城市地铁双护盾TBM穿越碎裂石断层加固范围及施工关键技术研究

2019-09-05王利明周建军李宏波

水利与建筑工程学报 2019年4期

陈岗，王利明，周建军，张兵，李宏波

(1.深圳市地铁集团有限公司，广东深圳 518026； 2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南郑州 450001；3.中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458)

鉴于双护盾TBM高效掘进施工优势，越来越多的城市地铁硬岩隧道工程采用双护盾TBM工法施工，在施工中常会遇到断层破碎带等不良地质。

断层破碎带是隧道工程施工中经常遇见的不良地质灾害，断层对隧道围岩稳定性影响很大[1-5]。断层对隧道变形破坏方式、边界条件及破坏范围等有着决定性作用[3,6-11]。汪煜烽等[12]利用FLAC3D、ANSYS等数值分析软件建立注浆施工模型，开展不同注浆工序时渗水机理模拟研究；张国[13]结合厄瓜多尔CCS项目水电站输水隧洞工程，选取“旁洞+上导洞揭顶开挖”施工方案，使双护盾TBM安全高效通过50 m破碎带，形成双护盾TBM快速施工方法；孔祥政[14]以科卡科多水电站引水隧洞TBM掘进过程中受多条断层破碎带的影响而发生卡机故障为研究背景，研究了以GU超细水泥浆和YDS-40高渗透环氧化学材料为灌浆材料的注浆加固技术，使TBM顺利脱困。以上研究主要是针对注浆材料、扩挖加固为主，针对城市地铁双护盾TBM超前钻孔注浆加固及效果分析，确保顺利通过断层不良地质研究甚少。

本文以深圳地铁十号线孖雅区间隧道工程为背景，利用数值模拟软件确定隧道纵径向断层加固范围，研究双护盾TBM穿越碎裂石断层注浆加固技术，并对加固效果进行试验分析，确保双护盾TBM顺利通过断层不良地质。

1 工程概况

孖雅区间隧道工程地处深圳市福田区，全线长3 874.48 m，隧道埋深16.4 m～232.68 m，隧道开挖直径为6.5 m，支护结构为40 cm厚C50混凝土管片，管片与围岩之间为15 cm厚豆砾石注浆层。

(1) 工程水文地质。隧道轴线位置岩石为花岗岩，风化程度为微风化和中等风化。微风化花岗岩岩石抗压强度主要在33.4 MPa～127.3 MPa之间，坚硬程度为较硬岩—坚硬岩，岩体完整程度为较完整，围岩级别为Ⅱ级—Ⅲ级。中等风化花岗岩岩石抗压强度主要在20.8 MPa～54.0 MPa之间，坚硬程度为较软岩—较硬岩，岩体完整程度为较破碎，围岩级别为Ⅳ级。地下水通过岩石裂隙进行渗流，大部分分布在强风化和中等风化岩体以及构造裂隙当中，承压性很小。

(2) 断层不良地质。根据区域地质资料及本工程地震安评报告，压性断层F1区域内岩石大部分为碎裂石，岩石结构为碎裂结构，构造为块状构造，具有极发育岩体裂隙，裂隙结构面充填绿泥石化岩体，岩石坚硬程度为软岩，完整程度为破碎，围岩级别为Ⅴ级。断层区域示意图如图1所示。

图1 F1断层区域示意图

2 计算原理及方法

2.1 计算模型

采用MIDAS/GTS NX有限元软件建立双护盾TBM穿越碎裂石断层施工数值模型，计算模型沿X方向取66.5 m，隧道边缘左右方向各30 m，Y方向取75 m，Z方向取76.5 m，隧道上部围岩为40 m，如图2所示。围岩采用M-C弹塑性模型，隧道结构采用线弹性模型，相关计算参数见表1、表2。

图2 三维计算模型

表2 支护结构参数

2.2 计算分析步骤

通过数值计算对隧道管片及围岩进行应力应变分析，确定施工中碎裂石断层影响范围，并进行碎裂石断层加固效果进行数值分析，最终确定断层加固纵径向范围；碎裂石断层影响及加固分析流程图如图3所示。

图3碎裂石断层影响及加固分析流程图

2.3 计算结果及分析

(1) 纵向影响范围。隧道管片竖向位移曲线如图4所示，TBM穿越断层区域，管片位移曲线呈“漏斗”状，拱顶沉降最大值为2.632 mm，水平收敛最大值为5.408 mm。断层不良地质对其前后1.15倍洞径范围内隧道施工影响较大。

图4隧道管片位移变化趋势图

(2) 径向影响范围。隧道周边围岩位移曲线如图5(a)所示，TBM掘进至碎裂石断层区域时围岩位移变化尤为明显，竖向位移最大为1.289 mm，位移曲线有明显拐点。碎裂石断层对围岩影响范围在隧道上方10 m～14 m范围以内，约为2.2D范围以内。

隧道上方不同水平断面处围岩竖向位移曲线如图5(b)所示，隧道上方2 m时围岩竖向位移最大，最大值为1.495 mm，隧道轴线左右各13 m范围内围岩竖向位移变化较大，占整个位移值的95.32%。TBM掘进对隧道水平影响范围主要在轴线左右13 m～15 m范围内，即2.0D～2.3D范围内。

图5围岩位移曲线图

(3) 断层加固前后对比分析。碎裂石断层加固前后隧道管片结构位移对比曲线如图6所示，碎裂石断层加固后管片位移值均小于加固前，其中拱顶沉降最大值减少了14.93%，水平收敛最大值减少75.31%，碎裂石断层加固对管片水平位移影响更加显著。

图6加固前后管片位移对比曲线图

通过研究双护盾TBM掘进时碎裂石断层对隧道结构影响，同时对比分析断层加固前后隧道结构位移变化，建议双护盾TBM掘进时对断层加固范围：隧道纵向为1.15D范围之内，径向为2.3D范围之内，如图7所示。

图7碎裂石断层加固范围示意图

3 双护盾TBM穿越碎裂石断层关键技术

3.1 碎裂石断层超前钻孔技术

根据上述双护盾TBM穿越碎裂石断层分析及建议加固范围，结合TBM施工经验、综合防护效果和施工成本等因素，双护盾TBM掘进施工中对碎裂石断层进行钻孔注浆超前加固，如图8所示。

图8碎裂石断层钻孔注浆加固示范图

利用双护盾TBM护盾预留孔，采用双护盾TBM配置的超前钻机对隧道纵径向围岩进行钻孔，如图9所示，其中预留钻孔共计12个，沿撑紧盾盾壳呈10°～45°分布，钻机型号为HC110-MT，钻孔直径为48 mm～102 mm，钻杆长度2 m，采用联结套连接套打，钻孔深度30 m。钻孔后可采用大流量水进行冲洗，冲洗至回水清净为止。钻孔具体实施步骤如图10所示。

图9碎裂石断层钻孔注浆加固实施图

图10超前注浆加固施工工艺流程图

3.2 碎裂石断层超前注浆加固技术

钻孔成型后进行分段注浆，每段间隔3 m，注浆管大部分放入钻孔，为方便注浆管连接需预留一部分注浆管在外部，注浆时采用膜袋注浆技术形成孔内栓塞，达到封堵注浆管与周围孔隙的目的。为避免钻孔浅时跑浆、串浆，孔深小于5 m时注浆压力为0.5 MPa～1.0 MPa，孔深5 m～10 m时注浆压力为0.8 MPa～1.5 MPa，注浆压力根据双护盾TBM施工情况适当调整，同时隧道纵向前后相邻注浆管搭接水平投影长度不小于1 m。

注浆施工时应先对上部进行注浆，然后再对下部进行注浆，采用配比为1.0∶0.8、1.0∶1.0、1.5∶1.0三个级别的水泥-水玻璃双浆液。为了确保浆液能顺利进入细小的碎裂石缝隙内部，先注入较稀的浆液，再逐步注入较浓的浆液，浆液配比达到1.0∶0.8时可停止。注浆具体实施步骤如图10所示。

3.3 双护盾TBM掘进参数建议值

在完成一段超前注浆加固后，双护盾TBM采用低转速、大扭矩、小推力、快速掘进方法通过，通过统计大量TBM掘进参数，对关键参数进行分布统计分析形成掘进参数建议值如表3所示，尽可能不停机或减少停机时间，通过皮带输送机时刻观察碴土状态，对设备电机、扭矩、推力等掘进参数进行实时监测，监测值出现突变时应停止掘进并对相应设备进行检查，同时双护盾TBM掘进通过断层加固区时，以掘进完成30环为一个循环单元，每循环单元完成时需停止掘进对设备进行检查，确保设备无异样。以此循环施工确保双护盾TBM安全穿越碎裂石断层区域。