贾 义
(山西省水利建筑工程局 山西太原 030006)
某隧洞工程采用全断面双护盾掘进机(以下简称TBM)开挖,掘进段总长约23.6km,由于TBM设备中有一部分零件的使用寿命有限,不能一次性完成23.6km隧洞掘进任务,需在中途停止掘进,进行一次全面的维护、保养和检查,才能进行后继工作。检修中主要对液压系统、润滑系统、密封系统等进行检查和保养,同时还要对主轴承密封进行检查并决定是否更换。根据设计要求原TBM检修洞室设计开挖尺寸为13.2m×13.2m×25.0m,而当支洞开挖至检修洞室交叉处时,发现实际地质条件与原设计不符,属V类围岩,根据受力分析,无法按原设计断面开挖。最终根据以能保证TBM检修的最小空间尺寸确定了开挖断面尺寸,检修标准洞段成型后两侧较TBM直径护盾各宽1m,并在刀盘顶部增加吊车梁洞室。
隧洞围岩为侏罗系中统西山窑组三段灰黑色中厚层炭质泥岩,并夹有薄层粉砂质泥岩,岩层产状 NE685°SE∠46~48°,层面裂隙较发育,可见较多的层间错动产生的擦痕,中厚层炭质泥岩受层面错动的影响,隐蔽剪劈理发育,层间错动较破碎,岩体多呈微风化状。该岩组岩石强度低,抗风化力弱,围岩稳定条件较差,对洞壁岩体稳定不利,属V类围岩。
根据实际地质条件及TBM检修需要,检修洞室由交叉段(检修洞室与02支洞)、上下游标准段、吊车梁洞室、加强段四大部分组成,交叉段与标准段的开挖断面为城门洞型,开挖尺寸为18.4m×9.65m×9.3m(长×高×宽),吊车梁洞室为在原标准段上部左右两边分别扩挖1.2m和3.2m,形成牛腿状,以便安装起吊设备,具体开挖尺寸为4.3m×14.65m×13.8m(长×高×宽),上下游加强段开挖断面为直径8.19m圆形洞室,上、下游长度分别为15.55m和7.55m(见图1)。
图1 检修洞室平面图(单位:mm)
采用钻爆法施工,锚喷支护。
由于隧洞开挖跨度大,围岩较差,施工中必须遵循分块开挖、短进尺、多循环、及时支护的开挖原则。
爆破方法主要采用光面爆破与浅孔爆破相结合的开挖办法。
开挖顺序见图2。
图2 检修洞室开挖顺序图
当支洞开挖至与检修洞室交叉段时,先进行交叉段上导的开挖,交叉段的开挖最为重要,因为它的开挖成功与否,直接关系到其他段的施工。由于交叉段整体跨度较大,且与02支洞交叉,对围岩稳定极为不利,为了施工安全,应进行分块开挖并及时支护。挖后先对岩面初喷4cm厚混凝土封闭围岩,并及时进行钢拱架安装、锚杆施作和喷射混凝土等一期支护的施工。首先进行第①块开挖与钢格栅的安装支护,此处的钢格栅不能按照正常的钢格栅钢板接点在中心线位置加工,应偏过轴线两到三米,这样开挖时向轴线延伸两到三米,才能保证钢格栅的拱脚座落在岩石上,形成一个拱形,在顶部打入径向锚杆。在开挖中,一次按两榀格栅的间距确定开挖进尺,每开挖两榀立即进行一次支护,按照这样的施工办法先完成交叉处顶拱的开挖后再进行第②块的开挖,向下延伸钢格栅至整个顶拱层断面的拱脚处,由于拱脚处的钢格栅不是垂直连接,只能采用搭接焊接连接,并打入八字锚杆,以增加拱脚的稳定。在向下开挖时,为了保证施工安全,不能出现两榀以上钢格栅拱脚悬空,须开挖一榀格栅便进行喷混凝土封闭。当第②块开挖完成后,顶部伸下的钢格栅全部连接后,交叉段整个顶拱层已完成开挖及支护,然后进行下部第③块与第④块的开挖,开挖中采用台阶式的开挖顺序。第⑤块属于检修机坑,在基坑浇筑混凝土前采用反铲挖机开挖完成(见图3)。
图3 交叉段和标准段开挖顺序图(单位:mm)
标准段开挖见图3。
5.2.1 顶拱层开挖
在完成交叉段的开挖后,即进行上、下标准段的顶拱层开挖。由于标准段上导直径为9.3m,跨度较大,在这种围岩中不能全断面开挖,应分为上、下两部分开挖。上部开挖时仍采用短进尺、及时支护的原则,在开挖中要随时观察围岩情况,对于出现的不连续的地质构造(如张开节理、断层、裂隙、剪切带和其他的不连续构造),及时调整钢格栅的间距,并增加径向锚杆,每榀钢格栅拱脚都要击入锁脚锚杆,增加拱脚的稳定性。
5.2.2 下半部分开挖
下半部分开挖采用阶梯式浅孔爆破开挖的方法,由于洞室跨度较大,考虑施工安全,开挖时左、右两侧应错开交替开挖,避免顶拱同一榀格栅两个拱脚同时悬空。
当完成上、下游标准段开挖时,便可进行吊车梁洞室的开挖。由于吊车梁洞室断面小,洞室高,考虑施工安全,合理分块,采用“下—上—下”的开挖方法,即先从靠近上游标准段顶部中间位置向上开挖2~3m导洞,利用脚手架分层到达吊车梁设计的最顶层,在向上开挖时应随时必须短进尺,强支护,注意围岩情况,每层以不超过2m为宜,且开挖出的岩面除顶部外其余四面围岩必须及时喷护封闭。当开挖的2~3m导洞已形成拱形断面并且安装了4~6榀钢格栅后,然后分别向轴线左右两边开挖横向洞室的拱形,当吊车梁洞室最顶层横向洞室拱形开挖完成后,便可台阶式分层向下开挖下部。台阶式开挖一直到洞室底部。在吊车梁洞室开挖时,由于开挖空间小,空气不易流通,应将风筒挂入工作面内,以保证工作面的空气流通(见图4)。
图4 吊车梁洞室开挖顺序图(单位:mm)
为了避免TBM在到达检修洞室时对围岩的扰动,保证检修洞室的安全,在检修洞室上下游分别设15m和8m的加强段,加强段的开挖同样采用顶拱层与下部错开台阶式施工,先进行顶拱层的开挖,最后进行下半部左、右错开交替的开挖。
在围岩比较破碎的大型隧洞开挖中,一定要根据施工图纸制定安全、经济的开挖顺序,科学合理地分块,随时观察围岩的变化,及时调整支护参数。