TBM穿越超长距离断层破碎带施工技术研究

阳争荣，甘宇程，王松茂，金永就，郑国萍

（广东水电二局股份有限公司，广州 511340）

0 引言

开敞式TBM在我国山岭隧道施工中应用较多，然而在含有灰岩岩溶地层的长大隧洞中应用较少[1]，在相类似水利工程隧洞的方案选择时，不少学者也针对各个项目特点对TBM 与钻爆法施工进行过分析[2～5]。根据前期地勘资料及少开支洞对工期及造价的影响，本工程采取开敞式TBM施工。当开敞式TBM 掘进到破碎带时，容易出现围岩失稳、掉块，甚至有较大范围的坍塌，也容易引起刀盘被淹埋、旋转困难和卡机等问题[6～9]。根据以往国内案例，穿越断层破碎洞段处理方法研究较为单一，有的通过短暂的处理即安全通过，有的被迫停机处理长达数月，有的甚至带来灭顶之灾，影响工期数年，最终更改设计路线或改为钻爆施工方式才能完成。本文根据工程实例，对TBM设备进行改良和对TBM施工技术进行改进，结合其他施工技术，保证TBM设备安全、快速地通过超长距离断层破碎洞段，提升了TBM在相似地层中的施工能力。

1 工程概况

广西桂中治旱乐滩水库引水灌区北干一标段窑瓦～六浪隧洞TBM施工段，采用一台全新美国罗宾斯公司生产的开敞式Φ5970 隧洞掘进机掘进施工。2018年7月2日，TBM隧洞掘进至掌子面（桩号B17+827.6），桩号B17+841.6～B17+836.8 段掘进方向右侧侧墙出现一条较大的溶蚀节理裂隙，长约5.2 m，宽约0.2～2.4 m，充填大量黄泥。继续往前掘进，根据地层揭露情况，该地层为断层破碎带，围岩以土层为主，侧墙土体松软，其中夹有块石，整体自稳性非常差，掘进过程中出现了顶拱土石坍塌、仰拱软基、侧墙土石坍塌、局部地层渗水等地质问题。同时，开挖料为土料对开挖支护造成极大影响，造成了顶拱变形、刀盘结泥饼、皮带机转接口堵塞、皮带频繁被划破等现象，严重影响施工安全和施工进度。

2 施工难点

2.1 不可预见性

设计提供的地勘资料显示该段地层为Ⅲ类围岩，灰岩、泥质灰岩夹薄层钙质泥岩、硅质岩、微风化，未显示该段有大的不良地质体[10]。待揭露围岩表明该段地层属于断层破碎带时，TBM设备盾体已经进入了该段地层。

2.2 长度较长

该段超长断层破碎带长度约为103.166 m，大大超过了掘进过程中设计多次预估的长度，甚至远远超过了本标段TBM 隧洞已探明的最复杂最难掘进的F5断层的长度（约30 m左右）。

2.3 顶拱土石坍塌

由于穿越地层隧洞围岩非常破碎，露出盾尾后，顶拱的土夹石就出现坍塌现象（见图1），安全防护措施无法做到万无一失，对施工人员的安全造成较大威胁。

图1 盾尾顶拱土石坍塌

2.4 侧墙土石坍塌

由于该段超长距离断层破碎带整体为破碎的土夹石地层、土层等，掘进过程盾尾侧墙伴随崩塌。塌方体落在空间狭窄的隧洞底部（见图2），需人工及时进行清理，对掘进施工效率造成极大影响。

图2 侧墙土石坍塌

2.5 仰拱软基，严重威胁内燃机车行驶和整个隧洞安全

由于TBM 设备掘进过程中刀盘需要在掌子面进行雾状喷水作业，同时，部分洞段侧墙及顶拱两侧存在少量渗水现象，造成仰拱表层土体在处于TBM盾体内时已经被水浸泡。待围岩露出盾尾后，仰拱承载力已经无法满足支立拱架要求，容易出现拱架下沉现象，如不处理将造成拱顶破碎土石压力整体压沉拱架，进而拉垮隧洞，整体隧洞安全时刻面临挑战。

2.6 侧墙空腔和土体松软无法提供TBM推进足够的反力

侧墙土体较松软，掘进过程中侧墙坍塌形成空腔，无法提供撑靴足够的反作用力，不采取有效措施根本无法保证TBM 设备前进。特别是应对撑靴支撑软弱围岩塌腔不良的地质条件，处理不当时，可能造成人员伤害及设备伤害（如撑靴掉落）等，从而影响TBM的施工进度[11]。

2.7 夹杂块石堵塞皮带转接口

TBM在断层破碎带开挖过程中，开挖料夹杂有大量不规则块石，频繁出现渣料堵塞皮带机转接口现象（见图3），夹杂的块石因悬空架落在转接口数次割裂皮带，造成意外停机，修补皮带耗费了大量时间，极大地影响了TBM的掘进效率。

图3 夹杂块石堵塞皮带转接口

2.8 顶拱变形

由于顶拱堆积的土夹石压力大，围岩未露出盾尾前，已经将TBM顶护盾压缩至护盾能收缩的最小位置，造成拱架顶部安装位置比原设计低15～20 cm（见图4）。为解决此问题，采用了增加多台千斤顶，加上护盾自带油缸液压千斤顶顶升，仍然无法将顶护盾顶回原位。

图4 盾尾顶拱变形

2.9 顶拱渗水

2018年11月8日，TBM盾尾掘进方向右侧12～15点位置出现渗漏水情况，盾尾至撑靴钢拱架脱出盾尾后受拱顶破碎围岩压力产生较大变形影响TBM后配套通过。

2.10 刀盘结泥饼

由于开挖料基本为土体，TBM掘进过程中，又必须要进行少量雾状喷水作业（作用一个是降温、降尘，另一个是方便出渣）。土体和水混合后易结成泥饼，粘结在刀盘出渣口及刀仓内。掘进过程中，几乎每天都会出现渣土结成泥饼堵塞出渣口，造成无法出渣的情况，对掘进效率产生直接影响。同时，断层破碎带围岩软硬不均，影响刀具使用寿命[2]。

3 应对措施

TBM 突遇超长距离断层破碎带，困难大、时间跨度长、处理效率低。为应对各种施工难点，解决现场实际发生的各种困难和问题，采取了多种技术，同时结合现场实际，创新部分施工技术，较好地解决了本次断层带所遇到的各种困难和问题。

3.1 超前水平钻探取芯

根据该断层破碎带地层的复杂性和长度的不可预见性，采取了超前水平钻探取芯的方案。即TBM 设备在停机状态下，施工人员进入刀仓内，将刀盘中心刀拆除，获取钻探取芯位置，将取芯设备拆除分解，通过进人孔将拆解的设备部件逐件搬运至刀仓内再进行组装，取芯及芯样分析见图5。依靠该技术手段本次TBM 过断层共进行了8 次超前水平钻探取芯（累计取芯长度95.19 m），分阶段获取了掌子面前方地质情况，有效地指导了TBM掘进各项参数的设定，同时为后续支护方式提供了理论依据，为安全穿越提供了地质上的保障。

图5 取芯及芯样分析

3.2 Mcnally系统支护技术

根据顶拱坍塌情况，采取了Mcnally 系统支护技术（顶拱密排钢筋排配合拱架加密加强支护方案），首先将钢筋在洞外截断制成纵向钢筋排，人工将钢筋提前搬运并插入TBM盾体钢筋排储存舱中。TBM 往前掘进时，再将钢筋人工拔出储存舱，配合钢拱架支护加固拱顶（见图6）。

图6 Mcnally系统支护

3.3 侧墙防坍塌临时支护技术

TBM 在断层中掘进，盾尾两侧土石伴随崩塌，后期清理工作量较大，同时对隧洞整体支护稳定性、安全产生较大影响，对隧洞施工人员产生较大威胁。面对此种情况，采取了两种侧墙加固技术加以解决。

3.3.1 侧墙径向锚筋+喷砼临时支护技术

在土石露出盾尾后，马上在顶拱120°两侧位置，采用大锤人工打入锚筋（由于空间有限，没法采用大型设备进行施工）加以防护，再在侧墙人工打入径向锚筋，并初喷一层喷射混凝土，稳固侧墙土体（见图7）。

图7 侧墙径向锚筋+喷砼临时支护图

3.3.2 创新应用了一种永久加固防盾尾土石坍塌技术

根据土石坍塌部位及该地层坍塌特点，结合TBM 设备结构设计的分析研究，在侧护盾位置（两侧各约90°范围）采用弧形钢板（厂家定制）焊接接长（长度1.2 m），延长侧护盾（见图8），将可能发生坍塌的部位进行封闭，以此保证在掘进和拱架安装过程中，侧墙土体不出现坍塌，彻底消除了隐患，大幅度缩短了工序时间，加快了掘进效率。

图8 侧护盾延长钢板

3.4 隧洞仰拱软基换填施工技术

在断层破碎带掘进过程中，隧洞地质大部分为土层时，隧洞底部仰拱基本为软基，面对有可能整体隧洞下沉，拱架支护失稳的问题，采取了隧洞仰拱软基换填施工技术加以解决，换填后仰拱见图9。

图9 换填后仰拱

3.5 侧墙大撑靴加压施工技术

断层破碎带中，侧墙土体松软（或塌空）无法提供TBM推进足够的反力前进，采用了3种施工技术配合予以解决。

3.5.1 反复垫压圆木、型钢等方式，增加撑靴压力

人工将加工好的圆木压入已坍塌的侧墙空腔，将撑靴撑在垫好的圆木上，若撑靴压力达不到要求，继续往坍塌空腔内塞圆木或型钢，反复多次，直到撑靴压力达到TBM前进要求。

3.5.2 修改TBM掘进PLC程序

原设备PLC 程序在大撑靴顶撑压力设置有一固定限值，压力达到该数值，设备即可前进。根据程序逻辑关系，采取将这一限值进行最大化限小，减少了多次反复垫压原木、型钢的工序时间，提高了效率。

3.5.3 侧墙大撑靴换填增压施工技术

采取了侧墙大撑靴换填增压施工技术解决了大撑靴压力不足的问题。具体做法是：围岩露出盾尾，对侧墙进行人工开挖（挖深约50 cm）清理，再采用喷射混凝土（人工筑模）喷至原开挖面（见图10），待砼强度上升后，大撑靴压力达到更改后的PLC设计值满足掘进条件。

图10 侧墙大撑靴换填增压

3.6 长距离隧洞皮带洞内冷粘技术

正常生产情况时，采用皮带硫化技术处理类似皮带断裂问题，但花费时间较长，不利于断层不良地层的及时处理。根据这一实际情况，采用了皮带冷粘技术，克服了皮带冷粘不适于潮湿环境这一难题，以较快的速度解决了快速修补连接皮带问题，一定程度上确保了掘进和出渣顺利。

3.7 断层破碎带拱架更换施工技术

由于TBM隧洞支护拱架与设备间隙非常狭小，本次断层破碎带掘进中，出现多段已成型拱架变形影响设备后配套通过的现象，需对已安装拱架进行更换。针对该情况，采用了锚筋、自进式锚杆、锚喷临时加固技术攻克了这一难题，成功安全更换了多段变形拱架，取得了较好的支护效果[12]，变形及更换拱架见图11。

图11 变形及更换拱架

3.8 TBM密闭刀仓“泥饼”破除施工

TBM 机手先将刀盘转到合适的角度，然后锁定。机手在刀仓口值守，安排2 名施工人员先后从进人口进入刀仓，采用专用自制工具按照事先设置的先后顺序逐一对刀盘进料口、刀具周边粘结的“泥饼”进行破除。

3.9 固结灌浆施工技术

断层破碎带中出现渗水，这对于TBM掘进过断层破碎带是一新的重大施工险情。针对该情况，采取了对漏水位置一定范围固结灌浆预先临时加固方案。本措施的及时有效实施确保TBM 设备安全穿越漏水点，确保了隧洞安全。

3.10 岩石劈裂施工技术

针对掘进过程中出现孤石的情况，采取了岩石劈裂技术。采用该技术有效地解决了大块孤石对拱架支护的影响，同时采用该方法大大减小了对地层的扰动，大大降低了块石塌方的可能性。在保证了人员和设备的安全的同时，更提高了支护效率。

4 结论

针对TBM 突遇超长距离断层破碎带出现的施工难点（地质不可预见、长度较长、顶拱土石坍塌、侧墙土石坍塌、仰拱软基、刀盘结泥饼、皮带修复、大撑靴增压、顶拱变形等），采用超前水平钻探取芯、Mcnally系统支护、侧墙防坍塌临时支护、隧洞仰拱软基换填、侧墙大撑靴加压、长距离隧洞皮带洞内冷粘、断层破碎带拱架更换技术等多种施工技术相结合的方案，使TBM 安全、快速地通过了该段超长断层破碎带，取得了预期的效果。按照原设计TBM应对断层破碎带的方案，采取超前固结灌浆配合钢拱架施工，需10 个月通过该段地层，现在采取新方案比原设计方案缩短工期约3 个半月，同时较原设计方案更安全。该方案的成功实施，将为今后开敞式TBM施工提供新的解决思路，可为其他类似工程提供参考。