本发明属于水利工程技术领域，涉及一种tbm改造洞室扩挖设计方法。
背景技术：
对于开挖地下工程来说,之前采用的方式是利用钻爆法,但是随着我国在机械化的不断发展,目前比较常见的方法就是对tbm(岩石隧道掘进机)的使用,正是因为具有众多的优势而被广泛使用,如实现了成本的节约,在施工的过程中利用此方法使其周围环境受到较低影响,人身更为安全,可以使其工程的质量得到提高,对此和传统的方法相比较,目前在使用中对其施工提出了更多的要求,很多的国外大国就将其传统的钻爆以及tbm方法进行结合,实现了tbm施工导洞,而且进行了扩挖,实现了更为有效的结果。
基于tbm导洞扩挖方法优点,从tbm直径及导洞位置的比选进行分析,由于导洞位置的选择导致稳定性的不同而进行重点分析。tbm施工受地质条件影响非常大,特殊地质条件下必须要以开拓性的思维,结合具体工况,创造性地解决具体问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种tbm改造洞室扩挖设计方法。
其具体技术方案为：
一种tbm改造洞室扩挖设计方法，包括以下步骤：
步骤1、从tbm尾盾后部拆除4环管片；
步骤2、拆除后进行tbm改造扩大洞室施工，开挖采用人工手持风镐配合小型挖机，开挖断面11.2m，复杂地质条件下采用支护结构；
步骤3、从左侧打旁通洞到tbm机头前，向前或后开挖tbm改造洞室，向后把tbm刀盘和前护盾挖出来；伸缩护盾、支撑盾和尾盾留下做一次支护，待tbm后配套通过后再进行二次衬砌；tbm尾部对已扩挖段进行回填；
步骤4、拆除设备桥，从4729～4732环管片左侧开口，开挖旁通洞，绕行至tbm刀盘前方，进行tbm改造洞室开挖施工，并解困tbm，同时旁通洞继续开挖第三段绕行至前方主洞，对前方不良地质段进行提前人工开挖处理，以降低tbm在断层破碎带中的施工风险；在改造洞室施工的同时，对tbm原改造扩大洞室塌方进行处理，并拆除tbm，对受损部件进行检修；
步骤5、在完成改造洞室以及启动洞室施工后，是tbm的组装工作与旁通洞第三段和40米的主洞上导洞的开挖平行作业，主洞人工全断面开挖，tbm由启动洞室开始掘进，主洞160m采取人工开挖上导洞tbm掘进下导洞。
进一步，步骤1中，从第4735环开始拆除至第4738环，4739环仍就留在尾盾内，拆除管片前先对管片背后进行固结灌浆加固。
进一步，步骤2中，支护参数：采用φ26mm螺纹钢格栅拱架，间距75cm；8m自进式玻璃纤维锚杆，环向间距1m，纵向间距75cm；40cm厚c40钢纤维喷砼初支护；每榀格栅拱架设置4个变形槽，变形槽内安装应力变形器；并设置有l＝6m、φ32mm@45cm自进式锚杆管棚超前支护。
进一步，步骤3中，tbm尾部塌方段处理，通过打排水孔，安装管棚和钢拱架hw150×150，喷锚以及挂网，使tbm解困至尾盾。
进一步，步骤4中，旁通洞开口施工前，为防止开口处附近管片发生错动，确保管片稳定性，对开口附近8环管片进行了提前加固，管片加固主要进行水泥固结灌浆及打设4m长锚杆锁住管片，在固结灌浆完成后进行钻孔取芯，检查固结灌浆情况及前方围岩情况。在确定洞室结构稳定后，拆除管片，进行左侧旁通洞开挖施工。
再进一步，开挖方式：左侧旁通洞开挖采用全断面人工手持风镐配合小挖机分层开挖，围岩较完整洞段采用全断面或半断面钻爆法施工，开挖断面直径3.5m。开挖过程中为确保在未实施初支前，掌子面围岩的稳定性和施工安全，开挖前对掌子面进行超前管棚施工。
再进一步，超前管棚采用comacchiomc400p多功能钻机进行钻孔，孔径72mm，安装φ70mm，壁厚10mm，l＝3m钢管，间距40cm，安装在拱顶120度范围内，每开挖1.5m视围岩情况进行一次超前管棚施工。
再进一步，出渣方式：洞口段采用人工出渣至矿车斗内运至洞外，2-8m段，采用小挖机或装载机配合出渣至矿车斗内，8-36m段，完全采用装载机出渣至矿车斗内，运出洞外。
支护方式：初期衬砌采用hw150×150型钢拱架、25cm厚c40钢纤维喷砼、20×20网格钢筋网片进行支护，拱架结构采用马蹄形式，全封闭成环的结构，间距50cm，拱架间采用φ22螺纹钢连接。
tbm改造洞室在旁通洞第二段扩挖段完成后进行施工，改造洞室开挖断面高9.18m，宽11.03m，初支后净空高8.18m，宽9.93m，长19.1m，分为上下游两段进行施工。由于开挖断面较大，且该段处于断层破碎带，围岩条件较差，在旁通洞第二段扩挖段施工时出现过较大塌方，因此在改造洞室开挖施工前，对上游、下游方向均进行10m长φ70mm超前大管棚施作，间距30cm，拱顶全范围施作，上游64根，下游69根，并进行注浆加固。
超前管棚加固完成后，进行开挖施工。开挖先从下游方向进行，改造洞室一共分三层进行施工。开挖采用人工手持风镐配合挖机进行开挖，装载机出渣至旁通洞口矿车斗内。支护采用hw400×200型钢拱架，55cm厚c40钢纤维喷砼，hw150型钢连接，间距50cm。
进一步，在tbm改造洞室下右侧第1层开挖支护完成后，向下游再打两排10m长的大管棚，并进行9m长的tbm卡机段上导洞扩挖支护施工。
进一步，tbm有两台钻机：第一台钻机放置于安装机的主梁上部，可以通过支撑盾打10个孔；第二台钻机放置于前盾的传送带上部，通过刀盘打超前地质探孔，如果通过支撑盾打9个孔数量不足，切割一部分支撑盾打其他孔；
通过断层带的处理中，启动tbm以及通过第一个断层带直至桩号16+102m，采用的施工方法如下：
从刀盘里注入聚氨酯；
从支撑盾里进行普通水泥外加剂注浆或者超细水泥或者硅酸脲；
从支撑盾里打排水孔。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的技术方案适应了在导洞开挖施工中可能遇到的各种情况，以及同时通过导洞对塌方空洞和tbm改造洞室扩挖段加固处理效果的不确定性；克服了正面处理塌方和tbm改造洞室扩挖支护施工方案技术的复杂性，消除了各种安全隐患，成功解决在继续扩挖支护施工中出现新问题。本发明能够特殊地质条件下以开拓性的思维,结合具体工况,创造性地解决具体问题，具有适用范围广的特点，适合推广应用。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
一、tbm改造洞室扩挖设计方案
总体方案：从tbm尾盾后部拆除4环管片(从第4735环开始拆除至第4738环，4739环仍就留在尾盾内，拆除管片前先对管片背后进行固结灌浆加固)，拆除后进行tbm改造扩大洞室施工。开挖采用人工手持风镐配合小型挖机，开挖断面11.2m。支护参数：采用φ26mm螺纹钢格栅拱架，间距75cm；8m自进式玻璃纤维锚杆，环向间距1m，纵向间距75cm；40cm厚c40钢纤维喷砼初支护；每榀格栅拱架设置4个变形槽，变形槽内安装应力变形器。并设置有l＝6m、φ32mm@45cm自进式锚杆管棚超前支护。
二、tbm改造洞室左侧旁通洞方案
从左侧打旁通洞到tbm机头前，向前或后开挖tbm改造洞室，向后把tbm刀盘和前护盾挖出来；伸缩护盾、支撑盾和尾盾留下做一次支护，待tbm后配套通过后再进行二次衬砌；tbm尾部对已扩挖段进行回填的方案。
总体方案：拆除设备桥，从4729～4732环管片左侧开口，开挖旁通洞，绕行至tbm刀盘前方，进行tbm改造洞室开挖施工，并解困tbm。同时旁通洞继续开挖第三段绕行至前方主洞，对前方不良地质段进行提前人工开挖处理，以降低tbm在断层破碎带中的施工风险。在改造洞室施工的同时，对tbm原改造扩大洞室塌方进行处理，并拆除tbm，对受损部件进行检修。
左侧旁通洞方案实施在旁通洞开口施工前，为防止开口处附近管片发生错动，确保管片稳定性，对开口附近8环管片进行了提前加固。管片加固主要进行水泥固结灌浆及打设4m长锚杆锁住管片，在固结灌浆完成后进行钻孔取芯，检查固结灌浆情况及前方围岩情况。在确定洞室结构稳定后，拆除管片，进行左侧旁通洞开挖施工。
开挖方式：左侧旁通洞开挖采用全断面人工手持风镐配合小挖机分层开挖，围岩较完整洞段采用全断面或半断面(局部)钻爆法施工，开挖断面直径3.5m。开挖过程中为确保在未实施初支前，掌子面围岩的稳定性和施工安全，开挖前对掌子面进行超前管棚施工。超前管棚采用comacchiomc400p多功能钻机进行钻孔，孔径72mm，安装φ70mm，壁厚10mm，l＝3m钢管，间距40cm，安装在拱顶120度范围内，每开挖1.5m视围岩情况进行一次超前管棚施工。
出渣方式：洞口段采用人工出渣至矿车斗内运至洞外，2-8m段，采用小挖机或装载机配合出渣至矿车斗内，8-36m段，完全采用装载机出渣至矿车斗内，运出洞外。
支护方式：初期衬砌采用hw150×150型钢拱架、25cm厚c40钢纤维喷砼、20×20网格钢筋网片进行支护，拱架结构采用马蹄形式，全封闭成环的结构，间距50cm，拱架间采用φ22螺纹钢连接。
三、tbm改造洞室方案
tbm改造洞室在旁通洞第二段扩挖段完成后进行施工，改造洞室开挖断面高9.18m，宽11.03m，初支后净空高8.18m，宽9.93m，长19.1m，分为上下游两段进行施工。由于开挖断面较大，且该段处于断层破碎带，围岩条件较差，在旁通洞第二段扩挖段施工时出现过较大塌方，因此在改造洞室开挖施工前，对上游、下游方向均进行10m长φ70mm超前大管棚施作，间距30cm，拱顶全范围施作，上游64根，下游69根，并进行注浆加固。
超前管棚加固完成后，进行改造洞室开挖施工。开挖先从下游方向进行，改造洞室一共分三层进行施工。开挖采用人工手持风镐配合挖机进行开挖，装载机出渣至旁通洞口矿车斗内。支护采用hw400×200型钢拱架，55cm厚c40钢纤维喷砼，hw150型钢连接，间距50cm。
四、tbm尾部塌方段处理
为了对维尔特tbm的尾盾进行处理，进行了另一项施工活动。通过打排水孔，安装管棚和钢拱架hw150×150，喷锚以及挂网，该项施工已经完成，可使维尔特tbm解困至尾盾。
在这期间，直至tbm的尾盾所有配件已经拆除完毕。
五、tbm卡机段上导洞扩挖施工
由于tbm卡机洞段右侧围岩压力过大导致tbm伸缩护盾等发生严重变形，为了确保tbm主机设备有关部件安全拆除，在tbm改造洞室下右侧第1层开挖支护完成后，向下游再打两排10m长的大管棚，并进行9m长的tbm卡机段上导洞扩挖支护施工。
七、利用tbm通过断层带的施工方案
1、启动tbm的施工方法
在完成改造洞室以及启动洞室施工后，预测的施工计划为维尔特tbm的组装工作与旁通洞第三段和40米的主洞上导洞的开挖平行作业。
此方案将会产生以下几个问题：
旁通洞第三段以及40米的主洞上导洞的开挖需要3个多月的施工时间。
开挖活动(旁通洞第三段和40米主洞上导洞)和维尔特tbm的组装工作平行施工将产生一系列协调问题。例如在旁通洞洞口处维尔特tbm部件运输，出渣运输以及开挖施工所需的原材料运输等。这将会导致主要的施工活动(开挖和组装)均被耽误。
启动tbm且克服第一段断层带，主洞上导洞应该施工至桩号16+102m，即652m(16+75416+102＝652)处。但该方案将会直接严重影响整个工程的竣工日期。因此仅仅开挖40米或者180米的主洞上导洞段并不会减少风险，且tbm在只有上导洞的主洞段开挖也不易。
旁通洞第三段的地质情况显示地质特性确实较差，事实上截止目前，已经发生3次泥石混合物塌方，因此该段开挖将需要一定的时间。
为了避免上述提到的问题，在此提出两种解决办法：
1)主洞全断面人工开挖tbm步进通过
主洞开挖应延长至桩号16+102m处，共计652m(16+754–16+102＝652)。
为了可以方便使用适当的设备开挖和出渣，比如施作管棚用的钻机和大型装载机，维尔特tbm的后配套将被拆除运出洞外。
维尔特的刀盘将被放置在改造洞室的一侧，将维尔特tbm的前盾和主轴承运出洞外。
在完成652米的主洞开挖之后再开始维尔特tbm的组装。
发包人同意对用于主洞开挖的所有成本进行合理补偿，并延期工程竣工日期。
这种方案避免了所有的风险，事实上，在完成了全部652米的主洞人工开挖之后，维尔特tbm将在改造洞室组装，移至桩号16+102m处的开挖掌子面处，然后开始掘进且避免了地质风险。
2)预注浆加固围岩tbm掘进
在改造洞室和启动洞室完成之后很快开始维尔特tbm的组装工作。
维尔特tbm将在桩号16+754m处启动和开挖，并对上游围岩进行系统处理。
在改造洞室内部进行维尔特tbm的组装过程中，将在启动洞室开挖掌子面处进行材料注浆测试，以便找到更好的固结方式。
系统的固结处理将会影响维尔特tbm的日掘进速度。
此方案避免了关于旁通洞第三段开挖以及主洞上导洞开挖的所有成本，但减少了部分风险，因为维尔特tbm将采用合适的系统固结处理通过断层带开挖。
上述两种施工方案均可执行。
2、主洞人工全断面开挖
该方案将完全减少掘进风险，因为主洞(全断面，而不仅仅只是上导洞)将被开挖至桩号16+102m，因此维尔特tbm在开始掘进时避免了地质风险。
3、维尔特tbm由启动洞室开始掘进
该方案更好地考虑了成本，工期以及风险等影响因素，阐述如下：
无需进行旁通洞第三段以及主动上导洞段的施工。
在改造洞室以及启动洞室开挖完成之后很快开始维尔特tbm的组装工作。
通过从支撑盾体里进行系统注浆处理减少tbm掘进过程中的地质风险。
以下阐述了该方案的其他细节：
1)维尔特tbm设备
维尔特tbm有两台钻机：第一台钻机放置于安装机的主梁上部，可以通过支撑盾打10个孔；第二台钻机放置于前盾的传送带上部，可以通过刀盘打超前地质探孔。
如果通过支撑盾打9个孔数量不足，切割一部分支撑盾打其他孔。
2)注浆材料和参数
为了确定注浆材料和参数，在改造洞室进行维尔特tbm组装的过程中，将在启动洞室进行若干次试验。
3)通过断层带的处理方案
启动维尔特tbm以及通过第一个断层带直至桩号16+102m，预测采用的施工方法如下：
从刀盘里注入聚氨酯
从支撑盾里进行普通水泥外加剂注浆或者超细水泥或者硅酸脲
从支撑盾里打排水孔
如果采用上述方法，在掘进过程中维尔特tbm发生卡机，可预测的tbm脱困方法为拆除已安装的最后一环上部，通过传统施工方法安装拱架并喷锚开挖至刀盘处(维尔特tbm脱困的施工方法)。
七、主洞160m采取人工开挖上导洞tbm掘进下导洞
桩号k17+192-k16+088洞段为f4、f5断层破碎带，设计单位提供的地质勘察报告中f4、f5断层带总长为1104m，桩号k16+776至k16+088中180m为极差不良地质洞段(桩号16+754-16+574)，394m为ⅲ类围岩，114m为断层破碎带。180m极差不良地质洞段将完成20m，剩余160m(桩号16+734-16+574)需采用人工开挖上导洞由旁通洞出渣，tbm掘进下导洞，其余492m采用tbm全断面掘进。
该方案tbm启动洞室可与旁通洞第三段同时施工，待旁通洞进入主洞后，通过旁通洞出渣人工开挖完成启动洞室上游160m半导洞后，tbm开始掘进，剩余的492m中有114m破碎带需采用预注浆围岩加固后，tbm掘进。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。