供一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段 的联合掘进方法，旨在克服TBM掘进方法无法应对极强或强岩爆问题的局限性，充分利用 钻爆法施工控制措施的灵活性和TBM快速掘进的优势，达到既能控制极强或强岩爆问题、 保证施工安全、保护TBM设备，又能充分发挥TBM快速掘进的优势、保证工程进度的目的。本发明所采用的技术方案是一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方 法，联合掘进方法按以下步骤进行①TBM施工隧道开挖断面的设计，开挖断面分为两部分，上部分为上导洞，下部分为TBM掘进断面，②上导洞掌子面开挖，上导洞开挖采用钻爆法开挖，③对上导洞每循环开挖过程中揭露的围岩进行及时喷锚支护，④TBM掌子面距离上导洞掌子面5倍上导洞开挖断面跨度以上且大于80m才进行 TBM掘进和支护作业。所述的TBM施工隧道的设计开挖断面直径大于10m。所述的上导洞开挖断面的高度为TBM施工隧道设计开挖断面半径R的0. 8-1. 06倍。所述的上导洞每循环爆破开挖后，对揭露的开挖面进行及时的喷射混凝土封闭， 喷射混凝土的层厚为5-lOcm，对上导洞开挖断面在TBM施工隧道设计开挖断面外侧且在本 循环开挖揭露的围岩进行系统锚杆支护，复喷5-20cm厚的混凝土，锚杆外露端被喷层完全覆盖。所述的TBM掘进速度等于或小于10m/d。由于采用了以上技术方案，本发明的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合 掘进方法，采用先钻爆法开挖上导洞尔后TBM掘进的方法，上导洞先行开挖使得TBM掘进前 该隧道围岩内的应力和能量得以预调整或提前释放，可有效降低TBM掘进过程中极强或强 岩爆风险，同时上导洞掌子面和TBM掌子面相距一定距离，二者施工作业可同时进行，互不 干扰，充分利用了钻爆法开挖的灵活性和TBM掘进的高效性。本发明的联合掘进方法解决 了高应力隧道TBM掘进过程中现有施工开挖技术无法有效预处理极强或强岩爆风险的问 题、保障了 TBM设备和施工人员安全、同时也可保证TBM的掘进速度，具有较强的经济效益 和社会效益。
图1是本发明上导洞开挖断面与TBM施工隧道设计开挖断面的位置关系图。图2是本发明实施例1上导洞开挖断面的设计图。图3是本发明实施例1上导洞的支护图。图4是本发明上导洞掌子面与TBM掌子面相对关系的平面布置图。图5是本发明实施例2上导洞开挖断面的设计图。图6是本发明实施例2上导洞的支护图。
具体实施例方式实施例1 本实施例的TBM施工隧道设计开挖断面直径为10m，TBM施工隧道设计开挖断面的 直径大于10m，是综合考虑了上导洞开挖断面的尺寸和钻爆法开挖中施工机械的大小等因 素，对直径小于IOm的TBM施工隧道只能选择全断面钻爆法开挖的方案来应对极强或强岩 爆问题。其联合掘进方法包括以下步骤①TBM施工隧道开挖断面的设计，开挖断面分为两部分，上部分为上导洞，下部分 为TBM掘进断面，二者的相对位置关系如图1所示。
②上导洞开挖断面(1)的设计，上导洞开挖断面(1)左右几何对称，且几何对称 轴线与TBM施工隧道设计开挖断面(2)的几何对称轴线重合，上导洞开挖断面(1)的轮廓 线由顶拱、两侧边墙和底板组成。上导洞开挖断面(1)的高度为TBM施工隧道设计开挖断 面(2)半径R的0.8倍，即其高度为4m。上导洞开挖断面的顶拱轮廓线(3)为圆形，其圆 心与TBM施工隧道设计开挖断面(2)的圆心重合。为预留一定厚度喷层(6)的空间，上导 洞开挖断面顶拱轮廓线(3)的半径r比TBM施工隧道设计开挖断面轮廓线(4)的半径R大
0.lm，TBM撑靴的高度h为6m，上导洞开挖断面顶拱轮廓线(3)的圆弧角度2arCC0S (V2R) 为106°，上导洞开挖断面(1)底板高程比TBM施工隧道设计开挖断面(2)中心轴线高程高
1.lm。图2中上导洞左右预留直边墙(5)，边墙与顶拱相交点位于TBM撑靴的上边缘，边墙 最大厚度为lm，预留边墙的目的有两个，第一个是为避免作为TBM撑靴着力点的围岩在上 导洞开挖过程中发生破坏，影响将来TBM掘进时撑靴的稳定；第二个是由于上导洞的开挖 导致TBM掘进断面成为非轴心对称断面，TBM掘进过程中刀盘受力不均勻，进而引起TBM主 梁偏心受力，预留边墙可在一定程度上缓解该问题。在工程中上导洞开挖断面的形式可灵 活设计，上导洞预留边墙的形式可灵活采用直边墙、斜边墙或圆弧形边墙等形式。③上导洞采用钻爆法开挖，每循环进尺为l_3m，开挖后，对揭露出的围岩及时进行 喷射混凝土(6)封闭，如图3所示，喷射混凝土(6)厚度为5cm，对上导洞开挖断面在TBM施 工隧道设计开挖断面外侧且在本循环开挖揭露的围岩进行系统锚杆支护，即对本实施例中 上导洞顶拱的围岩进行系统锚杆支护(7)，锚杆间距为0. 5m，锚杆长度为6m，锚垫板为正方 形，厚度为8mm，边长为20-30cm，复喷5cm厚的混凝土，锚杆外露端应被喷层所覆盖，以保护 TBM设备的顶护盾不被锚杆外露端划伤，若喷层难以保证将其覆盖，则须事先将锚杆多余的 外露长度切割掉或打弯。对预留边墙处围岩采用玻璃纤维锚杆支护(8)，为避免损坏TBM刀 盘，此处不能采用钢材类锚杆，锚杆间距0. 5m，锚杆长度为6m，不使用钢垫板。④图4为本实施例中TBM掌子面(9)与上导洞掌子面(10)间的位置关系图，TBM 在上导洞开挖后掘进，且为保证上导洞开挖支护后围岩有足够的时间进行应力和能量分布 的调整，同时考虑上导洞钻爆法施工具有足够的施工空间，TBM掌子面(9)在上导洞掌子面 (10)后80m。由于上导洞开挖后，TBM掘进过程中刀盘受力不均勻，且TBM主梁偏心受力， 为避免开挖速度过快、推力过大而导致刀盘和主梁损伤，导致TBM设备损坏，因此，TBM掘进 速度应等于或小于10m/d，在本实施例中，TBM掘进速度为10m/d，并在掘进过程中及时系统 支护。实施例2 本实施例的TBM施工隧道设计开挖断面直径为10m，TBM施工隧道设计开挖断面的 直径大于10m，是综合考虑了上导洞开挖断面的尺寸和钻爆法开挖中施工机械的大小等因 素，对直径小于IOm的TBM施工隧道只能选择全断面钻爆法开挖的方案来应对极强或强岩 爆问题。其联合掘进方法包括以下步骤①TBM施工隧道开挖断面的设计，开挖断面分为两部分，上部分为上导洞，下部分 为TBM掘进断面，二者的相对位置关系如图5所示。②上导洞开挖断面(11)的设计，上导洞开挖断面(11)左右几何对称，且几何对称 轴线与TBM施工隧道设计开挖断面(12)的几何对称轴线重合，上导洞开挖断面(11)的轮廓线由顶拱和底板组成。上导洞开挖断面(11)的高度为TBM施工隧道设计开挖断面(12) 半径R的1.06倍，即其高度为5. 3m。上导洞开挖断面的顶拱轮廓线(13)为圆形，其圆心 与TBM施工隧道设计开挖断面(12)的圆心重合。为预留一定厚度喷层(15)的空间，上导 洞开挖断面顶拱轮廓线(13)的半径r比TBM施工隧道设计开挖断面轮廓线(14)的半径R 大0.3m，上导洞开挖断面顶拱轮廓线(13)的圆弧角度为180°，上导洞开挖断面(11)底板 高程与TBM施工隧道设计开挖断面(12)中心轴线高程一致。③上导洞采用钻爆法开挖，每循环进尺为l_3m，开挖后，对揭露出的围岩及时进行 喷射混凝土(15)封闭，如图6所示，喷射混凝土(15)厚度为10cm，对上导洞开挖断面在TBM 施工隧道设计开挖断面外侧且在本循环开挖揭露的围岩进行系统锚杆支护，即对本实施例 中上导洞顶拱的围岩进行系统锚杆支护(16)，锚杆间距为0. 5m，锚杆长度为6m，锚垫板为 正方形，厚度为8mm，边长为20-30cm，复喷20cm厚的混凝土，锚杆外露端应被喷层所覆盖， 以保护TBM设备的顶护盾不被锚杆外露端划伤，若喷层难以保证将其覆盖，则须事先将锚 杆多余的外露长度切割掉或打弯。④图4为本实施例中TBM掌子面(9)与上导洞掌子面(10)间的位置关系图，TBM 在上导洞开挖后掘进，且为保证上导洞开挖支护后围岩有足够的时间进行应力和能量分布 的调整，同时考虑上导洞钻爆法施工具有足够的施工空间，TBM掌子面(9)在上导洞掌子面 (10)后80m。由于上导洞开挖后，TBM掘进过程中刀盘受力不均勻，且TBM主梁偏心受力， 为避免开挖速度过快、推力过大而导致刀盘和主梁损伤，导致TBM设备损坏，因此，TBM掘进 速度应等于或小于10m/d，在本实施例中，TBM掘进速度为10m/d，并在掘进过程中及时系统 支护。
权利要求
一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法，包括对施工隧道的钻爆法开挖、对开挖揭露围岩的喷锚支护和TBM掘进，其特征在于联合掘进方法按以下步骤进行①TBM施工隧道开挖断面的设计，开挖断面分为两部分，上部分为上导洞，下部分为TBM掘进断面，②上导洞掌子面开挖，上导洞掌子面开挖采用钻爆法开挖，③对上导洞每循环开挖过程中揭露的围岩进行及时喷锚支护，④TBM掌子面距离上导洞掌子面5倍上导洞开挖断面跨度以上且大于80m才进行TBM掘进和支护作业。
2.根据权利要求1所述的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法，其特 征在于所述的TBM施工隧道的设计开挖断面直径大于10m。
3.根据权利要求1所述的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法，其特 征在于所述的上导洞开挖断面的高度为TBM施工隧道设计开挖断面半径R的0. 8-1. 06倍。
4.根据权利要求1所述的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法，其特 征在于所述的上导洞每循环爆破开挖后，对揭露的开挖面进行及时的喷射混凝土封闭，喷 射混凝土的层厚为5-lOcm，对上导洞开挖断面在TBM施工隧道设计开挖断面外侧且在本循 环开挖揭露的围岩进行系统锚杆支护，复喷5-20cm厚的混凝土，锚杆外露端被喷层完全覆盖。
5.根据权利要求1所述的一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法，其特 征在于所述的TBM掘进速度等于或小于10m/d。
全文摘要
本发明涉及一种TBM施工隧道极强或强岩爆洞段的联合掘进方法。本发明的目的是克服TBM掘进方法无法应对极强或强岩爆问题的局限性，充分利用钻爆法施工控制措施的灵活性和TBM快速掘进的优势，提供一种TBM施工隧道极强或强岩爆问题的施工控制方法。解决该问题的技术方案是上导洞钻爆法开挖断面的设计，上导洞钻爆法开挖，围岩支护，TBM全断面掘进与支护。本发明的联合掘进方法解决了高应力隧道TBM掘进过程中现有施工开挖技术无法有效预处理极强或强岩爆风险的问题、保障TBM设备和施工人员安全、同时也可保证TBM的掘进速度，具有较强的经济效益和社会效益。适用于各种水利水电、交通等高应力隧道的TBM开挖工程中。
文档编号E21D11/10GK101915105SQ20101024785
公开日2010年12月15日 申请日期2010年8月9日 优先权日2010年8月9日
发明者冯夏庭, 吴文平, 周辉, 张传庆, 邱士利 申请人:中国科学院武汉岩土力学研究所