隧道掘进机不良地质施工方法与流程

1.本发明涉及隧道施工技术领域，特别是涉及一种隧道掘进机不良地质施工方法。


背景技术：

2.隧道掘进机(tunnel boring machine，tbm)是一种用机械破碎岩石、出渣与支护实行连续作业的综合设备。隧道掘进机施工具有掘进效率高、开挖/超挖量少以及对对岩石的扰动小的特点。随着隧道工程越来越多，隧道掘进机施工的应用也越来越广泛。在一般地质条件下，隧道掘进机掘进比较顺利，但遇到强富水破碎带时，水量较大，水压较高，采用护盾周边钻孔排水时难以满足排水要求，且存在较大的风险，无法采用常规的扩挖形式脱困，严重影响了隧道掘进机的正常掘进。


技术实现要素：

3.本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种隧道掘进机不良地质施工方法，在隧道正洞的一侧开设迂回导洞，可以将强富水破碎带内的水排出，降低隧道掘进机所受的围岩压力，有助于隧道掘进机的脱困。
4.根据本发明实施例提供一种隧道掘进机不良地质施工方法，包括以下步骤：
5.在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞的导坑，所述导坑形成有进口和出口；
6.沿所述出口向所述正洞的掌子面斜上方开设高位支洞；
7.在所述高位支洞的掌子面处向所述正洞上方的破碎围岩处钻孔排水，并监测所述正洞的掌子面处的涌水量；
8.确定所述涌水量小于安全阈值时，启动隧道掘进机的脱困工作。
9.根据本发明的一个实施例，所述正洞位于所述隧道掘进机的尾部位置开设有连通所述进口的导坑支洞。
10.根据本发明的一个实施例，所述高位支洞的掌子面边缘与所述正洞的掌子面边缘之间形成有安全岩盘，所述安全岩盘在水平方向和竖直方向的尺寸均不小于安全距离。
11.根据本发明的一个实施例，所述高位支洞的掌子面至所述出口处的纵向坡度不陡于1:8。
12.根据本发明的一个实施例，所述导坑与所述正洞之间的距离在25m至40m之间。
13.根据本发明的一个实施例，所述导坑支洞与所述正洞之间的夹角在35
°
至45
°
之间。
14.根据本发明的一个实施例，所述导坑支洞与所述进口的连通处以及所述出口与所述高位支洞的连通处的转弯半径在40m至50m之间。
15.根据本发明的一个实施例，所述导坑采用单线段断面，所述出口与所述高位支洞连通处采用双线段断面。
16.根据本发明的一个实施例，所述在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞
的导坑，之前还包括：
17.在导坑的每循环开挖前进行地质探测，确定所述导坑的每循环的围岩等级，并根据所述围岩等级确定支护参数。
18.根据本发明的一个实施例，所述启动隧道掘进机的脱困工作，包括：
19.在护盾上方的隧道拱顶施作超前管棚，并对所述护盾周围的围岩进行清理扩挖。
20.本发明中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
21.根据本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法，包括以下步骤：在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞的导坑，所述导坑形成有进口和出口；沿所述出口向所述正洞的掌子面斜上方开设高位支洞；在所述高位支洞的掌子面处向所述正洞上方的破碎围岩处钻孔排水，并监测所述正洞的掌子面处的涌水量；确定所述涌水量小于安全阈值时，启动隧道掘进机的脱困工作。导坑与高位支洞形成迂回导坑，迂回导坑从正洞掌子面一侧的较高位置对强富水破碎带进行钻孔排水，迂回导坑的排水能力较强。同时，通过迂回导坑排水，降低了对正洞掌子面附近围岩的干扰，降低了松动围岩进一步挤压隧道掘进机的风险，提升了人员和机械的安全性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法的导坑、高位支洞、导坑支洞的位置关系图；
24.图2为本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法的正洞、导坑、高位支洞的横断面图；
25.图3为本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法的流程图一；
26.图4为本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法的流程图二。
27.附图标记：
28.10、正洞；11、导坑；12、导坑支洞；13、高位支洞；14、排水孔；15、隧道掘进机。
具体实施方式
29.为使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合发明中的附图，对发明中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
30.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而
不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
32.在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
34.在一般地质条件下，隧道掘进机掘进比较顺利，但遇到强富水破碎带时，水量较大，水压较高，采用护盾周边钻孔排水时难以满足排水要求，且存在较大的风险，无法采用常规的扩挖形式脱困，严重影响隧道掘进机的正常掘进。
35.为了方便对技术方案的理解，现对部分专业术语进行解释，未能解释的可以结合相关技术中公开的专业术语进行对照。
36.隧道的正洞指的是围岩开挖基线以内的部分，通过对正洞顶部以及侧部进行初期支护、施作二衬之后形成正洞的净空范围。掌子面是指正洞、导坑等未贯通之前正前方裸露的岩石工作面，即下一工作循环的起始工作面。
37.隧道掘进机靠近掌子面的一端设置有刀盘，用于对掌子面处的岩石进行开挖，刀盘尾部是隧道掘进机的护盾以及其它结构。隧道掘进机在施工过程中，破碎围岩会对刀盘以及护盾产生阻力，使隧道掘进机处于卡机状态。
38.在强富水破碎带，围岩等级较低，隧道掘进机承受的围岩压力较大，且破碎带进一步崩塌的风险较高，直接采用常规扩挖等方式使隧道掘进机脱困时，人员以及机械的安全隐患较大。
39.根据本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法，请参阅图1至图4，包括以下步骤：
40.s100、在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞的导坑，所述导坑形成有进口和出口。
41.可以理解的是，导坑11形成有进口和出口，开设在正洞10的任意一侧，导坑11的底面高程与正洞10的底面高程一致且与正洞10保持平行。导坑11的底部设置有纵坡，纵坡有助于导坑11进行排水，避免出现积水现象，有利于人员和机械的通过。
42.在一些实施例中，隧道的长度较大，可以在正洞10内设置连通于导坑11的进口的导坑支洞12，导坑支洞12开设在隧道掘进机的尾部位置，尽可能缩短导坑11的长度，减少工作量，提升强富水破碎带的处理效率，缩短隧道掘进机的脱困周期。
43.在另一些实施例中，可以权衡导坑11的进口与山体外侧之间的距离，如果进口距离山体外侧较近，可以考虑开设连通于山体外侧与导坑11的进口之间导坑支洞12。
44.s120、沿所述出口向所述正洞的掌子面斜上方开设高位支洞。
45.可以理解的是，强富水破碎带内的水量较大、水压较高，且破碎围岩松动的风险较高，裂隙水以及破碎围岩在掌子面处形成的压力较大。在正洞10的同一高程采取泄压措施时，无法缓解隧道掘进机的刀盘以及护盾上承受的压力。在正洞10的掌子面斜上方位置开设高位支洞13，可以有效卸除强富水破碎带内的水压，同时高位支洞13的掌子面位于正洞10的斜上方，对正洞10上方的破碎围岩干扰较小，提升了围岩的稳定性，有利于保护隧道掘进机以及人员的安全。
46.s140、在所述高位支洞的掌子面处向所述正洞上方的破碎围岩处钻孔排水，并监测所述正洞的掌子面处的涌水量。
47.可以理解的是，高位支洞13施工完成后，高位支洞13的掌子面位于正洞10的掌子面的斜上方，通过在高位支洞13的掌子面处钻孔，可以有效排出强富水破碎带内的高压水，有利于缓解隧道掘进机承受的水压。
48.在一些实施例中，排水孔14的孔径为150mm，，排水孔14穿过部分或者整个富水破碎带。
49.可以理解的是，通过高位支洞13排水时，排水的效率与排水孔14的数量、孔径以及穿越富水破碎带的深度有关，实际排水时可以通过控制以上因素进行排水速率的控制。
50.随着高位支洞13不断排水，正洞10掌子面处的水压降低，涌水量逐渐下降，正洞10掌子面处承受的水压以及围岩压力降低，可以准备隧道掘进机15的脱困工作。
51.s160、确定所述涌水量小于安全阈值时，启动隧道掘进机的脱困工作。
52.可以理解的是，通过高位支洞13排水时，需要对正洞10的掌子面处的涌水量进行监测，通过理论计算以及实际经验设定安全阈值，在涌水量小于安全阈值时，正洞掌子面处的涌水对施工干扰较小，可以启动隧道掘进机15的脱困工作。
53.在一些实施例中，安全阈值为40m3/h，即涌水量大于40m3/h时，安全风险较高，需要继续排水；在涌水量小于40m3/h时，安全风险较低，可以启动隧道掘进机的脱困工作。
54.在一些实施例中，启动隧道掘进机的脱困工作，包括：
55.s162、在护盾上方的隧道拱顶施作超前管棚，并对所述护盾周围的围岩进行清理扩挖。
56.可以理解的是，在护盾上方的隧道拱顶施作超前管棚，通过超前管棚对隧道拱顶的破碎围岩形成支撑作用，卸除隧道掘进机15上方的围岩压力，进而实现脱困。
57.在一些实施例中，超前管棚至少设置在隧道拱顶的120
°
范围内，可以有效降低隧道掘进机15上方的压力。
58.在超前管棚施工完成后，可以对隧道掘进机15护盾周围的注浆液以及破碎围岩进行清理扩挖，还可以对刀盘以及皮带机处的岩渣进行清理，降低隧道掘进机受到的阻力。外部干扰因素排除后，对隧道掘进机进行全面检查，确保隧道掘进机处于最佳的启动状态。
59.高位支洞13连通于正洞的掌子面的斜上方，高位支洞13的掌子面边缘与正洞10的掌子面边缘之间形成有安全岩盘，安全岩盘的厚度决定了高位支洞13开挖时是否会对正洞10造成干扰。
60.在一些实施例中，可以根据理论计算和经验推算预设安全距离，避免高位支洞13施工以及泄水时对正洞10造成干扰。在水平方向上以及竖直方向上，均要保证安全岩盘的厚度不小于安全距离。
61.可以理解的是，安全距离的计算与所处位置的围岩等级有关，在围岩较好的地方，可以适当降低安全距离的大小，在围岩较差的地方，需要增加安全距离的大小。水平方向上以及竖直方向上的安全距离可以相同，也可以不同。
62.在一种实施例中，安全岩盘在竖直方向和水平方向的安全距离均为500cm。
63.高位支洞13连通于导坑11的出口以及正洞10的掌子面的斜上方，高位支洞13掌子面的位置较高，导坑11的出口位置较低，两者之间通过纵坡连通。
64.在一些实施例中，高位支洞13的掌子面至导坑11的出口处的纵向坡度不陡于1:8，可以方便运输车以及其它机械的通行。
65.可以理解的是，高位支洞13在施工时，存在围岩渗水等情况，导致地面的摩擦力下降，同时运渣车的动力有限。在纵向坡度较大时，不利于车辆的通行，也会带来一定的安全隐患。
66.需要说明的是，纵向坡度也不是越缓越好，坡度较缓时，可能会增加高位支洞13的施工长度，增加了施工量，提升了隧道掘进机脱困时的成本。
67.在一些实施例中，导坑11与正洞10之间的距离在25m至40m之间。
68.可以理解的是，导坑11与正洞10之间的距离指两者中心的距离，在导坑11与正洞10之间的距离较近的情况下，导坑11处的围岩发生变形，可能会影响正洞10的稳定性。导坑11与正洞10之间的距离保持在一定的范围内，可以避免正洞10受到偏心压力的影响，还可以避免导坑支洞12以及高位支洞13的长度增加，兼顾了成本和安全性。
69.导坑支洞12的一端连通于正洞10，另一端连通于导坑11的进口，用于出渣以及泄水。
70.在一些实施例中，导坑支洞12与正洞10之间的夹角在35
°
至45
°
之间。
71.可以理解的是，导坑支洞12与正洞10之间的夹角较小时，会增加导坑支洞12的施工长度，增加了迂回导坑的施工成本。在导坑支洞12与正洞10之间的夹角较大时，会导致车辆行驶时转弯较大，通过性较低，因此导坑支洞12与正洞10之间的夹角在35
°
至45
°
之间。
72.为了方便施工时车辆通行，导坑支洞12与导坑进口的连通处以及导坑出口与高位支洞13的连通处设置有转弯半径，转弯半径在40m至50m之间。
73.可以理解的是，不同道路连接处设置转弯半径有助于车辆的通行，在道路宽度有限的情况下，能够保证车辆不会受阻，还可以避免过分超挖带来的工作量提升。
74.导坑11、导坑支洞12以及高位支洞13的断面尺寸均需要保证运输车辆以及机械的通行。
75.在一些实施例中，导坑11采用单线段断面，导坑11的出口与高位支洞13的连通处采用双线段断面。
76.可以理解的是，单线段断面一次只允许一辆工程车辆通过，双线段断面一次允许
两辆工程车辆通过。在导坑11、导坑支洞12以及高位支洞13的直线段内，允许一辆工程车辆通过就可以满足施工要求，在导坑11和高位支洞13的连通处，存在车辆交汇的情况，设置有错车平台，需要采用双线段断面。
77.本发明实施例中，仅在必要的位置设置双线段断面，不仅能够满足施工要求，还尽可能降低了总的开挖量，缩短了施工周期。
78.在一些实施例中，迂回导坑单线段断面净空为450cm宽、410cm高，双线段断面净空为520cm宽、630cm高。当然，在其它的实施例中，单线段断面净空和双线段断面净空可以根据实际需要进行设计。
79.导坑11在开挖时需要及时进行支护，采取边开挖边支护的方式，避免导坑11内出现围岩松动的情况，提升了施工时的安全性。
80.在一些实施例中，在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞的导坑，之前还包括：
81.s102、在导坑的每循环开挖前进行地质探测，确定所述导坑的每循环的围岩等级，并根据所述围岩等级确定支护参数。
82.可以理解的是，导坑11在开挖时按照一定的进尺进行循环开挖，每循环设置两到三个钢架进行支撑。导坑11在进行支护时，需要根据围岩的等级确定支护参数。
83.需要说明的是，支护参数包括锚杆的长度与间距、钢筋网片的规格与间距、钢架的规格以及间距以及喷射混凝土的厚度等。围岩的等级较高时，可以降低支护的标准，围岩的等级较低时，可以提高支护时的标准。
84.在导坑11每循环开挖前，通过钻孔的形式进行地质探测，钻孔的深度不小于4m。导坑11在iii级、iv级围岩处采用全断面法开挖，在v级围岩处采用台阶法开挖。
85.综上所述，根据本发明实施例提供的隧道掘进机不良地质施工方法，包括以下步骤：在隧道正洞的左侧或者右侧开设平行于所述正洞的导坑，所述导坑形成有进口和出口；沿所述出口向所述正洞的掌子面斜上方开设高位支洞；在所述高位支洞的掌子面处向所述正洞上方的破碎围岩处钻孔排水，并监测所述正洞的掌子面处的涌水量；确定所述涌水量小于安全阈值时，启动隧道掘进机的脱困工作。导坑与高位支洞形成迂回导坑，迂回导坑从正洞掌子面一侧的较高位置对强富水破碎带进行钻孔排水，迂回导坑的排水能力较强。同时，通过迂回导坑排水，降低了对正洞掌子面附近围岩的干扰，降低了松动围岩进一步挤压隧道掘进机的风险，提升了人员和机械的安全性。
86.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。