TBM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
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(Ponte Cardena),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。