隧洞TBM施工穿越断层破碎带拱架变形处置及施工方案设计

韩强

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

新疆某输水工程由5 条输水隧洞组成，隧洞全长140.771km。隧洞施工以5 台TBM 设备开挖施工为主，开挖洞径7.8m，纵坡为1/2310～1/3000。其中1#隧洞段长72.89km，该段总体走向由西北向东南，地貌为低山丘陵。隧址区地势西、南低，东、北高，海拔730m～1400m 不等，隧洞最大埋深为 668m。地形起伏大，隧洞沿线冲沟较发育。目前有TBM1、TBM2、TBM3 三台设备开挖掘进施工。TBM 施工洞段围岩岩性为奥陶系斜长黑云母石英片岩，层面起伏粗糙，节理裂隙发育，岩石中石英含量一般50～60%，岩石中硬，完整性较差。该区域发育不同规模的断裂构造，对洞室稳定有一定影响，洞内地下水以基岩裂隙水为主。

TBM3-1 设备掘进至49+680 附近，揭露F17 断层，进入断层影响带，隧洞埋深约397m。TBM3-1 施工至49+769 处，掌子面遇到拱顶塌方，拱顶150°范围节理裂隙发育，岩体破碎严重，完整性差，围岩无自稳能力，TBM 护盾后方和49+730～49+758 段两处拱架发生变形，施工停滞，拱架大变形照片如图1所示。

图1 隧洞拱顶塌方破碎围岩

隧洞现场在桩号49+730～49+758 段拱架变形段设置3 组变形观测点，采用全站仪进行观测收集沉降数据，每2 个小时观测一次，并记录沉降数据，观测结果表明桩号49+732.9 处最大沉降值为51.9mm，现场监测情况如图2所示。

图2 拱架变形监测曲线

2 拱架变形原因分析及超前地质预报

2.1 拱架变形原因分析

发生拱架大变形洞段隧洞围岩岩性为华力西期变质花岗岩断层蚀变岩，颜色呈浅黄色，碎块状～次块状结构，局部岩块及裂隙面呈糜棱岩化和高岭土化，岩石局部酥软，强度低。该段（49+730～49+758）岩石节理裂隙发育，主要发育三组节理，产状：①5°SE∠15°～25°②325°～330°NE∠55°～60°③52°～55°NW ∠60°。受三组节理裂隙相互切割的影响，拱顶150°范围岩体破碎严重，完整性差，围岩无自稳能力，局部形成塌腔体。根据施做锚杆时初步探明破碎层层厚3.5m～4m，为抑制拱架变形施工方采用了化灌处理，仍无法抑制拱架后期变形。综合分析，造成拱架变形原因主要为围岩破碎，产生塌方，且塌方量巨大，超过了拱架的极限承载力，造成拱架变形。

2.2 超前地质预报

为进一步查明该段落地质情况，开展了超前地质预报工作，采用地震波法进行超前探构造，采用电法进行超前探水。三维地震探测主要利用介质波阻抗的差异来探测前方的不良地质。地震波反射成像图如图3所示，预报结果如下：49+769～49+829 段落：地震波成像图上正负反射明显，预测该段落隧洞围岩破碎，节理裂隙发育，塌腔出现概率高；

图3 隧洞地震波成像图

电法勘探的原理是隧洞围岩与含水地质构造的电性参数差异明显。现场激发极化法探测结果如图4所示，预报结论如下：49+769～49+799 段落：激发极化三维电阻率成像反映围岩电阻率值较低，预测现场出现线状流水概率较高，局部可能出现小股状流水。

图4 激发极化法三维成像图

根据超前地质预报结果，掌子面前方60 米范围内为断层破碎带及其影响带的范围，且发育地下水。

3 拱架变形及围岩处置加固方案

引水隧洞掌子面49+769 处位于F17 断层影响带，隧洞岩体较破碎～破碎，围岩自稳能力差，设计确认后变更为V 类围岩。根据超前地质预报的结果，及确保TBM 后续的安全掘进，经业主、设计、咨询及施工单位共同讨论研究后，采用先对拱架变形区进行加固，再加固护盾上方围岩，最后采用合理调整开挖及支护参数的方法通过该断层破碎带。施工工序流程如图5所示。

图5 施工工序流程图

3.1 拱架变形段施工方案

拱架变形区域采用先喷射混凝土形成止浆墙，然后再采取加密自进式锚杆并固结灌浆等措施加固拱架，待围岩稳定后实施换拱。具体步骤如下：

（1）喷射混凝土形成止浆墙。喷射15cm 厚C30混凝土，采用分段、分片、分层工序依次进行，先将超挖区域喷填平整，然后按照从下到上的顺序分层、往复喷射。

（2）自进式锚杆加固。布设自进式锚杆，长度6m，直径25mm，相邻锚杆间距1m，呈梅花型。自进式锚杆采用手风钻或小型地质钻机钻孔，利用钻机安装连接套与自进式锚杆连接，锚杆钻孔完成后与钻机脱离，砂浆采用砂浆搅拌机拌和，灌浆泵注浆。施工过程中可根据围岩松散层厚度适当增加锚杆长度。现场锚杆布设如图6所示。

图6 锚杆布置图

（3）固结灌浆。利用自进式锚杆进行固结灌浆，浆液采用化学灌浆。化学灌浆材料采用A 料、B 料及加固料组成。现场通过浆液试验、灌浆试验，确定最优的灌浆参数，包括布孔形式、孔深、孔序、间排距、灌浆压力、灌浆段长、注浆率等。施工时采用灌浆机进行灌浆，灌浆压力取1～3MPa，在设计压力下，当注入率不大于0.4L/min，继续灌注20min，或不大于1.0L/min，继续灌注30min。灌浆完成后首先关闭孔口闸阀，然后关闭注浆泵，等浆液终凝完毕，最后拆除孔口闸阀。

（4）拱架替换。固结灌浆施做完成，待围岩变形观测稳定后，加装竖向支撑，更换侵入开挖轮廓线的部分钢拱架。替换拱架原则为：1）影响TBM 正常通过的拱架，将影响部位拆除替换；2）拱架扭曲变形量较大，无法起到应有的支撑作用，拆除替换；3）侵占二次衬砌空间的拱架，在衬砌施工前进行替换。考虑施工安全，为防止拆除拱架时上方围岩发生坍塌，拱架替换时先在拱架变形部位两侧施做φ25 锁定锚杆，长度3.5m，每侧2 根，锚杆与拱架焊接牢固，然后割除变形拱架段，替换为合格拱架，替换拱架两段施做3.5m 长φ25 锁定锚杆锁定，拱架替换过程如图7所示。

图7 拱架替换流程图

拱架替换完成后，进行局部浇筑混凝土封闭岩面。底板采用封模浇筑混凝土的方法，拱架内侧焊接3mm钢板，将TBM 泵送管延伸至预留注浆口位置，浇筑C30 细石混凝土。

3.2 护盾上方围岩加固方案

护盾与刀盘上部围岩受断层破碎带影响，自稳能力差，已产生部分塌方，加固方案为：先采用Φ25自进式中空注浆锚杆，锚杆长度6m，锚杆布设范围为拱部240°，锚杆外倾角9°～15°，锚杆杆身按照25cm 间距布设溢浆孔，孔径6mm～8mm。锚杆施工完成后采用化学灌浆材料进行灌浆，注浆压力0.5～3Mpa，具体压力根据现场试验确定。采用YT-28 手持风枪钻进锚杆，钻进过程中持续喷水，并将钻孔内岩渣及时清理干净，防止卡钻。护盾上方超前灌浆示意图如图8所示。

图8 超前灌浆剖面图

3.3 TBM 掘进方案

待变形区与护盾上方围岩固结完成后开始TBM 掘进。受断层破碎带影响初期支护按Ⅴ类围岩进行支护，拱架采用HW150 型钢拱架，拱架间距为45cm，拱顶180°范围内铺设φ20 钢筋排，锚杆采用自进式锚杆，长度6m。采用应急喷混设备，超前喷射C30 混凝土，厚20cm，及时封闭围岩。每掘进50cm 立即按上述处理方案及时支护，开挖支护完成后及时超前注浆，固结围岩。

4 结论

本文以新疆某引水工程为研究背景，分析了TBM穿越断层破碎带时，拱架发生大变形的原因，并提出了拱架大变形的处置方案和TBM 穿越断层破碎带的施工措施，得到如下结论：

（1）TBM 穿越断层破碎带，因不良地质导致的塌方、卡机灾害，可先采用超前地质预报方法确定掌子面前方不良地质的规模，再制定相应的TBM 脱困和施工处置方案。

（2）隧洞拱架变形的处置方案可采用先喷射混凝土形成止浆墙，再采取加密自进式锚杆并固结灌浆等措施加固拱架，最后待围岩稳定后再实施换拱，该施工方案可为类似工程提供借鉴意义。