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电液混合驱动和化学灌浆技术在开敞式 TBM 脱困中的应用
来源:2017年第12期 | 发布时间:2018-1-8 12:01:11 | 浏览次数:

摘  要开敞式TBM具有快速掘进、同步支护、对环境影响小等优点。但开敞式TBM在围岩蚀变段掘进时,容易造成TBM卡机,无法发挥其快速施工的优势,严重时会导致TBM长期不能脱困,延误工期。本论文通过对新疆重点输水工程中TBM卡机的处理,介绍电液混合驱动和化学灌浆技术在TBM脱困中的应用。
关键词:TBM卡机;电液混合驱动;化学灌浆;脱困
中图分类号:U 455.4  文献标识码:A
1 工程概况

本工程隧洞全长18km,采用TBM法+钻爆法施工,隧洞设计开挖直径6.5m。隧洞进口1.2km采用钻爆法开挖,TBM滑行通过此钻爆段后始发掘进,连续上坡掘进16.8km。该标段地质结构复杂,不良地质较多,尤其是TBM掘进2.3km后开始出现围岩蚀变现象,蚀变段围岩破碎、岩体呈碎屑状结构,不能自稳,表层易潮解,易出现挤压变形、塌方等,岩石抗压强度小于10MPa,为Ⅴ类围岩;加之地下水活动较强,顶拱大面积滴渗水或多处线状、股状涌水。当TBM掘进至此蚀变段时,裸露围岩破碎、遇水软化崩解,泥化现象严重,顶拱大面积坍塌,围岩不断收敛变形,松散岩体挤压TBM刀盘及盾体,导致TBM刀盘无法转动。
2 施工难点分析

TBM掘进至蚀变段后,掌子面上部和前部岩体较松散,遇水崩解、塌落,坍塌的大量松散体挤向TBM护盾和刀盘,松散体遇地下水后呈泥沙状,并顺着滚刀与刀座之间的空隙、刮渣斗等流向刀盘内部,刀盘内堵满泥渣,无法正常驱动。
1)刀盘内本身可作业空间较小,加上泥渣淤堵,如果靠人工清渣,用时较长、劳动强度较大,效率极低。而且随着刀盘内泥渣不断清除,掌子面泥渣继续流向刀盘,无法彻底清理干净。
2)随着顶拱岩石层层潮解、坍塌,顶护盾上方松散岩体越积越多,TBM顶护盾和侧护盾完全被挤压缩回,无法撑出,造成TBM机头架卡住。TBM顶护盾后方围岩不断收敛变形,大部分钢拱架下沉、变形,造成洞径变小,TBM后配套台车设备无法通过,给施工生产带来了很大的困难;而且拱架变形存在很大安全隐患。
3 TBM脱困方案

通过对掌子面顶部、前部塌方体的大小和范围进行钻孔探测、分析,采用以下方案解决TBM脱困问题:

1)在掌子面前方和护盾上方施作玻璃纤维锚杆,采用化学灌浆固结松散围岩,不但减少TBM掘进时掌子面以前和隧洞开挖轮廓以外松散围岩塌落,而且避免TBM通过后围岩收敛。

2)利用电液混合驱动模式驱动刀盘,以较低转速将刀盘内泥渣通过皮带排出,实现TBM脱困。

3.1 化学灌浆

考虑到刀盘背部与刀盘支撑之间存在狭小空间,施工人员无法进入,但TBM机头附近注水泥浆,很容易扩散进刀盘背部,将刀盘和机头架凝固在一起,使得刀盘转动更加困难,因此本工程采用化学灌浆。化学灌浆杆采用玻璃纤维锚杆,灌浆结束且刀盘转动时会将锚杆自动切断,不会对刀盘和皮带造成损坏。

3.1.1 灌浆锚杆布置

灌浆锚杆的布置包括刀盘前方锚杆布置和顶拱锚杆布置。每次施作的顶拱和刀盘前方锚杆只辐射刀盘上方、前方3m范围内松散体,TBM每向前掘进1.5m,重新施作一次灌浆锚杆。
3.1.1.1 刀盘前方锚杆布置

先清除刀盘内积水和部分泥渣,搭建刀盘内施工平台并做好相关防护工作。利用YT28风钻通过滚刀与刀座之间空隙、刮渣斗空隙向掌子面方向施作玻璃纤维锚杆:中心刀和面刀处锚杆沿洞轴线向前布设;边刀处锚杆斜向外布设,最终保证锚杆覆盖区域稍大于隧洞开挖轮廓。若首次向刀盘前化学灌浆,需在刀盘前方灌浆形成一道止浆墙,即先布设1.5m深灌浆锚杆,要求每个刀座内和刮渣斗均布置一根锚杆,保证整个刀盘区域全部锚杆覆盖;待1.5m锚杆化学灌浆完成后在刀盘内向前布设3m灌浆锚杆,3m锚杆同样覆盖刀盘。如图1所示。

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3.1.1.2 顶拱锚杆布置

利用护盾后方超前锚杆钻机沿护盾尾部斜向前上方布设玻璃纤维锚杆,顶拱150°范围内布设,超前锚杆环向间距0.8m,施工现场根据布置锚杆的角度计算出锚杆长度,保证锚杆头超出刀盘以外3m。顶拱锚杆布设示意图和顶拱锚杆布设范围示意图,如图2、图3所示。

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3.1.2 化灌材料、设备选择
3.1.2.1 化灌材料

本工程采用的化学灌浆材料属于聚氨酯类,它由A、B两组分组成,属无任何挥发性有机成分的绿色材料。该材料使用过程中,无颗粒,无沉降现象,此特殊性是其区别于水泥基颗粒性灌浆材料最显著的特点,这种特性使其贯入地层或缝隙内,具有更好的渗透性和扩散性能。并且该化灌材料可以调节到一定的发泡膨胀特性,从2~3倍发泡倍数,到自由膨胀可达20倍以上,其发泡体韧性大,受压下不被破坏,具有更好的粘结性外,具有较高的抗压强度。
3.1.2.2 化灌设备选择

本工程采用的化学灌浆设备是压缩空气驱动活塞式注浆泵(见图4),可以实现11体积进料、混料和输出,输出压力最高可达15~20MPa。可以实现自动封孔技术,配套施工配件有:封堵器、混合器、注浆杆。施工操作简单易行,2~3人化学灌浆即可。

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3.1.3 化学灌浆方案及工艺
3.1.3.1 化学灌浆总体施工方案

根据本项目特殊施工工况,制定灌浆方案:化学灌浆分为刀盘面灌浆和护盾上方灌浆。首次灌浆时先对刀盘前方1.5m深玻璃纤维锚杆灌浆,本着“先下后上、先无水后有水”的原则,目的对刀盘刀盘前方1.5m处松散体进行固结,在刀盘前1.5m处形成一道止浆墙,防止注浆时浆液流回刀盘。待刀盘前方1.5m深锚杆化学灌浆完成后,再对顶拱超前锚杆和刀盘内布设的3m深的玻璃纤维锚杆进行灌浆,固结3m范围内的松散体。TBM掘进1.5m后,再向重新布设的3m深锚杆灌浆,上一次注浆剩余的1.5m固结体作为止浆墙,依次循环。止浆墙效果示意图和化学灌浆后效果示意图,如图5、图6所示。

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3.1.3.2 化学灌浆工艺

1)现场安装好气动注浆泵,连接好进风管、出料管。灌浆前打水试运行,检查注浆泵是否正常工作。

2)分别把A组分和B组分的进料管和出料管至于各自的料桶内。

3)缓慢打开气动注浆泵进风控制阀,开始试注浆,此时A、B(11)两种液体分别通过各自管路吸入,首次使用时先保证A、B进料管中的空气彻底排空,同时检查进料系统和进料配比,确保整个系统正常。

4)系统试运行一切正常后,关闭注浆泵,安装注浆枪头,开始灌浆。通常情况下,开始灌浆时先采用低速,确认掌子面工作正常、无漏浆现象时可以适当调高速度。当灌浆泵压力表压力升高或出现漏浆现象时,停止灌浆。

5)灌浆结束后用清质机油清洗灌浆系统,防止化灌材料反应堵塞化灌管路。
3.2 电液混合驱动脱困

3.2.1 电液混合驱动方案

本工程中采用的开敞式TBM正常掘进施工时,刀盘由8台330kW主驱动电机驱动,刀盘电驱系统效率按照0.9计算,通过计算减速机上小齿轮和大齿圈传动比,电驱模式额定扭矩为4410kNm。TBM刀盘卡死后,通过将电机额定扭矩提高至1.5倍,脱困扭矩为6615kNm。实际施工中,由于刀盘内部於堵石渣较多,仍无法驱动刀盘转动,并且电驱脱困模式下电机电流较高,易损害电机部件。

本工程中首次在刀盘支撑两处电机预留孔处安装两台液压马达,液压马达和主驱电机一样通过减速机上小齿轮带动大齿圈转动,最终实现主轴承转动来驱动刀盘旋转。此两台液压马达通过一台液压脱困泵提供动力,液压脱困泵最大压力为300bar,由于该TBM单个小齿轮输出扭矩不得超过130kNm,脱困泵限制压力为260bar,当脱困泵出口压力为260bar时,根据小齿轮和大齿圈传动比计算,液压脱困扭矩为2510kNm。

电液混合驱动时,最大脱困扭矩为9125kNm,此扭矩为电驱脱困的2倍。TBM脱困时,采用电液混合驱动,刀盘以0.2r/min的速度转动,刀盘内泥渣皮带排至洞外,最终实现TBM脱困。脱困马达安装位置见图7所示。

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3.2.2 电液混合驱动脱困

1)脱困马达安装完成后,检查脱困泵和和脱困马达之间液压管路。

2)更改TBM操作室控制程序,确定启动刀盘瞬间,液压驱动和电机驱动同步运行。

3)将8台电机设为“启用”状态,驱动模式中电驱模式和液驱模式全部设为“启用”状态,刀盘脱困模式设为“脱困”状态,然后按照操作规范启动刀盘。
3.2.3 电液混合驱动脱困注意事项

1)电液混合驱动模式下,启动刀盘后,检查脱困泵出口压力,如果压力为零,液压驱动未工作,立即停止刀盘转动,防止损坏电机。

2)电液混合驱动脱困时,刀盘转速控制在0.3r/min以下。

3)双驱模式脱困时监视主机皮带机压力,防止因刀盘大量泥渣转至皮带上导致皮带压死。

4)如果电液双驱动脱困时脱困扭矩持续增大,超出最大脱困扭矩值,防止损坏设备,应停止刀盘,然后反转刀盘几分钟后,继续正转刀盘。

5)如果岩石变好,不需要双驱动脱困时,及时拆除液压马达和减速机之间传动轴,避免出现电驱带动液驱工作。
4 结语

经实践证明,电液混合驱动和化学灌浆技术在本工程TBM通过蚀变围岩段是非常有效的。顶拱和掌子面前方进行化学灌浆不但将开挖隧洞轮廓以外的松散体进行固结,减少塌方量,也避免了泥渣流向刀盘;电液混合驱动的成功运用改变了以往人工清渣的情况,开拓了TBM双驱脱困的新局面。最终新技术的应用使TBM在围岩蚀变段缓慢掘进,基本解决了TBM卡机问题,保证工期,为国内TBM在不良地质施工中积累了宝贵经验,社会效益较大。
参考文献
[1] 刘建春.引红济石调水工程中TBM脱困超前化学灌浆施工技术初探[J].陕西水利,2013(1):81-82.
[2] 杨建明.新疆达坂隧洞不良地质段TBM施工新型化学灌浆技术应用[J].水利规划与设计,2009(1):57-60.
[3] 赵鹏涛.深埋长输TBM卡机事故分析及处理措施[J].人民长江,2011(9):72-75.

作者简介: 郑传赞,本科,助理工程师,研究方向为TBM技术与管理。



 
 
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