一种应用TBM施工地下实验室螺旋向下斜坡道的方法与流程

一种应用tbm施工地下实验室螺旋向下斜坡道的方法
技术领域
1.本发明属于一种建筑施工方法，具体涉及一种应用tbm施工螺旋向下斜坡道的方法，该方法适用于地下实验室等领域，尤其是高放废物地质处置地下实验室及处置库的施工。


背景技术：

2.目前，螺旋向下硬岩斜坡道施工一般采用钻爆法施工工艺。采用钻爆法施工螺旋向下斜坡道，该施工方法对地下初始环境的扰动较大、通风效果差、施工期间危险性高、安全管理复杂、施工人员作业环境差。
3.全断面隧道掘进机(简称tbm，tunnel boring machine)是采用计算机、新材料、电子信息技术及系统科学等综合技术为一体的机械。采用tbm进行掘进可以一次成洞，并完成隧道开挖、石渣运输、通风除尘、导向控制、支护衬砌及超前处理等系统性的隧道施工步骤，并可以实现自动化监控。相对于传统钻爆法施工，应用tbm施工螺旋向下斜坡道具有围岩损伤小、支护工作量小、外来材料使用少、对地下水环境和初始氧化还原环境扰动小、效率高、成巷质量高、施工安全等优点。
4.高放废物处置地下实验室是用于开展处置库的特性评价、各种实验研究和验证工程、屏障的地下设施。在选定岩层中建造以获得比较接近实际条件，包括设计、挖掘、建造和运行等多方面的数据和经验。由于地下实验室的特殊功能，要求开挖过程中对围岩损伤小、尽量少的引入外来材料、尽量小的打扰地下水环境和初始氧化还原环境、安全要求高、斜坡道开挖过程与试验过程同步进行等特点。
5.目前tbm主要应用于交通、水电、矿山等工程领域，一般应用于水平巷道或隧道的施工，近年来也有少部分长距离斜井采用tbm施工，瑞典的地下实验室应用tbm开挖了一段长度409m、直径5.0m的小型试验用长直斜坡道用以验证tbm开挖技术的可行性。常规工程tbm施工斜坡道时，对外来材料的使用并没有限制，为了安全和快速施工，一般使用大量的拼装管片和仰拱块等混凝土材料；水力隧道、交通隧道工程和矿山斜井中应用tbm单纯只是开挖平巷和斜坡道，没有配套的试验硐室、躲避硐室和紧急避险车道的同步开挖，不必考虑后续硐室应用钻爆法开挖对斜坡道中管缆、运输胶带的影响；一般斜坡道施工为同一坡度，不设置变坡段；长距离斜坡道施工一般不设置紧急避险车道，行车安全性较差；长距离斜坡道施工过程中通风和排水距离较长，通风效果较差，排水可靠性差。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种应用tbm施工地下实验室螺旋向下硬岩斜坡道的方法，它能够解决开挖损伤大、对地下水环境和氧化还原环境扰动大、外来材料使用多、螺旋向下斜坡道埋深大、连续下坡转弯变坡困难、tbm掘进机后端同时钻爆法施工硐室风险高、通风线路长、出渣路线长、反坡排水距离长等施工技术问题。
7.本发明的技术方案如下：一种应用tbm施工地下实验室螺旋向下斜坡道的方法，它
包括如下步骤，
8.步骤1：在tbm施工前，采用钻爆法光面爆破工艺施工斜坡道步进洞和始发洞；
9.步骤2：tbm施工斜坡道；
10.步骤3：在斜坡道路径上每隔一定距离设置人员躲避硐室；
11.步骤4：在斜坡道上部螺旋和下部螺旋分别设置一条紧急避险车道。
12.所述的步骤1包括步进洞断面设计为弧墙半圆拱形式，始发洞断面设计为直墙圆拱形式，始发洞采用锚喷网+钢筋混凝土支护，支护厚度400mmm。
13.所述的步骤2具体包括如下子步骤：
14.1)tbm在地表进行组装，螺旋向下式斜坡道采用tbm掘进+胶带出渣工艺进行施工，最小水平转弯半径为400m，最小竖曲线转弯半径为500m，当遇到不稳定的裂隙破碎带时采用喷锚支护；斜坡道内行车速度为20km/h～30km/h，路面等级采用次高级路面，在斜坡道的一侧设排水沟510，另一侧设电缆沟511，斜坡道采用垫渣形式，使用掘进废渣作为道路基础，面层为厚度300mm的混凝土；
15.2)斜坡道内每隔400m设置长度为50m、坡度小于3％的缓坡段；
16.3)施工期间斜坡道通风采用压入式通风；
17.4)采取分段排水的方式，每隔500m左右设置临时水箱或水仓，并在施工辅助实验平台1以下的斜坡道下部螺旋，将施工废水排至辅助实验平台的水仓泵房中，通过人员竖井排出地表；tbm掘进时部分水循环使用。
18.所述的步骤3在斜坡道路径上每隔100m设置人员躲避硐室，以保证施工及运营期间人员及设备通行安全。
19.所述的步骤3中施工的人员躲避硐室，其中15～20个兼做掘进期间巷道内钻孔勘查试验硐室。
20.所述的步骤3中在斜坡道路径上还设置了5个移动式救生舱硐室。
21.所述的步骤4在斜坡道上部螺旋和下部螺旋分别设置一条紧急避险车道，所述的紧急避险车道设置在车辆下行方向的右侧，紧急避险道与井筒夹角为35
°
，逐步转为上坡6
°
，并在巷道内设沙坑，车道尽头设置旧轮胎缓冲装置。
22.所述的方法适用于坡度为10％，埋深500m～1000m、长度在6000m以上的螺旋斜坡道的施工。
23.本发明的有益效果在于：本螺旋斜向下硬岩坡道施工方法具有围岩开挖损伤小、地质及水文地质调查范围大、逃生通道便捷、施工过程安全环保等特点，特别是针对花岗岩等硬岩特征，最大限度减少注浆支护等工作，减少外来材料的使用，减少对地下水环境的扰动和对地下初始氧化还原环境的破坏，并使得未来回填封堵后减小斜坡道作为地下结构与地表水力联系通道的可能性，提供充分满足地下实验室的功能需求，保证地下实验室场址不被破坏。
附图说明
24.图1为本发明所提供的一种应用tbm施工地下实验室螺旋向下斜坡道的方法的应用示意图；
25.图2为应用本发明的方法施工的斜坡道断面图；
26.图3为斜坡道步进洞断面图；
27.图4为斜坡道始发洞断面图；
28.图5为斜坡道缓坡错车段断面图；
29.图6为斜坡道缓坡错车段坡度示意图。
30.图中：1辅助试验平台，2人员竖井，3进风井，4出风井，5斜坡道，6主试验平台，7紧急避险车道，8躲避硐，501斜坡道步进洞，502斜坡道始发洞，503斜坡道上部螺旋，504斜坡道下部螺旋，505斜坡道缓坡错车段，506风筒，507管缆架，508运输车辆，509电缆沟，510水沟，511垫渣路面，512下行运输车辆，513上行运输车辆，514正常坡度段，515缓坡段。
具体实施方式
31.下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
32.一种应用tbm施工地下实验室螺旋向下斜坡道的方法，该方法适用于如图1所示的坡度为10％，埋深500m～1000m、长度在6000m以上的螺旋斜坡道的施工，其具体实施过程包括：
33.下面每个步骤最好给出一个简要的描述，说明该步骤主要进行什么操作。
34.步骤1：在tbm施工前，采用钻爆法光面爆破工艺施工斜坡道步进洞和始发洞；
35.本发明的实施例中施工斜坡道步进洞501和始发洞502，步进洞长度270m，始发洞长度30m，均采用钻爆法光面爆破工艺施工。
36.tbm设备能顺利步进通过，步进洞断面设计为弧墙半圆拱形式，半圆拱的净直径取值7.4m，墙高取3.7m，略大于tbm直径，便于tbm通过，步进洞断面见图3。始发洞断面设计为直墙圆拱形式，墙高取1.56m，圆拱的净直径取值7.3m，略大于tbm直径，便于tbm通过，始发洞断面见图4；始发洞采用锚喷网+钢筋混凝土支护，支护厚度400mmm。
37.步骤2：tbm施工斜坡道
38.具体包括如下子步骤：
39.1)tbm在地表进行组装，螺旋向下式斜坡道采用tbm掘进+胶带出渣工艺进行施工，最小水平转弯半径为400m，最小竖曲线转弯半径为500m，在尽可能减少对场区岩体扰动范围和避让较大断裂构造的情况下，形成的斜坡道呈顺时针近似圆形螺旋下降2圈到达主试验平台6，在中间部位设辅助试验平台1。因硬岩地下实验室围岩平均单轴抗压强度较高，功能需求要求尽量少支护以减少外来材料使用，且tbm施工对围岩损伤很小，斜坡道不设置支护，仅当遇到不稳定的裂隙破碎带时采用喷锚支护。斜坡道断面为7m直径圆形，顶部悬挂布置风筒506、两帮设置管缆架506，断面见图2。采用tbm开挖斜坡道可以使得开挖损伤区(edz)最小化，与传统钻爆法相比，开挖损伤区范围可由分米级减小至厘米级，导水率由10-8
级减小至10-10
级。可大大降低巷道涌水量和围岩注浆量，从而减少外来水泥等注浆支护材料的使用，最大限度的保持地下初始环境，以确保井下各种原位试验的可信度。并且tbm开挖斜坡道由于其水平转弯半径较大，可更大范围的调查场址地质、水文地质等场址特征，满足处置库围岩调查的范围要求。采用tbm机械法开挖的斜坡道，工人作业环境远远大于钻爆法，无炸药使用风险和炮烟等有毒有害气体，设备对工人的保护水平较高，自动化水平较高大大降低了工人的作业强度。
40.斜坡道内行车速度为20km/h～30km/h，路面等级采用次高级路面。同时，在斜坡道
的一侧设排水沟510，另一侧设电缆沟511，斜坡道采用垫渣形式，使用掘进废渣作为道路基础，面层为厚度300mm的混凝土。最大限度减少混凝土等碱性外来材料的使用，避免对地下水环境和氧化还原环境造成影响。
41.2)斜坡道内每隔400m设置长度为50m、坡度小于3％的缓坡段505。图6为斜坡道缓坡错车段坡度示意图，正常坡度段坡度514为10％，缓坡段515坡度小于3％。缓坡段的设置可有效缓解运输车辆长距离上下坡所造成的机械隐患，增大行车安全。
42.为了解决斜坡道内长距离运输的错车问题，斜坡道内设错车道。将错车道与缓坡段联合设置，即在每个缓坡段处将路面垫高，形成6.5m宽的路面，满足上行运输车辆512与下行运输车辆513的错车要求，上行运输车辆和下行运输车辆以及车辆与巷道壁的安全距离均大于600mm。缓坡错车道断面布置如图5所示。通过垫高路面的形式形成错车段，可有效解决车辆运输时的会车问题，不用专门采用钻爆法扩挖斜坡道，减小对围岩的扰动和并行施工的安全风险。
43.3)施工期间斜坡道通风采用压入式通风，施工时根据计算配置合适功率的风机即可满足通风距离的要求，风筒506设置在斜坡道顶端，利用膨胀螺栓和三角专用吊钩进行悬挂固定；同时根据地下实验室的施工进度安排和进风井3、出风井4位置的设置，斜坡道在辅助试验平台与通风井相连通，施工斜坡道下部螺旋504时可以利用地下实验室的进风井3送风、出风井4排风，以缩短通风距离，减小通风阻力，改善斜坡道掘进面的作业环境。
44.4)由于斜坡道下坡掘进，使地下水和施工用水集聚在工作面底部，存在反坡排水的问题，地下实验室由于其功能要求一般水文地质条件简单，涌水量少，突然涌水发生的概率极少，tbm自带的排水设备应该能够满足要求，但为避免突然涌水淹没机头，在考虑正常排水设施的同时设置应急方案，由于斜坡道埋深较深，排水距离较长，采取分段排水的方式，每隔500m左右设置临时水箱或水仓。并在施工辅助实验平台1以下的斜坡道下部螺旋504，将施工废水排至辅助实验平台1的水仓泵房中，通过人员竖井2排出地表；tbm掘进时部分水循环使用，减小废水排放。
45.步骤3：在斜坡道6路径上每隔100m设置人员躲避硐室8，以保证施工及运营期间人员及设备通行安全。
46.单个人员躲避硐室长5m、宽6m、直墙高3.5m，其中15～20个兼做“掘进期间巷道内钻孔勘查试验硐室”。此外，在斜坡道路径上还设置了5个移动式救生舱硐室。每个移动式救生舱硐室长10m、宽6m、直墙高3.5m。
47.躲避硐室采用光面爆破技术施工，以尽量减小对围岩造成的扰动。tbm设备后端接有风、水、电管路通往斜坡道硐口，在施工躲避硐室时采用临时钢护套的方式对风、水、电管路的保护。通过设置临时钢护套的形式钻爆法施工躲避硐室，可有效降低爆破作业破坏高低压电缆、供水管和输送胶带的风险。
48.步骤4：为保证施工及运营期间人员及设备通行安全，在斜坡道上部螺旋503和下部螺旋504分别设置一条紧急避险车道7。使长下坡的车辆失控车辆从主线中分流，避免对主线运输造成干扰，并使失速车辆平稳停车，减少人员伤亡、车辆严重损坏和装载货物严重散落现象。紧急避险车道设置在车辆下行方向的右侧，紧急避险道与井筒夹角为35
°
，逐步转为上坡6
°
，并在巷道内设沙坑，车道尽头设置旧轮胎缓冲装置。每段紧急避险车道长50m、宽6m、直墙高3.5m，仰角10％。在硐室末端设有与斜坡道相连的通风孔，直径1000mm。紧急避
险车道采用光面爆破技术施工，以尽量减小对围岩造成的扰动。由于tbm设备后端接有风、水、电管路和运输胶带通往斜坡道硐口，故在施工躲避硐室时采用临时钢护套的方式对风、水、电管路和运输胶带的保护。通过设置临时钢护套的形式钻爆法施工紧急避险车道，可有效降低爆破作业破坏高低压电缆、供水管和输送胶带的风险。