TBM隧道穿越断层破碎带施工关键技术

杨海鹏, 王青波, 王 勇, 陈寿根

(1.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室, 四川成都 610031；2.中交二局第三工程有限公司, 陕西西安 710000)

在修建隧道的过程中，通过断层破碎带时经常会遇到的地质灾害。断层破碎带是隧道建设的一项挑战，如果处理不当，那么会导致工程的延迟，甚至是工程的永久性停工。因此对隧道穿越断层破碎带的研究有重要意义。

目前国内外对于隧道穿越断层破碎带方面做了很多深入的研究。孙星亮等[1]通过对隧道的开挖过程进行三维有限元数值分析,证明了超前小导管注浆加固围岩的有效性。张智健等[2]通过有限元软件分别建立不同断层破碎带夹角、倾角的隧道三维有限元模型，并对隧道围岩稳定性进行了分析。孙铁军等[3]通过数值模拟,探讨在不同的断层角度和断层厚度下隧道拱顶和周边位移的发展规律,在隧道施工开挖的过程中断层区段的力学响应特征,总结隧道施工通过断层破碎带的经验。张优利等[4]运用FLAC3D软件进行数值模拟,对比分析采用不同施工工法穿越断层破碎带的情况,总结了断层破碎带对于施工过程影响。焦鹏飞等[5]结合某隧道工程项目,采用FLAC3D有限差分软件,建立相应的数值模型,分析由于地震引发的逆断层错动作用对正交穿越断层隧道的影响,并揭示其影响机理。龚成明等[6]以张集铁路旧堡隧道穿越F3断层破碎带及富水区为例，提出了“排水降压、有水必排、岩变我变、超前支护、确保安全”的原则,指出了控制高压水问题是防止灾害发生的关键。雷军等[7]以广州地铁隧道采用冻结法穿越断层破碎带施工实践为基础,通过对监测项目结果进行分析研究,获得冻结法施工条件下的初期支护结构及环境土体应力与变形变化规律,在此基础上提出穿越断裂破碎带的冻结法施工建议技术方法。刘季富[8]结合洞子崖隧道杜康沟断层破碎带浅埋段施工提出采用双侧壁导坑法加双层超前小导管预支护,并配合锁脚锚管,扩大拱脚,及时封闭仰拱等措施的施工方法。与三台阶预留核心土法加单层超前小导管预支护的施工方法相比通过断层破碎带浅埋段,能够有效地控制隧道洞内周边位移。

本文依托深圳地铁八号线盾构隧道，对TBM隧道穿越断层破碎带的施工方法进行研究，总结出一套TBM隧道穿越断层破碎带的施工方法。

1 工程概况

深圳轨道交通8号线一期主体工程8132标梧桐山南站—沙头角站区间线路大体呈西—东走向，起于梧桐山南站，止于沙头角站。其中有两处断层。断层F-5-1位于：左线DK41+650～690，右线DK41+670～720，断层走向近东西向，倾向南，倾角约为80°，断层及其影响带在平面上宽度20 m，对TBM掘进影响左线40 m，右线50 m。该断层属于压扭性断层。断层F-6位于：左DK43+220～245，右线DK43+310～DK43+350；断裂走北西约65 °，倾向北东，倾角约为70 °，断层及其影响带在平面上宽度20～25 m，对TBM掘进影响左线25 m，右线40 m。该断层属于张性断层。断层位置见图1。

图1 梧沙区间断层位置示意

2 总体施工思路

根据地质详勘报告，本段断层为压扭性断层，受扭压力影响，破碎岩体间挤压紧密较密实。勘探取芯岩体显示岩体局部呈破碎，岩层整体性较好，较坚硬。此断层岩体间较密实，且岩块本身强度较大。TBM通过地质断层时发生卡盾、掌子面坍塌可能性较小，因此TBM过断层优先采用双护盾模式快速通过。若掘进参数发生较大变化应及时停机分析，找出原因采取相应措施。在灌浆预加固后的洞段或撑靴不能提供设备反力的松散围岩段再转换为单护盾模式，为防止地质勘探结果出现较大偏差，掘进中加强隧道排水，以防止可能出现的地下水从掌子面涌入、影响正常施工。

3 施工方法

3.1 TBM停机维修、保养

为减小TBM通过地质断层时因设备故障造成的停机时间，因此必须确保TBM及辅助设备状态良好。在TBM进入断层区域前60 m及此区域掘进未进入断层时，应每天对TBM及其辅助设备进行全面的检查、保养、更换刀具，发现问题及时处理。确保TBM过断层过程中设备保持良好的状态，快速通过断层。

3.2 TBM超前钻孔

用TBM自带的多功能超前钻机对地质断层进行钻孔，钻孔长度不小于30 m。在进入地质断层前60 m处安装好超前钻机，并调试完成，然后开始钻孔。通过对钻孔内出来的碴样进行分析，判断前方地质状况。在断层影响区域每30 m进行一次超前钻孔确定前方地质情况直至确定实际断层区域或TBM顺利通过断层区。若钻孔有水、泥、砂等，判断出在地质断层段围岩强度较差，撑靴不能提供设备推进反力的情况下，TBM应采用单护盾模式掘进。钻孔完成后拆除超前钻机。单护盾掘进模式见图2。

图2 TBM进入断层破碎带时单护盾掘进模式

3.3 TBM超前注浆

TBM留了超前灌浆孔，可以利用超前钻机对周边围岩进行加固，此外刀盘面上留的灌浆孔能满足在富水的地层条件下进行全断面帷幕灌浆和断层破碎带的围岩加固。

(1)TBM掘进过程中通过对掘进参数及围岩情况的观察和超前钻孔情况，确定断层区域具体位置，可采用TBM进行超前注浆对断层区域围岩加固完成后再继续掘进。

(2)根据以往在断层地段和高压富水地层施工经验，当隧洞涌水量小于200 m3/h或单孔探水孔出水量小于20 m3/h，或者是TBM超挖量小于设计开挖量10 %时，可暂不进行处理，只要加强洞内施工排水，TBM选择双护盾掘进模式快速掘进通过。合理选择刀盘转速和贯入度等掘进参数，减小对围岩的扰动。根据TBM通过断层施工经验掘进速度控制在20 mm/min，刀盘转速控制在低速档位，施工中根据围岩的情况及时调整掘进参数。当涌水量大于200 m3/h或TBM超挖量大于设计开挖量10 %时，必须停机进行处理，应采用TBM进行超前帷幕注浆，然后TBM掘进通过。

(3)需要超前灌浆时，利用TBM超前钻机进行超前周边预加固灌浆堵水，然后TBM采用单护盾模式掘进通过，隧洞进行超前周边预灌浆。灌浆方案见图3和图4。

图3 掌子面帷幕灌浆示意

图4 掌子面帷幕灌浆布孔示意

(4)超前灌浆施工采用前进式分段灌浆施工工艺，孔口管法兰盘进行止浆，孔口管施工工艺见图5。在施工中，实施钻一段，注一段，再钻一段，注一段的钻注交替式钻孔灌浆施工，每次钻孔灌浆分段长度10～15 m，前进式分段灌浆采用水囊式或气囊式止浆塞止浆。

图5 孔口管灌浆示意

(5)超前灌浆浆液采用水泥水玻璃双液浆，拟选浆液初步配合比为W∶C=1∶1(水泥为P.O42.5R水泥)，C∶S=1∶1，水玻璃浓度35 Be’，浆液凝胶时间38 s左右，必要时可掺加缓凝剂调整浆液时间，根据施工经验结合本工程水文地质条件，初选灌浆压力：钻孔深度小于30 m时，选择0.8～2 MPa，实际施工中将根据相关参数作进一步调整，浆液扩散半径初选2 m。超前灌浆的效果检查主要采用钻检查孔法，检查孔钻深为开挖段长度以内并预留3 m。当检查孔出水量小于20 L/min或对检查孔进行压水试验，P=1 MPa时地层涌水量小于4～10 L/min时，结束灌浆。

3.4 TBM断层区域掘进

在TBM掘进过程中由于进入断层前TBM掘进参数及渣石变化不明显，超前钻孔也未能确定断层区域TBM掘进断层区，此时应优先采用双护盾模式快速通过断层区域，防止TBM在此区段停机。

TBM掘进断层区域，由于断层区围岩较为破碎，稳定性较差，掘进后围岩应力重分布通过移动达到稳定状态，时间过长会使围岩裂隙变大，导致涌水、涌泥及围岩失稳造成塌方影响TBM掘进。因此此段TBM掘进应快速通过，及时进行管片后空隙回填。减小因设备维修保养造成的TBM停机，掘进过程应减小各工序之间间隔时间，确保TBM一直正常掘进直至完全通过断层区。

若断层区域进行过注浆加固，应确保注浆强度达到设计要求后再进行断层区域掘进。断层区域掘进应遵循“三低一快” 原则，即低转速(2 r/min)、低推力、低贯入度(2～3 mm/r)、快速通过。在断层区域掘进时灌浆预加固后的洞段或撑靴不能提供设备反力的松散围岩段再转换为单护盾模式。

3.5 管片监控及加固

断层段管片拼装完成后，为防止周围岩体坍塌造成塌方、TBM卡顿等，需及时进行管片后空隙回填。此段TBM施工时，应在管片上预设好结构加强构件，并现场储备好足够的结构加强材料。

管片安装完成后及时设置沉降收敛监测点，加密监测点布置，环向间距2 m，纵向间距1.5 m，监测频率做到2 次/d，直到监测数据无明显变化时停止监测。如监测数据显示管片变形较大应及时采用现场储备的材料对管片进行支撑加固，防止压力过大破坏管片结构，管片加固材料采用厚度1 cm，宽度30 cm，长度1 m的钢板四角开φ18 mm孔，并加工成半径为2.7 m的弧型，采用膨胀螺栓固定于管片内环面。支撑加固完成后立即对管片后围岩进行注浆加固。

4 TBM卡刀盘、卡盾问题

4.1 TBM卡刀盘、卡盾判定

当TBM掘进遇到卡机、卡盾问题时，可通过以下措施来判定是否为TBM卡机，及卡机的部位。

(1)首先要测一下支撑盾两边的压力是否正常，其次要测一下主推油缸在缸体处的压力是否达到正常值。如果上述二处均正常，则可以初步排除TBM因机械故障而卡机。

(2)测试刀盘是否能转动，如果不能转动。可将刀盘内的岩渣清理干净，启动1号皮带，将岩渣转出去，再试着转动刀盘。如果仍然转不动，那初步可以肯定TBM刀盘被卡住。

(3)若刀盘能够转动，且主推缸有回缩余地，TBM应试着后退，来判定前护盾是否被卡。并加大主推缸的掘进推力，试着边掘进边脱困。如果加大推力仍然不能前行，就可确定前护盾部位被卡住。

(4)如果前三步均不见效，那么就试着退后护盾(将伸缩盾与后护盾间的铰接伸出)。如果后护盾可后退，就可以判断出此时TBM仅是前护盾卡机。如果后护盾也不能后退，那么就可以判断出此时后护盾也被卡住。如果刀盘和前盾可以后退，但后护盾不能后退，就可以判断出此时仅后护盾被卡住。

4.2 TBM卡刀盘、卡盾处理措施

通过对TBM卡刀盘、卡盾的判定，就可判断出TBM的卡机是机械原因还是围岩塌方所致，另外可以确定卡机的具体部位及卡机的严重程度，为后续制定科学合理的脱困方案打下坚实的基础。通过进行以上确定TBM卡机部位及简单脱困措施，TBM还不能脱困时可采用以下几种措施进行TBM脱困。

(1)在刀盘能够转动的情况下：采取加大推进力并在护盾与围岩间强行注入润滑剂，(用刨枪在护盾上依梅花形布置刨出几个小孔洞，然后在其上焊接对丝，再安装液压阀门，使用液压泵将一些废弃液压油打入护盾与围岩间的间隙中)以减少机身与围岩间的摩擦力，看能否解困。

(2)启动或者加装备用电机，增加脱困扭矩，使刀盘转动脱困。

(3)如护盾能可向后移动，可通过伸缩护盾间的一段空隙，从该处向刀盘部位(掌子面方向)进行扩挖来进行TBM解困。

(4)如果上述方法均不能解困，则需要割开前后护盾侧壁的钢板，开几个窗口，通过这些窗口对TBM机身前后，上下进行扩挖；或者在最后一环管片上开口，向TBM刀盘方向进行扩挖解困。

(5)如果刀盘可以转动、前盾也可以后退，就可以从后退刀盘以后的掌子面处向后护盾方向进行扩挖。

(6)TBM脱困时需要注浆对掌子面围岩及周围岩体进行加固时，先采用化学浆液封闭刀盘前和前盾周围破碎岩体，保证TBM设备不被浆液固结，再进行双液浆注浆加固。

5 TBM过地质断层段施工监测

TBM过地质断层施工需要进行监测，施工监测主要部位为TBM姿态、管片错台、隧道变形测量、隧道上浮或下沉等(表1)。

表1 TBM过断层监控量测控制

6 结论

(1)准备阶段需要对掌子面前方进行超前地质预报，准确预测前方破碎带的情况，以便采取相应的措施。

(2)超前注浆工艺，能对前方的不良地质进行预加固处理，同时及时封围岩以控制变形。

(3)TBM穿越断层破碎带要尽量避免出现卡刀盘、卡盾的问题，出现问题及时采取应对的措施。

(4)当已发现掌子面出现塌腔时，一定要高度重视，若出渣量超过皮带运输量，但皮带能够承受运载能力时，不能盲目停机，应选择合理的掘进参数，快速通过。