基于对TBM隧道施工影响的断层带初步分级

龚秋明，王 瑜，卢建炜，吴 帆，许弘毅，班 超

(北京工业大学 城市防灾与减灾教育部重点实验室， 北京 100124)

隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)是一种靠刀盘旋转破岩推进，隧道支护与出渣同时进行，并使隧道全断面一次成形的大型机械[1]。它具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，有很好的生态环境、经济和社会效益，现已广泛应用于铁路、公路、水利、水电、城市地铁、越江和海底等隧道工程，也正成为我国今后长大隧道建设最主要的施工方法[2]。

由于地质条件的复杂性和前期地质勘察的局限性，TBM在施工过程中经常会遇到突发的不利地质条件，断层破碎带是其中很常见的一种，TBM遇到断层破碎带时如果处理不当会导致严重的后果。如，青海引大济湟隧道工程在穿越大阪山南缘断裂带时发生了严重的围岩大变形，导致掘进机被卡[3]；厄瓜多尔科卡科多水电站双护盾TBM掘进时遇到断层破碎带导致围岩塌方及刀盘堵塞造成卡机事故[4]；伊朗扎格罗斯输水隧道采用的双护盾TBM在穿越扎格罗斯山脉时遇到断层破碎带，导致刀盘和护盾被卡8个月[5]。

根据学者们的研究，断层破碎带对TBM的主要影响有[6-8]：①开挖后掌子面及拱顶坍塌，将TBM刀盘埋入，刀盘旋转困难；②存在大量节理和软弱的岩体结构，会导致隧道超挖；③隧道边墙坍塌，撑靴支撑力不够；④给喷锚支护带来困难；⑤围岩软硬不均，刀盘旋转时易产生震动，影响刀具的使用寿命，增加刀具消耗；⑥当围岩软硬不均时可能会引起TBM机体的摆动增加，给掘进方向的控制带来困难；⑦为地下水的涌入提供了通道，如存在涌水则会由于水压作用导致掌子面发生坍塌，严重时会淹埋刀盘及机体。

从断层破碎带对TBM施工参数的影响来说，断层破碎带的存在使得围岩破碎，岩体强度降低，有利于TBM的破岩作用，会增加TBM掘进速度[9]。但会降低掌子面以及围岩的稳定性，掌子面的不稳定性会导致TBM刀盘堵塞，刀盘震动加剧，围岩的不稳定性会导致临时支护的要求变高，这些潜在的风险会导致TBM掘进时间的下降，从而会降低TBM施工进度[10-11]。

为解决断层破碎带对TBM施工造成的诸多影响，主要从三个方面采取措施[12]：①选择合适的TBM类型：护盾式TBM比敞开式TBM更适合掘进通过断层破碎带。②提升围岩的稳定性。在TBM刀盘后方立即采用钢拱架，木板和喷射混凝土支护、对掌子面岩体进行灌浆处理、超前管棚支护、采用传统钻爆法从TBM两侧开挖导洞通过断层破碎带。③TBM施工参数优化。采用小推力、低转速、小行程、快速掘进的方法，尽可能减少对围岩的扰动。

TBM施工现场数据是在特定地质条件下TBM与围岩相互作用情况的真实反映，通过收集TBM掘进通过断层破碎带时的施工数据可以更全面、准确的探讨断层对于TBM隧道施工的影响。然而，目前从这一方面研究断层对TBM掘进参数影响的文章较少。本文基于吉林引松供水工程四标TBM施工段和引汉济渭岭北TBM施工段建立的TBM掘进数据库将断层进行分级，研究不同等级断层对于TBM掘进参数的影响。

1 工程概况

1.1 工程简介

吉林引松供水工程是由丰满水库调水至吉林省中部城市的长距离跨流域城镇供水工程。总干线TBM段全长69.855 km，埋深主要集中在50～100 m，最大埋深为260 m。根据线路特点共有3台TBM同时施工，本文主要研究四标段TBM施工段，里程桩号为K51+705～K71+476，共19 771 m。此桩号范围内TBM穿越地层岩性以花岗岩、灰岩、闪长岩、板岩、砂岩为主，岩石饱和单轴抗压强度以40～80 MPa为主，岩体完整性指数以0.41～0.70为主。

陕西省引汉济渭工程是陕西省针对关中地区严重缺水的情况而规划的省内南水北调跨流域调水工程。隧道全长81.580 km，洞身最大埋深2 000 m，越岭段采用2台TBM施工，施工总长度39 290 m。本文主要研究岭北段TBM施工段，里程桩号范围为K51+896～K62+578，共10 682 m。此桩号范围内TBM穿越地层岩性以千枚岩为主，含少量变砂岩和角闪石英片岩，岩石饱和单轴抗压强度以18～71 MPa为主，岩体完整性指数以0.35～0.70为主。

1.2 TBM设计参数

吉林引松工程四标段TBM是我国自主研制的首台敞开式硬岩掘进机，刀盘直径为7.93 m，刀盘安装滚刀56把，中心刀为17英寸双刃盘形滚刀，共计8把，正滚刀和边刀均为19英寸单刃盘形滚刀，共计48把。

引汉济渭岭北段TBM为德国Herrenknecht公司生产的型号S-795敞开式硬岩掘进机，分块式刀盘设计。刀盘直径为8.06 m，刀盘安装滚刀50把，全部为19英寸盘形滚刀，中心刀为双刃盘形滚刀，共计8把，正滚刀和边刀均为单刃盘形滚刀，共计42把。2台TBM的详细设计参数见表1。

表1 TBM主要设计参数

2 TBM过断层带施工数据库

吉林引松四标段TBM施工段和引汉济渭岭北段TBM施工段洞径相近，TBM设计参数具有一定的相似性，在研究断层破碎带对TBM施工参数的影响时，把两条隧洞的数据合并成一个数据库。数据库中收集2条隧道的参数：①TBM掘进参数；②TBM掘进过程地质编录；③TBM施工记录。

通过TBM每个步进自动记录的掘进数据平均值，整理得到TBM在相应里程的掘进参数，包括TBM刀盘推力、扭矩、转速和TBM贯入度P以及每个步进运行时间，结合TBM每日掘进时间和TBM刀具更换数量，可得

Fn=F/刀具数量

(1)

U=掘进时间/当班时间×100%

(2)

PR=P×RPM×60/1 000

(3)

AR=PR×U×24

(4)

式中：Fn为TBM单刀推力，kN；F为TBM刀盘推力，kN；U为TBM利用率，%；PR为TBM掘进速度，m/h；P为TBM贯入度，mm/r；RPM为TBM刀盘转速，r/mm；AR为TBM每日施工进度，m/d。

收集TBM掘进过程地质编录，并进行整理分析可以得到TBM掘进过程中断层出露的里程范围、断层的宽度、产状、填充物和含水情况等详细资料。2条隧道的TBM掘进过程中共遇到断层34条，断层带宽度范围为5～220 cm，大多数断层与隧道轴线大角度相交，断层填充物以断层泥和断层角砾为主，收集并分析了隧道沿线出露的地层岩性、结构面发育情况、地下水情况和围岩级别。统计并分析了施工方的TBM施工记录，得到TBM遇到不同规模断层时隧道拱顶的稳定情况和施工方为了保持隧道稳定所采取的临时支护形式和处理办法，以及TBM遇到涌水涌泥、溶洞等不良地质条件和发生机械故障的里程范围。

数据库将收集到的数据分:①TBM掘进的“正常区域”。为研究里程范围内TBM掘进过程中没有遇到断层、涌水涌泥、溶洞等不良地质条件和发生机械故障的里程段；②“断层区域”，为TBM掘进过程中遇到断层的里程段，见表2。

表2 TBM掘进过程中遇到的断层

3 断层对TBM利用率的影响分级

断层作为TBM施工中常见的不利地质条件，其对TBM掘进影响较小，但对掌子面及隧道围岩稳定性影响较大，如果处理不当会造成TBM施工进度延误，甚至有可能出现TBM卡机和被埋的情况，其影响大小与断层宽度、产状、填充物和含水情况有关。TBM利用率U是机器对地层的适应性、施工管理以及不利事故造成的延误的综合反映，反映了TBM在不同岩体条件下的使用效率。利用率可以较好的反映出断层对TBM施工的影响。断层宽度是断层两侧断盘位移的距离，体现了断层的发育规模，是影响隧道稳定性的关键因素；断层产状决定断层与隧道轴线的空间位置关系，是影响隧道稳定性的次要因素。因此本文以TBM在不同断层宽度和产状区域下的利用率大小作为划分断层等级的依据。在TBM利用率的选取上，Barton[13]的研究表明，TBM利用率的大小与选择的时间跨度有关系。对于具有相同PR值的同一条隧道的同一台TBM，Ud>U周>U月>U年，因为时间跨度越大，TBM遇到各种不利地质条件以及发生机械故障的可能性越大，因此，在计算TBM利用率的时候需要说明选择的时间跨度。考虑到TBM每天都有相应的换班时间和保养时间，也为了能够排除机械故障对利用率的影响，本文采取的利用率为Ud。

3.1 断层宽度对TBM利用率的影响

将断层宽度B和TBM利用率Ud通过SPSS统计分析软件进行非线性回归分析，可知断层宽度B和TBM利用率Ud呈现出显著的指数函数的关系为

Ud=34×e(-B/41)+10R2=0.74

(5)

式中：R为相关系数。

断层宽度B和TBM利用率Ud的关系见图1。由图1可知，断层宽度B为5～220 cm，TBM利用率Ud范围为10%～45.7%。随着断层宽度的增大，TBM利用率呈现出下降的趋势。曲线整体可以划分为3段，以断层宽度B=50 cm和B=200 cm为临界点，第一段为陡降段，第二段为过渡段，第三段为缓降段。断层宽度B<50 cm时，TBM利用率随着断层宽度的增大迅速减小，数值由45.7%减小到20%；当断层宽度为50～200 cm时，TBM利用率随着断层宽度的增大而缓慢减小，数值由20%减小到10%；断层宽度B>200 cm时，TBM利用率将会降低到10%以下且保持平稳。由于数据库中最大的断层宽度B=220 cm，若断层宽度进一步增大，将有可能发生TBM卡机或被埋的情况，TBM利用率降低至0。

图1 断层宽度和TBM利用率Ud的关系

在第一段曲线中，当断层宽度B<10 cm时，TBM利用率大于40%，且变化幅度小，对TBM施工基本没有影响，可以单独划分。当断层宽度B>220 cm时，因所在工程没有详细案例，本文从相关文献中收集断层导致TBM卡机的施工案例，完善数据库，从而界定出会导致TBM卡机的断层宽度范围，见表3。由表3可知，断层宽度B=800 cm时为一个临界点，当断层宽度B>800 cm时，TBM会发生卡机的事故，此时TBM利用率降低为0。因此，按断层对TBM施工利用率的影响从小到大可分成5级，即断层宽度B<10 cm、10～50 cm、50～200 cm、200～800 cm、B≥800 cm。

表3 断层导致TBM卡机的施工案例

3.2 断层产状对TBM利用率的影响

从图1可以看出，当断层宽度B<50 cm时，TBM利用率并不总是随着断层宽度的增大而减小，而是具有很大的离散性，利用率的变化范围比较大。主要原因是断层与隧道轴线夹角α对TBM利用率有较大影响。因数据库中的断层宽度样本主要集中在B<50 cm的区间，因此本文只研究此区间下断层面与隧道轴线夹角α对TBM利用率的影响。断层与隧道轴线夹角为

α=arcsin(sinαd·sinαt-αs)

(6)

式中：αd为断层倾角；αt为隧道轴向；αs为断层走向。

将10 cm作为一个区间宽度，把断层宽度分为0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm共5个区间，研究不同断层宽度区间下，断层面与隧道轴线夹角对TBM利用率的影响，见图2。由图2可知，在不同断层宽度区间下，TBM利用率呈现出不同的变化趋势。当断层宽度B<10 cm时，TBM利用率随α的增加变化不大，但其数值明显大于其他区间的利用率；当断层宽度B=10～50 cm的任意一个区间时，TBM利用率的数值和变化趋势均有一定的相似性，TBM利用率随着α的增大而增大，并且α≥45°时TBM利用率明显大于α<45°时TBM利用率。

图2 断层面与隧道轴线夹角和利用率的对应关系

3.3 断层对TBM隧道施工影响分级

断层宽度和断层与隧道轴线夹角均对TBM利用率有显著影响。断层宽度为主要控制因素，断层与隧道轴线夹角为次要控制因素，断层宽度位于B<10、10～50、B=50～200、200～800、B≥800 cm这5个区间时，TBM利用率呈现出不同的变化趋势。基于此，将断层对TBM隧道施工的影响分为5个等级，等级越高表示断层发育规模越大，相应的TBM利用率越低。每个等级断层的宽度，断层面与隧道轴线的夹角α以及相应的TBM利用率，见表4。

表4 断层分级以及相应的TBM利用率

4 不同等级断层对TBM掘进参数的影响分析

为分析比较不同等级断层对于TBM掘进参数的影响，将TBM在“正常区域”和Ⅴ—Ⅱ级断层区域的单刀推力、刀盘扭矩T、刀盘转速、贯入度、掘进速度和施工进度的均值进行比较，Ⅰ级断层会导致TBM卡机，各项掘进参数均为0。

推力是影响刀盘贯入度大小的主要因素之一，推力越大，贯入度往往越大，但是随着断层级别的增大，TBM单刀推力变小，贯入度却变大，见图3。由图3可见，断层的存在使得断层周围岩体变得破碎，降低了岩体的强度从而有利于TBM的破岩作用，并且断层级别越高，此作用越明显。

图3 岩体条件和单刀推力、刀盘贯入度的关系

随着断层等级升高，断层宽度增加，刀盘扭矩和刀盘转速均有小幅度的下降，二者的降低可以减小TBM对围岩的扰动，从而有利于保持隧道的稳定性。刀盘转速除受地质条件影响外还受到刀盘直径的影响，吉林引松四标TBM刀盘直径要略小于引汉济渭岭北段TBM刀盘直径，因此吉林引松四标段TBM刀盘转速要略大于引汉济渭岭北段TBM刀盘转速，见图4。

图4 岩体条件和刀盘扭转、刀盘转速的关系

随着断层等级的提高，TBM掘进速度PR有小幅度升高，其数值在3～4 m/h之间，比正常岩体区域略高，说明断层的存在促进了TBM的破岩作用，在此区域需仔细判断岩体条件的变化，确认断层的大小。断层对于TBM施工进度AR具有明显的减弱作用，并且随着断层等级的提高，减弱作用越明显，这主要是由于“断层区域”隧道拱顶经常有落石下落，施工单位会增设临时支护来保证隧道的稳定性，导致TBM利用率降低，延误施工进度，见图5。

图5 岩体条件和掘进速度PRTBM施工进度AR的关系

5 结论

基于吉林引松供水工程四标段TBM施工段、引汉济渭岭北隧道TBM施工段及收集到的大规模断层TBM施工案例，建立了TBM过断层带施工数据库，以施工中遇到的断层对TBM施工利用率的影响为基础对断层进行了初步分级，并研究了不同等级断层对于TBM单刀推力Fn、贯入度P、刀盘扭矩T、刀盘转速RPM、掘进速度PR及施工进度AR的影响，主要得到以下结论：

(1)随着断层宽度的增大，TBM利用率呈现出下降的趋势，二者呈现出指数函数的关系。断层面与隧道轴线夹角对TBM利用率的影响只有在断层宽度处于一定范围才明显。

(2)不同等级的断层对TBM掘进参数具有显著的影响，断层级别越高，TBM单刀推力、刀盘扭矩、刀盘转速、施工进度越小，同样推力的贯入度越大，对TBM破岩越有利，但是会降低TBM利用率，从而延误施工进度。

本文建立的TBM过断层带施工数据库所包含的隧道洞径均在8 m左右，没有考虑不同洞径和地应力对于TBM掘进的影响。另外因数据库中大断层的数据不详尽，得出的结论具有一定的局限性，下一步工作应该扩展断层数据库的样本，以便获取更有普遍意义的结论。