上公山隧洞4+439部位TMB卡机地质条件及后护盾顶部塑性变形分析

尚彦军 杨洁 曹小红

摘   要：被选做长距离地下隧洞施工的岩石掘进机（TBM）以快速施工优势明显著称，当遇到软弱围岩加断层破碎带时，常发生卡机等事故，面临工期延误等挑战。穿越元古界黑山头组砂质板岩等软弱岩体的上公山隧洞，施工中多次发生围岩大变形卡机等施工地质灾害。其中较严重的是在桩号4+439侧向扩挖过程中TBM后护盾出现变形裂缝的严重事故。采用X-衍射粘土矿物分析、岩体受力模型分析和有限元数值模拟方法，研究软弱围岩与TBM相互作用下莫尔圆和库伦强度曲线的关系变化，模拟断层出露于隧洞掌子面不同部位时所产生的位移变化。结果发现，断层出露于掌子面中部时顶拱位移最大，侧向扩挖状态下护盾变为有侧向约束的单轴压缩状态，使顶部受压，反分析得到后护盾刚度系数K=153.00 kN/mm。鉴于所研究软弱围岩和小角度交切断层等不利地质条件，TBM正常适用受太多影响使工期延误，最终剩余洞段被钻爆法所取代。

关键词：上公山隧洞;岩石掘进机;板岩;断层;位移

与敞开式岩石掘进机（TBM）相比，护盾TBM具较高的安全性和对软弱围岩的适应性。相比单护盾TBM，双护盾TBM具推进和辅助推进系统，开挖掘进和管片安装可同时进行，施工速度相对较快等特点。相比敞开式和单护盾TBM，双护盾TBM盾体较长，护盾易卡机且处理难度相对较大[1]。TBM卡机是软弱围岩施工中常遇问题，使得以快速施工为显著优势的TBM施工遭遇工期延误等问题。引汉济渭秦岭特长隧洞越岭段最大埋深2 000多米，在岭脊段TBM施工中出现已支护段部分钢架变形现象，监视器显示护盾压力超过30 MPa，且缓慢持续升高，护盾油缸被慢慢压回，刀盘无法转动[2]。引黄入晋连接段TBM隧洞受层间剪切带影响，最大位移量发生于洞右壁靠近层间剪切带位置，水平方向位移29.53 mm，模拟分析发现，未考虑层间剪切带的最大位移量仅19.95 mm[3]。

TBM施工地质通常是从地质（包括将今论古得到的地质环境）条件分析到地球物理探测反演来建立一定场区范围的岩体结构模型。作为施工中变更设计所依据的重要内容，力学参数和机械参数是必不可少的。前期勘察阶段力学参数主要来自岩块实验或原位测试，难以代表施工扰动条件下围岩的力学性态。反分析即是据监测信息，反估某些表征岩土体力学特征的参数和地应力分量的方法，是可变更设计和信息设计重要组成部分[4]。施工阶段发生变形乃至出现塌方、泥石流等施工地质灾害，给施工扰动条件下校核岩体结构模型、反分析岩体力学参数提供了机遇。借助施工中围岩或机械变形监测信息，可反分析得到相应参数（图1），丰富和补充施工地质编录内容，更好地服务于设计变更乃至运行期安全。为解决昆明市供水问题兴建的输水线路总长97.258 km的掌鸠河引水供水工程中，位于禄劝县翠华乡的上公山隧洞最长达13.769 km，轴向方向17.6°～18.7°，最大埋深368 m。开挖圆形断面直径达3.665 m，成洞后直径为3.00 m。由意大利CMC公司采用美国Robbins公司的双护盾TBM（1217-303型，直径φ=3.665 m）施工?。在侧向开挖脱困过程中，TBM机身发生变形或出现裂缝，表示开挖卸荷作用下应力快速改变已超过其本身刚度极限。本文通过解析方法，反分析其护盾刚度，并同设计参数进行对比，说明在受力状态改变条件下，护盾本身的刚度无法满足侧向扩挖稳定而产生变形破坏，值得TBM脱困扩挖方案设计和施工重视。

1  工程地质条件

上公山隧洞从北向南穿越的地层岩性主要为前寒武系沉积岩，包括下元古界黑山头组石英砂岩、板岩、粉砂岩，震旦系灯影组白云岩、白云质灰岩。

隧洞沿著名的近NS向康滇断裂系小仓、普渡河断裂组展布。隧洞位于该断裂系编号为13和14的断层（小倉-银场篝逆断层、兆乌-龙泉村断层）之间的狭长地块中，这两个断层间最大宽度3 km。在强烈的近EW向构造挤压作用下，该地块中分布若干NNE次级断裂（图2）1。由于隧洞总体走向和区域性活动断裂展布与区域岩层走向近于平行，表明构造主压应力方向和隧洞轴线垂直，这对隧洞围岩稳定很不利。

2  TBM卡机现象

TBM突出优点是掘进速度快，一般是钻爆法的3～5倍。TBM设计的最高掘进速度为6 m/h，最高月进尺4 320 m（作业率按100%计算）。即使按一般作业率50%计算，粉砂岩中月进尺也达1 500～1 800 m/月2。2003年4月开始掘进后，上公山隧洞多次出现塌方、突水、管片破裂、护盾受损，TBM多次被卡的施工地质灾害[5]。2005年9月底在桩号K7+568处发生第8次重大卡机事故致使TBM停机10个月，结果该月掘进尺很小（图3）。原计划2005年底隧洞施工完成，实际进度刚过半，工期被延误。最终TBM被拆卸并被钻爆法（DBM）施工技术取代。

2004年2月22日至3月11日，在桩号4+356～4+439段黑山头组砂质板岩和泥质板岩（围岩）中，揭露83 m长的软岩段。软岩变形使TBM先后数次被卡（图2，3中卡机段编号为（4）），以3月11日桩号4 km+439.374 m 处最严重。不仅使TBM无法正常掘进，侧向人工扩挖中后护盾亦发现严重挤压变形（顶部出现5～11 cm程度不同的垂直下凹变形）。随刀头方向开挖，发现护盾被压裂产生变形裂缝。在4+439.374 m卡机段左右两侧和上部扩挖后，3月24日现场技术人员观察到后护盾顶部发生了垂直变形。对后护盾以间隔0.5 m、1.0 m和0.96 m的4个垂直断面A，B，C和D进行测量，发现4个断面护盾顶部分别下沉53 mm、71 mm、90 mm和110 mm1。

在桩号4 km+439.374 m两侧扩挖后，钢拱架（包括导洞钢拱架）出现变形破坏现象。隧洞右侧钢拱架下部明显向洞内挤压变形（图4-b），前方导洞右侧钢拱架下部也发生向内挤压变形（图4-c），顶部木支撑受压向左侧折断。钢拱架变形破坏现象表明，右侧围岩变形相对强烈。说明岩体蠕变破坏和岩体-支护间作用力随时间延续而增加。受断层构造影响，隧洞围岩变形和破坏使两侧不对称，这不同于通常所设定的对称的计算模型[6]。

3  卡机原因分析

对卡机段地质调查表明，TBM系沿着缓倾角逆断层开挖（图4-a），隧道变形破坏主应力来自洞右侧断层上盘[6]。桩号4 km+439.374 m处于和隧洞轴向近平行分布的缓倾角断层带中。主断面倾向右侧，倾角30°左右。沿主断面分布有厚0.5～1.5 cm的断层泥（图4-e，f），断层性质为缓倾逆断层。在构造挤压作用下，上盘和下盘围岩形成劈理化碎裂岩。右侧断层上盘岩层表现为缓倾，岩体破碎。左侧断层下盘岩层陡倾（倾角60°～70°），为劈理化碎裂岩（图4-a）。

断层泥样品颗分试验结果表明（图4-e），粉粒和粘粒含量占大部分，粒度曲线坡度平缓，属分选性好的粉质轻粘土[7]。断层泥样品X射线衍射矿物成分测试和物理化学分析结果显示（图5，表1），矿物成分以蒙脱石与其它矿物混合为主，具弱膨胀性。粘粒组份和粘土矿物占相当大比例，基本决定了软弱围岩粘聚力较大，内摩擦角较小。

以上公山隧洞Pt1hs砂质板岩和断层破碎带为研究对象，将围岩风化程度划分为全风化、强风化、中风化和微风化。岩体力学参数数据源自工程地质勘察报告和室内试验结果2。借鉴实际工程经验，最终确定数值模拟计算的岩体力学参数（表2）。

最大水平主应力作用在与洞轴线垂直方向上（即X轴方向）。假定地表构造应力为0，按梯度0.01 MPa/m向下线性递增;隧洞上覆岩体则按均布荷载考虑。

高地应力和陡立的软弱岩层，预示此段开挖中围岩会发生蠕变，从而对TBM 护盾产生强烈挤压。在围岩软弱破碎和较高地应力等不良工程地质条件下，隧洞施工开挖中具4周来压和持续大变形趋势，呈初始变形速率较大等特点。对大多数TBM来说可适当超挖，把盾壳与开挖岩体轮廓面间的间隙（即超挖部分）从通常的3～5 cm调整到5～10 cm[8]。TBM施工过程中，由于地质原因需停机处理前方围岩或掘进速度变缓，围岩快速大变形不仅会超过护盾与围岩间的预留变形量（5～10 cm），还对TBM护盾盾壳产生强烈挤压，导致卡机。沿断层带隧洞开挖时由于断层上盘和下盘局部地应力场分布的不均一性、岩体产状和破坏程度的不均一性，隧洞支护受到偏应力的影响，导致左右两侧管片变形破坏和护盾受力的不均一性。从TBM后部向前部刀头方向侧向扩挖，引起后护盾挤压变形量自后向前变小，与旁侧扩挖卸荷顺序一致。分析发现，天然条件下垂向应力σ3为5.4 MPa，侧压系数约为1.3的水平侧向压力σ1为7.0 MPa。应力莫尔圆没有与强度曲线相切，围岩处于弹性阶段无塑形区。侧向掌子面方向的扩挖，使TBM圆护盾受力状态由平面应变转为单轴受压，在拱顶作用下，护盾处于垂向压力为5.4 MPa、侧向压应力为0 MPa的受力状态，与库伦强度曲线相交，这样围岩就会发生破坏。侧向扩挖结果导致护盾顶部垂直向下变形（图6），这与文中对软弱围岩拱顶处变形分析和监测结果基本一致[9]。

TBM被卡住后，由于左右两侧扩挖，TBM护盾在两侧和围岩先脱离接触（临空）。护盾顶部没扩挖之前，受顶部岩体垂直应力作用，使护盾后部产生垂直变形。岩体破碎和岩层陡倾是垂直应力传递的一个有利条件。这样的垂直单向压应力作用，一旦超过护盾圆形钢板的弹性强度极限，就会出现护盾顶部垂直塑性变形现象。随着两侧支洞向前开挖，护盾顶部垂直变形由后部向前方发展，造成后护盾后部变形量大于前部（110 mm→53 mm）。

假如在TBM卡机时由于强行拖拉导致护盾变形，那么在护盾变形和水平移动的同时，在护盾表面还应产生轴向分布的划痕或擦痕，且不仅仅只分布在护盾顶部。这是根据断层发育情况，判别此种原因是否存在的客观依据，是基于围岩-TBM相互作用基础上的变形破坏特点得到的。

利用有限差分软件Flac3D模擬100 m埋深条件下，隧洞从断层破碎带中间、下部、上部等不同部位通过时的围岩应力及位移分布情况，分析断层破碎带对隧洞TBM掘进的影响。将断层破碎带及围岩为模拟对象，假设破碎带厚7.3 m，取以洞轴线为中心的4.0倍洞径范围开展模拟计算，模型尺寸为长×宽×高=29.2 m×1.0 m×29.2 m。

当TBM从断层破碎带不同位置通过时，受破碎带的影响程度不尽相同。TBM掘进受影响程度由重到轻依次为中间穿过、下部穿过、上部穿过和侧部穿过断层破碎带。当TBM从断层破碎带中间通过时最为不利，从上部或侧部通过时受到的影响相对较小1。当TBM通过断层破碎带时，洞周围岩会向洞内产生较大位移。由于断层破碎带力学性质较软弱，断层破碎带一侧位移量明显大于另一侧位移量（图7-b，c）。当TBM从破碎带中间通过时最为不利，最大竖向位移量达25.73 cm，最大水平位移量为19.29 cm（图7-a，d位移对比图），大大超过了预留变形量，导致TBM护盾被卡。结果发现，隧洞周围出现大面积塑性破坏区，围岩以剪切破坏为主，局部出现张拉破坏（图7-d）。2004年3月11日上公山隧洞TBM掘进中穿过一压扭性断层破碎带时发生的严重卡机事故，很好地验证了上述计算结果。

据工程地质勘察报告2，在桩号4+439.4 m前方3～4 km范围内，隧洞向前开挖还将小角度穿过或靠近F78、F51和F53 3条NNE向高角度断层。由于断层间距较小，断层走向与洞轴线近于平行，岩体破碎而完整性差。隧洞埋深较大时，如岩石以板岩为主，工程地质条件变得更差。因此，在高地应力作用下，隧洞开挖中大变形问题不仅存在，且有可能变得更严重，局部涌水问题也可能出现。基于上述分析，隧洞轴线从4+350 m处开始向西调直，使轴线更靠近西侧的背斜轴（图2），尽可能避开左前方与背斜轴近于平行的4条压扭性断层（F78，F51～F53）密集分布部位[10]。

4  TBM护盾刚度反分析

5  结论

当遇到不良工程地质条件，隧洞工程施工选择TBM且对其选型和配置上未充分考虑时，往往会出现各种工程地质问题，如处理不当还会发生施工地质灾害。这些问题表明TBM施工技术对复杂地质条件适应性较差，在选用时需客观对比其本身固有的一些不足，否则，选择不当会造成巨大浪费且影响工期的严重后果。

隧洞走向与最大主应力或构造线方向应尽量避免近于平行或小角度相交。如实在难以大角度相交，要考虑挤压条件下软弱围岩大变形的突出影响。

当TBM通过断层破碎带时，围岩中出现大面积塑性破坏区。在破碎带中局部出现拉应力，尤其是当TBM从破碎带中间穿过时，洞顶、洞底及两侧的围岩会向洞内产生较大位移。如位移超过护盾与围岩间的预留变形量，若不事先加固处理，则围岩大变形会卡住护盾，导致TBM卡机事故发生，严重影响工期和施工造价。

在高地应力区和软弱围岩分布段，侧向扩挖使TBM由双轴受力状态变为单轴受压状态而出现护盾各向不均匀的挤压塑性变形。在本工程条件下，如TBM卡机后采用护盾外侧向和顶部同步扩挖，同时加强变形监测等监控措施，或可避免这一护盾盾壳变形破坏问题的出现。

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Abstract： Because of the obvious advantage of rapid construction， Tunnel Boring Machine （TBM） is often used for long-distance underground tunnel construction. When it comes to weak surrounding rock and fault fracture zone， it is often jammed and faced with such challenges as construction delay. During the construction of ShanggongshanTunnel， which passes through the weak rock such as sandy slate of HeishantouFormation （Pt1hs） in Proterozoic， there are many construction geological disasters such as large deformation of surrounding rock and jamming. One of the most serious accidents is the deformation and crack of TBM back shield in the process of lateral excavation at pile 4 + 439. Using XRD clay mineral composition analysis， rock stress model analysis and finite element numerical simulation method， the relationship change of Mohr circle and Coulomb strength curve under the interaction of weak surrounding rock and TBM is studied， and the displacement change of fault exposed in different parts of tunnel face is simulated. The results show that when the fault is exposed in the middle of the face， the displacement of the top arch is the largest， and the shield changes into a uniaxial compression state with lateral restraint under the condition of lateral expansion excavation， which makes the top compressed. The back analysis shows that the stiffness coefficient of the back shield is k=153.00kn/mm. In view of the unfavorable geological conditions such as weak surrounding rock and small angle intersecting fault， the normal use of TBM is affected and the construction period is Seriouslydelayed， which is finally replaced by the traditional drilling and blasting method. The results of this paper are expected to provide reference for similar projects.

Key words：Shanggongshan Tunnel;Tunnel Boring Machine（TBM）;Sandy slate;Fault;Displacement.