TBM穿越断层破碎带及软弱夹层施工技术

蔺凤林 新疆水利水电勘测设计研究院

1.工程概况

X E3-1隧洞全长11.596k m，采用T BM方式进行开挖，T BM从3#支洞向下游顺坡掘进，开挖洞径7.8m。

该段位于阿尔泰山南麓侵蚀构造中山区及低山丘陵区，地形开阔、略起伏，分布高程877～1140m，相对高差约260m。隧洞沿线基岩多裸露，岩性为华力西期变质黑云母斜长花岗岩、花岗斑岩等，次块状～块状构造，岩石坚硬，较完整。岩性复杂、多变。

2.断层破碎带、软弱夹层地质特征与TBM施工风险

2.1 断层破碎带、软弱夹层地质特征

引水隧洞中，在桩号52+721～52+756段，近平行发育3条断层，产状：38-48°SE∠35～50°，断层带宽分别0.3～1.5m,影响带宽分别1～3m,断层面均平直～起伏、粗糙，断层带内见有断层角砾岩、挤压碎裂岩及断层泥，沿着断层面见1～2mm的泥膜，长度＞10 m，断层走向与洞线夹角呈大角度相交,贯穿洞室，断层间距6～8m。从断层挤压面上初步判断，该断层为正断层，上盘岩性受挤压作用，糜棱岩化明显，表面遇水软化。造成断层破碎宽度大，岩体强度低，破碎带内裂隙发育，结构面互相交错切割，层间结合力差，局部岩石沿裂隙面卸荷明显，导致围岩稳定性差，施工过程中塌方频发。对洞室稳定影响较大。

在桩号52+747～52+755段TBM左侧撑靴位置见有1～3m的软弱夹层，主要成分是黑云母、暗色矿物富集发育，局部受断层构造影响糜棱岩化明显。撑靴位置软弱夹层导致撑靴支撑力不够,对掘进影响很大，经处理之后，顺利通过。

在桩号52+838～52+849段发育NE向断层，产状：55°NW∠65～70°，断层带宽11m，断层面起伏、粗糙，断层带以挤压碎裂岩、断层角砾岩及断层泥为主，断层面见1～5mm的泥膜，带内可见褐铁矿化和绿泥石化蚀变现象，上半洞岩体破碎严重，强度低，层间结合差，多呈松散碎块石坍塌掉落，两侧洞壁撑靴位置形成垮塌。断层与隧洞走向呈大角度相交，贯穿洞室，对洞室稳定性影响较大

2.2 TBM施工断层破碎带、软弱夹层的风险

TBM在断层破碎带及大的软弱夹层掘进过程中,发生频率最高的工程地质灾害主要有围岩塌方、围岩失稳、涌水、隧洞围岩大变形及撑靴支撑力不够等。会造成以下事故:刀盘无法转动,出现卡机现象。软弱夹层导致撑靴支撑力不够,会使撑靴打滑，TBM持续掘进时会持续震动，导致软弱岩体发生滑移和坠落影响无法掘进。顶护盾及刀盘上方塌腔的发生，引起地质应力分布不均，导致部分钢拱架及钢筋排严重变形及混凝土开裂等初支破坏现象。

隧道穿越断层破碎带及软弱夹层过程中，围岩自稳性较差，塌方灾害频发。塌方灾害在TBM掘进过程随时发生，主要发生在隧道拱肩至拱顶位置，且塌方规模较大。整个断层破碎带区域均潜在塌方风险。

3.断层破碎带、软弱夹层对TBM施工的影响

TBM 掘进技术与地质条件关系十分密切，地质条件的好坏直接影响TBM的效率，TBM 对断层破碎带、软弱夹层等不良地质条件的适应性较差。这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响,具体影响如下所述。

一是TBM掘进过程中易在掌子面前方及护盾顶部形成掉块、塌方，会造成TBM卡机现象。露出护盾围岩形成的掉块、塌腔，在施工过程中极易对人员、设备安全造成威胁。

二是TBM掘进断层破碎带、软弱夹层时，对破碎带围岩扰动大，极易导致拱顶及边墙围岩松动,围岩自稳时间短，施工流程衔接不当，极易形成掉块或规模较大的塌方，边墙围岩差导致撑靴支撑力不够,不能提供TBM掘进所需的足够的支撑力。

三是TBM在断层破碎带、软弱夹层掘进时，因围岩软硬不均,导致刀盘旋转时易产生震动,影响刀具的使用寿命；因围岩软硬不均,将会影响掘进速度，出渣量忽大忽小，对皮带机运转造成一定影响。

四是断层破碎带、软弱夹层会导致TBM掘进作业时间利用率降低,一旦发生灾害将对工程施工成本和进度造成较大的影响，频繁的塌方将导致支护量、人工清渣时间及辅助工作量增加，使掘进效率降低。甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况。

4.穿越断层破碎带、软弱夹层施工支护方法

4.1 施工支护策略

断层破碎带及软弱夹层的处理，直接影响TBM的施工安全及掘进效率，在该段隧道断层破碎带、软弱夹层地质特征的基础上，针对性制定了“先探测、预加固、换填、合理选用掘进参数、及时加强支护、紧封闭、勤量测”的施工支护策略。

4.2 施工过程中断层破碎带、软弱夹层预报与预测

（1）超前地质预报。断层破碎带、软弱夹层区域地质条件复杂，采用物探超前地质探测方法，对输水隧洞掌子面前方的围岩地质条件及地下水赋存情况进行探测。在此基础上结合地表地质测绘以及洞内地质素描综合分析掌子面前方围岩地质条件。及时采取超前支护措施加固围岩。

（2）TBM 掘进参数。在不同的地质条件下,TBM掘进时的推力、贯入度、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩和撑靴压力等掘进参数是不同的。要根据掘进中部分掘进参数的相对变化,了解前方围岩的变化情况，通过推进压力的大小可推知围岩强度情况,通过刀盘扭矩的大小可推知围岩的完整性情况。当遇到断层破碎带时，刀盘推力突然下降，贯入度增大，刀盘扭矩增大，从而及时调整TBM的掘进参数或采用其它措施,使TBM安全通过。

（3）TBM出渣情况。当TBM掘进进入断层破碎带、软弱夹层时，TBM 输送机皮带的渣量会极速增多的同时，渣粒的大小直径都会超过20cm。结合围岩出露特征、皮带出碴量的情况和掘进时的异常情况对前方地质情况进行了综合判断,较好地探明了前方破碎带的情况。

4.3 施工支护流程及技术要点

（1）提前预加固。掘进时地质灾害主要发生在断层破碎带、断层影响带、软弱结构面及节理密集带发育段。刀盘前面围岩破碎时，塌腔一般会在刀盘前方掌子面及护盾顶部发生，TBM掘进的情况下，出碴量很大。此时刀盘脱离掌子面，极有可能形成更大的塌腔。此时停机，护盾上方破碎围岩会把护盾压死或卡死刀盘。

预加固目的是通过注浆有效阻断断层破碎带裂隙水的贯通性,同时使破碎带破碎围岩通过浆液固结形成相对整体,达到一定强度，避免出现涌水、卡机现象。

结合TBM所配备的超前钻机、钻注一体机。根据超前钻孔成果,判断前方的地质情况是否适合TBM掘进,若适合,则继续向前掘进;反之,则需对前方不良地质地段进行预加固。结合注浆设备,对隧道前方断层破碎带的围岩进行超前预注浆和超前管棚注浆加固。注浆前,为防止掌子面出现围岩坍塌和漏浆,可利用TBM自身配备的喷射系统在刀盘开挖后喷射一层混凝土。在进行注浆前,先用水冲洗钻孔,注浆时,为防止串浆和漏注,可先从两侧的钻孔向拱顶对称注浆。

（2）调整合理TBM掘进参数掘进。TBM掘进参数是控制掘进速度的重要因素，掘进参数指标随围岩条件的变化而不断变化。掘进参数选择得当、合理匹配，才能有效提高TBM掘进效率。当TBM参数突然变化时，要及时调整TBM的掘进参数，掘进参数的选择主要根据出渣情况确定刀盘的转速，在无大块石渣出现，掘进过程中无塌落时，一般选择高速掘进。若有大块石出现并伴有围岩塌落，一般选择低速掘进。这样做，一方面是减少刀盘对周围围岩体的扰动，另一方面是控制皮带机的出渣量，避免因出渣过快，石块过大，造成皮带机故障。必须时采用人工清除大量的底碴。

继续向前掘进。首先采用短进尺、较低转速、低扭矩、小推力、大贯入度掘进。掘进控制。通过阶段保持匀速、不停机策略,严格控制出土量,关注出渣情况,合理分配掘进分区压力,控制掘进姿态,破碎带界面存在岩面强度不均情况，出现姿态偏离时遵循多次少量纠偏的原则。该段TBM掘进参数如表1所示。

表1 TBM掘进Ⅲb、Ⅳ 围岩时参数

（3）及时加强支护。破碎围岩露出后，自稳时间很短。受断层及裂隙结构面组合切割极易引起大的掉块及塌腔，掉块及塌腔位置在拱肩及拱顶最常见。锚杆、网片、喷护等支护措施往往无法起到有效支撑作用。

围岩漏出护盾第一时间采用增设钢支撑和加强支护能力等方式,保证已支护段围岩稳定，减少已支护段变形。

一般断层破碎带洞段,漏出护盾拱顶围岩部位，及时打锚杆、挂网片及喷射混凝土等支护措施。

严重断层破碎带洞段,漏出护盾围岩采用加密HW150型钢拱架，中心间距控制在45cm安装，拱架间采用12槽钢焊接，环向360°布设，间距1米，与HW150型钢连接为满焊，钢筋排采用φ20mm单槽4根进行支护。

（4）撑靴位置支撑力不足的解决方法。在断层破碎带、断层影响带、软弱结构面及节理密集带发育段掘进时，由于岩体的自稳能力差，岩体破碎、强度低，受TBM设备掘进时的振动，使得撑靴位置围岩引起松动，导致撑靴位置围岩出现塌腔、掉块、造成撑靴部位围岩失稳，围岩失稳会导致对围岩的二次扰动，造成塌穴，不能给TBM撑靴提供有效的支撑力、严重时会引起更大范围的塌腔等灾害。

依靠撑靴对隧道反力而获得向前的推力，撑靴部位围岩软弱、松散时，受撑靴挤压而发生滑塌。但必须对滑塌的撑靴部位进行换填、打锚杆注浆，以提高围岩的强度。

（5）快速喷射混凝土封闭。断层破碎带、软弱夹层的喷射混凝土非常重要。支护稳定后，并施作注浆管，立即进行拱架间混凝土喷射作业，成环后立即喷射C30混凝土，厚度为20cm。喷射混凝土必须填充岩面空洞、裂缝,在钢拱架地段,钢架与围岩之间空隙必须用喷射混凝土填充密实。对塌腔部位，填满空腔,稳定围岩。

（6）加强围岩观测。围岩漏出护盾后已掘进段，由于断层破碎带及软弱围岩的自稳能力差，围岩的松弛变形积累达到足够大时，初期支护无法支持围岩的压力，导致支护体系发生变形甚至破坏。其主要表现为喷混凝土开裂，钢拱架扭曲，拱架下沉等。已掘进破碎段及软弱围岩段，加强围岩观测。

出露护盾尾端5米的加固范围埋设变形监测点，随着设备不断向前掘进，每掘进5米增设监测点，每天观测3-4次数据，及时汇总分析，确定支护系统是否稳定。并设专人观测掌子面掉块位置及频次，分析刀盘转动对岩体的影响程度。

通过对围岩面变形的及时观测，获得围岩变形的动态信息，再通过观测数据分析，提出正确的支护方式指导工程施工。

5.结论

通过开展超前地质预报预测、预先加固围岩、选用合理TBM掘进参数掘进、及时加强支护，降低对围岩的扰动；及时喷射混凝土封闭围岩，提高围岩表面强度，保障围岩稳定性；以上方法组合，很大程度上减少了TBM穿越断层破碎带施工期间的风险。此外，在隧道开挖过程中，开展围岩收敛观测，关注围岩沉降和变形，保障施工安全性。