隧道TBM施工过破碎带灾害源超前控制方法及系统与流程

本公开涉及一种隧道tbm施工过破碎带灾害源超前控制方法及系统。

背景技术：

tbm因其具有高效、优质、安全及环保的技术特点，已被广泛应用于长距离地铁隧道施工。隧道施工不可避免地要穿越断层破碎带等不良地质体，破碎带通常软弱破碎且连通富水含水层。tbm单一的全断面开挖方式本身不利于围岩稳定，临近破碎带其开挖扰动极易诱发围岩失稳及突水突泥灾害，导致tbm被卡被埋，严重威胁tbm施工安全。此外，由于tbm刀盘护盾阻隔，揭露围岩情况和开挖面渗漏水信息不能被及时有效收集，当判定地层为破碎带时，往往tbm已经置身其中，使得断层破碎带治理不仅要有效加固地层，而且要兼顾tbm机器安全，无疑加大了工程治理难度。

tbm过破碎带灾害源超前治理通常采用注浆治理方法，但现有治理方法存在以下三个问题：①对掘进前方地层缺乏全面准确的判断，使得注浆加固范围和强度具有盲目性，主要表现为富水软弱区域没有加固或加固强度不够，围岩较完整区域重复加固，强度浪费。②破碎带治理忽略了tbm安全保护。主要表现为浆液无序扩散进入tbm内部造成堵塞和污染或固结刀盘以及过大的注浆压力对tbm护盾造成损伤。③对注浆加固效果缺乏全面可靠的认识，对加固效果容易造成误判，贸然启动tbm，给施工带来极大安全风险，并且一旦出现tbm卡机事故，需要重新对断层破碎带进行全面二次加固，极大浪费材料和工期。

因此，对于地铁隧道tbm过破碎带灾害源超前探查和安全控制应当将钻探和物探相结合，全面准确判定地层，在此基础上，破碎带治理应当平衡富水软弱围岩加固和tbm机器安全，实现经济性和安全性的统一。

技术实现要素：

本公开为了解决上述问题，提出了一种隧道tbm施工过破碎带灾害源超前控制方法及系统，本公开可实现地铁隧道tbm施工过破碎带灾害源超前探查及治理，保障安全顺利施工。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

一种隧道tbm施工过破碎带灾害源超前控制方法，包括以下步骤：

利用钻探与地球物理探测，在地表对破碎带展布范围内地层采用超前钻探方法进行取芯，根据取芯结果调整软弱破碎区域分布范围，确定tbm掘进前方灾害源赋存位置及特征；

从地表开设垂直钻孔，对tbm周边地层低压渗透注浆加固，对破碎带富水软弱地层地表注浆治理；

综合采用地球物理探测和检查孔法对富水破碎灾害源加固治理效果进行检查，判断注浆加固效果，直到注浆治理效果达到预期要求再启动tbm掘进。

作为进一步的限定，在确定tbm掘进前方灾害源赋存位置及特征前，通过开展地球物理探查工作，结合场区工程地质水文地质资料，确定掘进前方破碎带富水软弱围岩展布形态和范围。这种做法能够结合地质资料，对钻探提供基础信息，能够保证控制方法的顺利进行。

作为进一步的限定，利用三维地震法探测在洞内对tbm掘进前方破碎带破碎岩体进行探测；利用地表高密度探测方法对掘进前方含导水构造进行探测，综合三维地震和地表高密度探测结果以及场区工程地质水文地质资料，绘制破碎带展布范围内破碎岩体及含导水构造空间分布图。

作为进一步的限定，基于地球物理探测结果，在地表对破碎带展布范围内地层采用超前钻探方法进行取芯，根据取芯结果对软弱破碎区域分布范围进行调整，圈定破碎带治理区域。

作为更进一步的限定，在掘进前方沿隧道轴线在地表均匀开设垂直钻孔，钻孔孔底至隧道底板设计深度，钻孔间距15-20m，根据钻孔取芯结果对地球物理探测结果进行修正，若钻孔取芯结果与地球物理探测结果不符，则以钻孔取芯结果为准，并在该孔周边补充开孔若干，进一步补充探测结果。

钻孔间距设置为15-20m，钻孔间距过小降低施工效率，孔间距过大降低地层校核精度。

作为进一步的限定，从地表开设垂直钻孔，采用磷酸氢二钠和水玻璃双液浆对tbm周边地层低压渗透注浆加固。磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆加固体能有效隔离水泥浆液和水，同时强度适中，在tbm周边形成保护层，使tbm不受后期治理中水泥基浆液污染，刀盘不被水泥基浆液固结。

更进一步的，磷酸氢二钠-水玻璃双液浆的双液体积混合比为1:1，其中磷酸氢二钠溶液体积分数为80-90％，使用水对其稀释，所用水玻璃溶液为30-35波美度。

作为进一步的限定，根据圈定的破碎带治理区域，对其中的富水破碎区域，从地表开设垂直钻孔至设计深度，采用前进式注浆工艺对目标加固地层分层治理。

作为进一步的限定，地表注浆采用水泥水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比为1:1，所用水泥为42.5r普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度在35-40波美度之间，水泥浆液与水玻璃体积比为2:1，设计注浆终压为2-3mpa。

作为进一步的限定，在进行注浆治理过程中，观察tbm周边围岩跑漏浆情况，并加强围岩收敛监测，一旦发生跑漏浆情况立即停止注浆；如果围岩收敛变形过大，立即降低注浆速率，减小注浆压力或者停止注浆。

作为进一步的限定，综合采用地球物理探测和检查孔法对富水破碎灾害源加固治理效果进行检查具体包括：

对比分析注浆前后破碎带地球物理探测结果、判断注浆加固效果以及对检查孔钻孔取芯，分析破碎岩体注浆胶结情况及渗漏水量。

这样的过程，基于地球物理探测结果，分析治理区域内富水破碎区域分布范围，同时采用检查孔钻孔取芯对地球物理探测结果进行补充验证。若治理区域内无明显富水破碎区域，检查孔钻孔取芯破碎岩体有明显浆液胶结，钻孔取芯率达到70％以上，岩芯强度达到0.2mpa以上，注浆后地层含水率低于30％，停止注浆，否则继续对富水软弱区域进行注浆加固。

一种地铁隧道tbm施工过破碎带灾害源超前控制系统，包括注浆机构、钻孔机构、控制器，其中：

所述控制模块，被配置为根据地表对破碎带展布范围内地层的取芯结果调整软弱破碎区域分布范围，确定tbm掘进前方灾害源赋存位置及特征，根据富水破碎灾害源加固治理效果判断注浆加固效果，直到注浆治理效果达到预期要求时启动tbm掘进机工作；

所述钻孔机构，被配置为从地表开设垂直钻孔；

所述注浆机构，被配置为对tbm周边地层低压渗透注浆加固，对破碎带富水软弱地层地表注浆治理。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开解决了地铁隧道tbm掘进过破碎带灾害源超前治理过程中存在的盲目划定治理区域、忽略tbm安全保护以及治理效果评价缺乏准确可靠方法等问题，将钻探和物探相结合，全面准确判定地层，对施工安全有很大的帮助。

本公开通过多手段全面准确评价地层，对灾害源针对性有效治理，充分保障tbm机器安全，提高了tbm过破碎带灾害源超前治理效率，有效保证了治理效果，避免了因盲目注浆导致的tbm机器受损等二次灾害以及tbm盲目启动引发的刀盘卡机事故，创造了良好的社会效益和经济效益。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本实施例的施工工艺流程图；

图2是本实施例治理方案的剖面示意图；

图3是本实施例的磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆钻孔结构图；

其中，1、富水破碎区域地表注浆加固范围上边界；2、隧道拱顶轮廓线；3、富水破碎区域；4、隧道底板轮廓线；5、磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆加固体；6、tbm掘进机；7、磷酸氢二钠-水玻璃双液浆地表注浆孔；8、富水破碎区域地表注浆孔；9、磷酸氢二钠-水玻璃双液地表注浆孔套管；10、模袋注浆小管；11、模袋；12、花孔；13、钢花管。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

如图1-图3，地铁隧道tbm过破碎带灾害源超前探查及安全控制方法，包括以下步骤：

联合运用钻孔取芯分析和多种地球物理探测方法，查明治理区富水破碎灾害源空间分布范围。具体分为1)开展地球物理探查工作，结合场区工程地质水文地质资料，确定掘进前方破碎带富水软弱围岩展布形态和范围。2)基于地球物理探测结果，在地表对破碎带展布范围内地层采用超前钻探方法进行取芯，根据取芯结果对软弱破碎区域分布范围进行验证和调整，圈定破碎带治理区域，指导灾害源超前治理工作。

利用三维地震法(trt)探测技术，在洞内对tbm掘进前方破碎岩体进行探测；利用地表高密度探测方法对掘进前方含导水构造进行探测，综合三维地震和地表高密度探测结果以及场区工程地质水文地质资料，绘制破碎带展布范围内富水破碎区域的绘制破碎带展布范围内破碎岩体及含导水构造空间分布图。

基于地球物理探测结果，在掘进前方沿隧道轴线在地表均匀开设垂直钻孔，钻孔孔底至隧道底板4设计深度，钻孔间距15-20m，钻孔间距过小降低施工效率，孔间距过大降低地层校核精度。根据钻孔取芯结果对地球物理探测结果进行修正，若钻孔取芯结果与地球物理探测结果不符，则以钻孔取芯结果为准，并在该孔周边补充开孔1-2个，进一步补充探测结果。综合钻孔取芯结果和地球物理探测结果，圈定注浆加固范围，指导灾害治理工作。

采用磷酸氢二钠-水玻璃双液浆对tbm周边地层进行加固治理，具体为：从地表开设垂直钻孔，采用磷酸氢二钠-水玻璃双液浆对tbm周边地层低压渗透注浆加固。磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆加固体能有效隔离水泥浆液和水，同时强度适中，在tbm周边形成保护层，使tbm不受后期治理中水泥基浆液污染，刀盘不被水泥基浆液固结。

从地表开设垂直钻孔7，采用磷酸氢二钠-水玻璃双液浆对tbm周边地层低压渗透注浆加固。磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆加固体能有效隔离水泥浆液和水，同时强度适中，在tbm周边形成保护层5，使tbm不受后期治理中水泥基浆液污染，刀盘不被水泥基浆液固结。

磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆加固范围5为开挖面前方1m至开挖面后方5m范围内及隧道轮廓线外1m范围内。所用磷酸氢二钠-水玻璃双液浆的双液体积混合比为1:1，其中磷酸氢二钠溶液体积分数为85％，密度为1.53g/ml，使用时用30体积的水对其稀释，所用水玻璃溶液为30-35波美度。设计单孔注浆量为1500l，注浆压力根据不同地层和实际选用注浆流量调整。

当然，上述实施例中的数据仅为示例，在其他实施例中，可以进行更换。

磷酸氢二钠-水玻璃双液注浆采用钢花管13配合膨胀模袋11注浆工艺，具体钻孔布置间距为1m，钻孔开孔直径φ130mm，下5m长φ108套管，在套管内下入φ89mm钢管，在钢管末端1m段打花孔12，在距离钢管末端1-2m段绑扎模袋11。

注浆过程中，先通过模袋注浆小管10向模袋11内注入水泥-水玻璃双液浆将模袋撑开，使其充分与钻孔壁紧密贴合，然后向钢管内注入磷酸氢二钠-水玻璃双液浆，使其通过钢管末端花孔12向目标地层扩散。

富水破碎灾害源针对性超前注浆治理

破碎带富水软弱地层地表注浆治理，即根据所圈定富水破碎区域3，从地表开设垂直钻孔8至设计深度，采用前进式注浆工艺对目标加固地层分层治理。

富水破碎区域地表注浆范围上边界1为拱顶轮廓线外3m位置处，加固范围下边界4为由隧道底板设计深度，地表注浆孔间距为3m，前进式分段注浆段长为3m，注浆段长和注浆孔间距过大降低注浆加固效果，过小降低注浆施工效率。

前进式分段注浆采用水泥-水玻璃双液浆，水泥浆液水灰比为1:1，所用水泥为42.5r普通硅酸盐水泥；水玻璃浓度在35-40波美度之间，水泥浆液与水玻璃体积比为2:1，设计注浆终压为2-3mpa。

位于tbm周边围岩4m范围内地表注浆孔注浆压力不得大于1.5mpa，注浆压力过大容易击穿磷酸氢二钠-水玻璃双液浆注浆加固体，使水泥基浆液进入隧道内。

开展tbm周边围岩跑漏浆观测及围岩收敛监测：

在地表注浆过程中，密切观察tbm周边围岩跑漏浆情况，一旦出现跑漏浆情况立即停止注浆。在注浆影响范围内，布置监测断面，断面间距为3-5m，绘制监测曲线，指导注浆压力动态调整。待浆液凝固后，在原孔位重新开孔，降低双液浆中水玻璃溶液含量，减小浆液凝胶时间，同时降低设计注浆终压。

加强围岩收敛监测，在注浆影响范围内，布置监测断面，断面间距为3-5m，绘制监测曲线，指导注浆压力动态调整。

全面准确评价注浆加固效果，具体包括：综合采用地球物理探测和检查孔法对富水破碎灾害源加固治理效果进行检查，包括对比分析注浆前后破碎带地球物理探测结果，判断注浆加固效果。对检查孔钻孔取芯，分析破碎岩体注浆胶结情况及渗漏水量。基于地球物理探测结果和检查孔检查结果，综合评定破碎带注浆加固效果。若注浆加固效果满足加固要求，停止注浆，否则继续对富水软弱区域进行注浆加固。

注浆加固完成后，分别采用洞内三维地震超前探测和地表高密度探测方法，获取对治理区域富水性和围岩破碎程度信息，对比注浆前后破碎带地球物理探测结果，评估注浆加固效果。

对富水破碎注浆治理区域开检查孔并取芯，检查孔个数不少于注浆孔总数10％，分析破碎岩体注浆胶结情况及取芯完整性。根据钻孔取芯结果对地球物理探测分析结果进行修正，如钻孔取芯结果与地球物理探测结果不符，以钻孔取芯结果为准，并在该孔周边补充检查孔1-2个。

基于地球物理探测结果和检查孔检查结果，综合评定破碎带注浆加固效果。若注浆加固效果满足加固要求，停止注浆，否则对富水软弱区域进行补充注浆加固，直至加固效果满足要求。

tbm少停机快速通过破碎带并及时进行管片支护

经过系统检查评估，注浆治理效果达到预期要求，重新启动tbm向前掘进。tbm重新启动前，应先对机器全面检查，排除机器故障。tbm通过破碎带过程中，应采用小推力、小转速，大扭矩，减少停机时间和围岩收敛时间，快速通过断层破碎带。同时，及时支护管片，管片宜采用重型管片。管片安装后，尽快进行豆砾石充填和灌浆固结地层。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。