泥水盾构穿越富水破碎带掘进参数研究

何 况，李帅远，曾垂刚，李宏波，杨延栋

（1.郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450001；2.盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001）

截至2020 年底我国建成铁路隧道共16 798座，总长约19 630km，其中近5 年建成铁路隧道3 387 座，总长约6 592km，我国隧道建设事业发展进入黄金期[1-2]。由于隧道施工过程中地质情况的复杂性，在某些隧道施工路段盾构在掘进过程中难免穿越高水压破碎带区间段。隧道在穿越断层破碎带段面临施工风险高、难度大等各种问题，施工过程中可能出现隧道坍塌、涌水、结构失稳等风险，影响盾构施工效率，严重情况可能发生地表坍塌等工程事故。

隧道穿越高水压破碎带过程复杂多变，涉及破碎带区间段地下水流动、围岩弱化、开挖扰动等一系列因素。国内外文献针对断层破碎带对隧道的影响问题进行了大量研究，主要集中在断裂带的力学机制、工程地质特征、水文地质特征、成灾机理等方面。贾艳领[3]等依托工程以地质法为基础，采用物探先行、钻探结合的方法，对断层破碎带隧道地质综合超前预报应用实践，弥补了勘察设计阶段地质勘查的不足，为隧道施工决策特供参考依据。李术才[4-5]等结合对221 例突水突泥案例统计，提出不同类型突水突泥的发生条件、判断及安全厚度的分析方法。杨成忠[6-7]等建立断层破碎带隧道有限元仿真模型，研究断层破碎带倾角、破碎带宽度和破碎带内填充物对隧道涌水和围岩稳定性影响。在对隧道破碎带施工研究中，大多是从隧道施工灾害机理、破碎带超前预报等单方面研究，未能结合破碎带施工过程中盾构相关施工参数控制和建议，为此，本文以珠三角水资源配置工程某隧道区间段为依托，从断层破碎带隧道地质综合超前预报、破碎带涌水和围岩稳定性防治和盾构施工参数控制方面对隧道穿越破碎带进行研究，为盾构穿越破碎带区间段提供参考和建议。

1 工程概况

珠三角水资源配置工程某隧道区间长度为3 425m，主要下穿地层为弱风化泥质粉砂岩、泥岩、砂质泥岩，钙质泥岩、粉砂质泥岩，岩石磨蚀系数0.45～1.47，耐磨性较低，石英含量小于10%，粒径小于0.05mm，透水性差，隧洞埋深41.5～48.2 m，上覆弱风化岩层厚度0.8～30.5m，地表为鱼塘农田及莲花山水道，水道宽1.5km，最大水深14m，且第四系地层较厚，一般为15～33m。

施工区间存在5 条断层破碎带（f110、f111、f27、f16、f112），盾构区间断层破碎带分布如图 1 所示，断层与隧道轴线交角67°～68°，与输水线路呈大角度相交，岩体风化程度高、胶结程度越差，较易破碎，透水性强，易出现突泥涌水、掌子面失稳等风险。其中f111 破碎带里程为GS11+130～170，附近存在不明次生断裂、软弱夹层及裂隙，围岩类别为V 类围岩，围岩自稳性较差，隧洞围岩充水条件按水源性质以莲花山水道为主，渗入通道以构造断层涌入性通道。泥水盾构在该破碎带施工对应环355～380，破碎带区间长度约39m。

图1 盾构区间断层破碎带分布

2 破碎带施工技术

2.1 隧道超前地质预报

隧道超前地质预报是隧道施工建设的一个重要环节，在施工风险地质路段盲目开挖会引起开挖面突泥突水、开挖面失稳甚至地表坍塌等风险，影响施工效率，严重可能危及人身安全造成工程事故。在勘察设计阶段通常采用地质钻探和物探方法对隧道掘进区间段进行勘察，对围岩自稳性差等施工风险路段注明施工中加强超前地质预报[6-8]。针对破碎带地层超前预报主要采用方法如表1 所示。

表1 地质超前预报主要方法

针对断层破碎带地段，若仅凭TSP 探测仪进行地质预报存在较大偏差，无法满足工程需求。为此，在工程探测中以TSP 预报结果为基础，结合施工经验对部分破碎带区间采用超前地质超前钻孔的方式，对探测结果进行对比，保证探测破碎带区间段地质预测结果的准确性[9-10]。当盾构掘进参数发生变化而不确定地层是否变化时，可采用超前钻机通过位于前盾压力隔板上和中盾周边预留的超前孔道进行取芯验证，直接判断掌子面前方及周边的岩溶、断层带的具体位置；当盾构处于软弱破碎地层需要稳定前方围岩状况时，亦可通过超前钻机进行钻孔注浆加固。施工隧道超前钻机安装在泥水盾构管片拼装机上，其工作范围可覆盖钻探与加固的全方位区域。隧道施工路段地质超前探测为组合模式，如图2 所示。隧道施工建设需要将准确的超前预报信息作为施工的前提和依据，制定安全合理的施工方案。

图2 断层破碎带地质超前探测组合模式

珠三角水资源配置工程某隧道f111 破碎带位于桩号段GS11+250～GS11+280，掩埋于莲花山水道下的隐伏小断层，钻孔ZLHS06 中揭露有断层挤压破碎岩发育，推测为顺河道展布的逆冲小断层，上盘岩体有一定程度抬升，倾角不明。超前钻机钻孔揭露断层带为全风化状，沉积岩体的层理构造紊乱，胶结差，形成风化夹层。f111 破碎带上部岩体风化剧烈，受岩体特性影响，破碎带上部岩体强度较低且隔水性较差，容易出现隧道涌水现象影响盾构施工效率。

2.2 复合控制注浆加固技术

采取复合控制注浆加固方法及技术是利用多种注浆材料、结合施工地质条件设置浅层加固区和深层加固区，通过浅注浆孔和高压注浆孔实施注浆加固，加强破碎带岩体强度、提高围岩稳定性。控制同步注浆压力大于水土压力0.1MPa 左右，使浆液能填充碎岩裂隙的水力通道。注浆采用压力和注浆量双指标进行控制，实施注浆过程控制及注浆安全控制措施，最大限度地保障人身安全，围岩安全及设备安全[11-14]。

在施工过程中，采用超前注浆的方法降低破碎带隧道突涌水风险。在超前法注浆中需要根据破碎带区间段地质条件确定注浆材料与施工工艺。破碎带突涌水具有随时间非线性变化特性，其治理方法为深诱导浅注浆加固，富水破碎带深诱导浅注浆加固方法如图3 所示。

图3 断层破碎带深诱导浅注浆加固方法

2.3 破碎带管片防水技术

珠三角水资源配置工程某隧道区间外衬采用预制钢筋混凝土管片，混凝土采用防水混凝土。衬砌管片内径7 500mm，外径8 300mm，管片厚度400mm，环宽1 600mm。相邻管片之间通过高强度螺栓连接[15]。内衬采用现浇后C50（W12）无粘结预应力混凝土，厚度为550mm，6 环管片为一个标准分段。盾构管片内侧顶部300°范围内与无粘结预应力混凝土内衬之间设一层玻纤土工布作为隔离层。针对断层破碎带区域管片，为增强支护能力加密盾构管片钢筋量，并增加管片橡胶密封垫条数提高管片防水能力。

隧道建设施工过程中为避免管片间漏水，需严格把控管片拼装过程中管片间间隙和管片姿态。施工中可采用在管片外侧粘贴海、通过管片注浆孔注入聚氨酯等方式，以解决管片渗漏问题。

3 泥水盾构施工参数规律研究

珠三角水资源配置工程输水线路某隧道选用泥水盾构，主机采用倒锥型设计，刀盘开挖直径∅8 640mm，前盾直径∅8 600mm，中盾直径∅8 585mm，盾尾直径∅8 570mm，额定扭矩为12 154kNm，脱困扭矩达16 043kNm，最大推进速度为50mm/min，纵向爬坡能力50‰。泥水盾构主要参数如表2 所示。

表2 盾构主要技术参数

珠三角水资源配置工程中，长距离、大埋深、高水压是该供水工程的总难点，破碎带施工控制尤为重要。泥水盾构进入破碎带区间前调整好盾构姿态。掘进过程中紧密结合盾构轴向姿态，根据盾构导向系统偏差及时调整掘进方向。由于大幅度姿态调整会对破碎带产生扰动，在破碎带区间段尽可能避免大幅度姿态调整，保证盾构平稳穿越破碎带。需充分利用VMT 导向系统控制盾构的掘进方向，如发现轴线偏移，结合偏移方向遵循长距离，缓纠偏的原则及时进行均匀纠偏[16]。

泥水盾构在掘进过程中，需要控制推进速度、推进压力、泥水仓压力等掘进参数，保证隧道掘进安全顺利施工。为研究泥水盾构穿越破碎带掘进参数规律，结合珠三角水资源配置工程某隧道穿越f111 破碎带施工规律进行研究，分析泥水盾构开始进入破碎带推进速度、推进压力、泥水仓压力掘进参数变化规律。

分析图4 破碎带施工推进速度变化规律和图5 破碎带施工推进压力变化规律可以看出，在前500s 盾构即将进入破碎带区域，需要降低盾构推进速度和推进压力；进入破碎带区域后破碎带施工推进速度和推进压力基本稳定，保持开挖面稳定性。由于断层破碎带一般具有结构松散、富水性强、无自稳能力等显著特点，在掘进过程中，为保持开挖面稳定性，需要适当减小盾构掘进速度。

图4 推进速度变化图

图5 推进压力变化图

分析图6 断层破碎带施工盾构泥水仓压力变化可以看出，在盾构即将进入破碎带区域，需要适当增加盾构泥水仓压力以保证开挖面稳定，在进入破碎带后泥水仓压力保持稳定。在泥水盾构施工过程中主要依靠泥水仓提供支护力平衡开挖面上的水土压力来维持开挖面稳定，若支护力过小，开挖面前方土体塌陷进入泥水仓导致开挖面失稳，泥水仓泥浆压力较大时，会对开挖地层产生较大的扰动。因此，在即将进入破碎带区域需要适当增加泥水仓压力维持开挖面稳定。

图6 盾构泥水仓压力变化图

4 结论与建议

本文依托珠三角水资源配置某隧道工程，针对泥水盾构穿越破碎带施工风险，结合地质超前预报、破碎带施工技术和破碎带施工掘进参数控制对破碎带施工进行了分析，可得出以下几点结论与建议。

1）隧道穿越断层破碎带施工难度较大，为控制施工风险避免坍塌，需要超前地质预测预报探明掌子面前方地质情况。珠三角水资源配置某隧道工程破碎带区间段适合采用地质素描、物探（长距离探测TSP 探测，异常处短距离地质雷达）、钻探（长距离超前钻孔）及水文监测组合模式来实现地质超前预报，精准判定断层破碎带影响范围。

2）隧道穿越断层破碎带施工采用复合控制注浆加固方法及技术，根据破碎带区间段地质条件确定注浆材料与施工工艺，破碎带涌水治理采用深诱导浅注浆加固，成洞后及时封闭及注浆加固。

3）针对断层破碎带区域盾构管片，加密管片钢筋量以增强支护能力，增加管片橡胶密封垫条数量以提高管片防水能力。施工中需控制好管片姿态，提高拼装质量，防止管片间间隙过大形成透水通道。

4）在盾构进入破碎带前，需调整好盾构姿态，掘进过程中密切关注盾构轴向姿态，根据测量偏差及时调整掘进方向。泥水盾构在即将进入断层破碎带区域，应适当减小泥水盾构的推进速度、推进压力，适当增大泥水仓压力，以确保开挖面的稳定。