某深埋TBM隧道断层破碎带卡机原因分析及治理方案

路 强

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

0 引言

近年来随着西部大开发、南水北调等工程的兴建，越来越多TBM被用于深部工程施工，长、大、深以及复杂地质的特点越来越显著。TBM掘进过程中，不可避免遇到断层破碎带、富水区等不良地质，常发生TBM刀盘卡机事故，如云南掌鸠河引水工程施工过程中，发生多次刀盘卡机事故，致使施工成本大幅增加，严重影响施工效率。

刀盘卡机是制约TBM推广应用的主要影响因素之一，国内外许多学者针对刀盘卡机发生原因和机理进行了研究[1]。朱光轩[2]研究国内外98次TBM卡机事故，发现护盾卡机、刀盘卡机和涌水突泥卡机占比约77%，其中刀盘卡机占比最为突出，约35%，而导致刀盘卡机的主要原因是断层破碎带区域发生塌方，塌落碎石卡死刀盘[3-4]。针对断层破碎带导致的卡机，常采用辅助坑道法、爆破法、侧壁导坑法等[5-7]措施，同时，采用回填灌浆和固结灌浆，提高围岩完整性[8-9]。如杨杰[10]等采用人工开挖结合固结灌浆的手段帮助TBM脱困，保证了TBM顺利通过断层破碎带；徐虎城[8]提出了固结灌浆和化学注浆相结合的处理方法，缩短了TBM脱困时间；梁峰[11]综合采用超前地质预报和超前钻孔探测，明确断层产状和位置，提前采取措施，降低刀盘卡机风险。

目前针对断层破碎带TBM刀盘卡机治理研究多集中于固结灌浆等处理措施，尚未做到多手段综合治理，且多为被动脱困，延缓了施工效率。本文以某深埋TBM隧道为研究背景，综合分析TBM刀盘卡机原因，并提出“主动掌握，及时防控”的治理理念，采用超前地质预报和固结灌浆的方法帮助TBM顺利脱困，缩短工期。研究成果可为类似TBM穿越断层破碎带提供借鉴。

1 工程背景

某深埋隧洞全长20.4km，为独头掘进，隧洞最大埋深约720m，岩性主要为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩。采用敞开式TBM掘进，TBM刀盘厚度0.5m，开挖直径7m，脱困扭矩为1.07×107N·m。前期地质勘探表明，该TBM隧洞穿越f67～f71、f71-1共6条较大的次级断层，产状70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，断层走向与洞线方向夹角20°～60°，破碎带宽度10～30m，破碎带内以糜棱岩、碎裂岩及断层角砾岩为主，节理发育。此外，在TBM掘进过程中多次穿越小断层，宽度多见10～50cm，TBM刀盘和护盾发生多次卡顿，延缓掘进效率。根据地质勘探成果和已揭露断层区域地质特征，断层破碎带区域围岩类别主要为Ⅳ类和Ⅴ类，占比约21.3%，TBM穿越断层破碎带时，围岩多处出现线状流水。

2 卡机过程及原因

2.1 卡机过程分析

断层破碎带作为一种天然的地质构造，围岩较破碎、结构面较发育，破碎带内伴有胶结强度低、稳定性差的充填物，在TBM穿越该区域时，经常发生塌方、涌水等地质灾害，极易发生卡机事故。

下面介绍该隧洞掘进期间3次发生于断层破碎带的刀盘卡机事故：①2021年8月28日15：40，TBM掘进至桩号K231+279时，TBM刀盘出现卡机现象。该区域发育两条断层，断层f255产状为1°～10°NW∠40°～50°，与洞轴线夹角12°～21°，断层破碎带上盘影响带宽度3～6m，断层f270推测与断层f255相交，产状330°SW∠45°～50°，与洞轴线夹角19°，断层下盘(左侧)岩体较完整-完整性差，断层上盘(右侧)为影响带，两条断层影响带内岩石蚀变强烈，岩体较破碎，局部有线状流水。②2021年11月25日，TBM推进至桩号K231+614～655段时发生卡机事故。该区段揭露一条断层，断层与隧洞轴线夹角41°～49°，断层影响带约4～7m，断层充填主要为岩屑、糜棱岩和断层泥，局部有线状流水，该区域发育3组节理，分别为27°～32°SE∠56°～70°、330°SW∠47°和69°～87°NW∠63°～82°。三组节理与隧洞轴线夹角约9°～45°，隧洞围岩完整性差，整体潮湿，局部有线状流水，如图1—2所示。③2022年1月12日，TBM于桩号K232+198～226段发生刀盘卡机事故，现场地质踏勘表明，该区段揭露一条断层，断层与隧洞轴线夹角约32°，断层破碎带宽度约5～8m，局部有线状流水，该区域主要发育3组节理，3组节理与隧道夹角约11°～82°，如图3所示。

图1 f231+615小断层

图2 塌腔

图3 桩号K232+200～K232+280地质展布图

3次事故表明，TBM卡机事故发生段地质条件存在大量共性特征，即结构面和地下水发育，岩体较为破碎，此外，断层破碎带区域发育多组结构面，且断层与隧洞轴线呈小夹角，断层呈现大倾角。

2.2 卡机原因

2.2.1岩体条件

该段内地层主要为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩，3次刀盘卡机事故均因塌方导致刀盘卡机。充填物成分结果表明，断层破碎带成分主要由碎块石、泥、石粉、砂砾、黏粒，其中碎石和砂砾占比约78.3%，极大地弱化了围岩稳定性。TBM穿越断层破碎带时，刀盘附近揭露断层带，围岩性质突变，由硬岩进入松散软弱的断层破碎带，围岩强度瞬间下降，大量的碎岩和岩块进入刀盘，导致扭矩快速上升，同时，断层带岩土体软弱破碎、无自稳能力，对TBM产生较大的载荷作用，为刀盘卡机灾害的发生提供了地质基础。

2.2.2结构面特征

现场地质踏勘表明，断层破碎带区域结构面发育，且多为软弱结构面，伴有白色钙质充填，结构面充分交切，致使围岩较破碎，稳定性差。为进一步分析结构面带来的影响，采用结构面综合密度指标[12]，对3次刀盘卡机附近围岩结构面特征进行分析，该指标为单位面积内的岩体内包含所有结构面的长度之和，可用于衡量岩体完整性。表1为3次刀盘卡机前、后刀盘附近围岩结构面综合密度和结构面间距的平均值，由表可知，刀盘卡机后结构面密度显著高于卡机前的结构面密度，能够显著反应现场围岩的完整性。

表1 刀盘卡机前后结构面综合密度

2.2.3地下水特征

现场地质勘查表明，3次刀盘卡机区域的断层破碎带均位于河谷区域，汇水条件较好，地表水极易在断层中汇集渗流。且断层内地下水丰富，在地下水的浸润和润滑作用下，断层软弱充填介质易发生流动，增加了刀盘卡机风险。此外，由开挖揭露地层情况可知，隧洞开挖由隔水层进入含水层，同时构造裂隙发育，富水岩层具有胶结松散、岩体破碎、透水性强等特性，围岩强度低，稳定性较差，掘进施工具有高风险性。

综合分析可知，断层破碎带区域TBM刀盘卡机主要受岩体条件、结构面特征以及地下水影响。因此，如何保证TBM顺利通过断层破碎带，降低刀盘卡机风险，解决、减小上述因素影响是关键所在。

3 刀盘卡机治理方案及效果评价

3.1 断层破碎带刀盘卡机治理难点

断层破碎带岩体松散破碎，TBM掘进开挖扰动围岩体，形成一定范围的塌落拱，TBM刀盘受载加大卡机，刀盘卡机事故处理存在以下难点：

(1)断层带围岩塌落范围难以确定

明确断层带围岩的塌落范围，是确定注浆加固范围、设计注浆加固工艺的重中之重。断层带有多种破碎介质组成，且影响范围、节理密集程度无法提前预知，同时受TBM设备结构影响，无法在揭露时第一时间评估断层带影响范围，故而由此造成的塌落范围难以确定。

(2)注浆难度大

断层带围岩体极为破碎，且临近地层被扰动，注浆钻孔成孔困难，极易塌孔卡钻；断层带处于动水、突水突泥环境中，涌水量大，注浆浆液流失严重。断层破碎带渗透性与可注性差，注浆压力过小无法充分粘合围岩，注浆压力过大则有可能导致断层破碎带变形量增大，易发生二次坍塌及次生灾害。

(3)施工空间受限

TBM刀盘紧贴掌子面，断层破碎带注浆加固过程中，要防止浆液扩散到刀盘，导致刀盘与掌子面凝固在一起，浆液扩散范围需要严格控制，对注浆控制要求高。前期封闭围岩和钢拱架支护对注浆钻孔设计施工影响大，部分位置难以布孔、成孔；由于TBM机械结构的阻挡，施工作业空间狭小，实现不留盲区注浆难度大，具体如图4所示。

图4 施工作业空间受限

3.2 治理方案

为保证TBM顺利通过断层破碎带、刀盘顺利脱困，同时为降低后续塌方等二次灾害风险，选取合理的注浆范围并采用有效的加固措施是治理TBM刀盘卡机的关键所在。

为获取前方塌方范围，缩短TBM刀盘脱困时间，提出了“主动掌握，及时防控”的治理理念，采用超前地质预报和治理方案的综合防治方法。首先，应采用TSP超前地质预报对前方地质条件进行勘察，主动评估断层破碎带塌方范围，根据上述结果进一步准备注浆工作。其次，断层破碎带区域围岩条件较差，自稳能力不足，应及时对已揭露区域和塌方区域进行加固处理，采用榀距为0.5～0.9m的HW150型钢拱架和5～20cm排间距的钢筋排结合@200×200钢筋网片共同进行支护，拱架纵向连接筋采用间距1m的10#槽钢连接，同时为尽早封闭钢筋排及网片并形成保护壳，对拱架内弧面侧270°范围采用钢板进行封闭，并回填混凝土。最后，在塌方处布设监测断面进行收敛及顶拱沉降测量，并对量测数据及时分析评价，确保塌腔处理期间的施工安全及塌方临近段的施工安全。

采用化学浆液表层灌浆保护护盾及刀盘，采用水泥浆液深层固结灌浆锚固围岩能够有效保证围岩完整性，提高围岩强度。图5是某TBM隧道断层破碎带区域塌腔充填开挖前后最大主应力分布情况，如图5所示，充填前塌腔区域附近存在显著的应力集中特征，最大主应力达到69.8MPa，采用水泥砂浆充填后，塌腔区域附近应力集中程度显著下降，且集中范围减小，充填附近区域最大主应力仅为51.36MPa，下降了26.4%。结果表明水泥砂浆充填能够有效提高围岩完整性，降低围岩内部应力集中状态，进一步保证施工安全。

图5 断层破碎带区域塌腔充填前后最大主应力云图

3.3 典型案例及效果评价

3.3.1典型断层破碎带TBM刀盘卡机案例

2022年8月25日21：45，TBM掘进至桩号K233+703时，护盾末端桩号K233+698附近1～3点半方位护盾内围岩发生塌方，塌方体为碎块石夹岩屑、泥质，从一次支护钢筋排空隙间流出，并迅速堆积于钢筋排上，护盾内围岩塌方情况不可见。8月25日夜班TBM再次掘进2m(K233+705)时，TBM刀盘上部和下部出现大量渣体堆积，使TBM刀盘负荷过大而出现卡机现象。

如图6所示为该区段地质展布图。该段围岩为黑云母花岗岩，砖红色，块状结构，中硬岩。发育2条小断层，①f233+705小断层与隧道轴线呈小夹角，断层带内为碎裂岩、糜棱岩、断层泥，上下盘影响带宽约4～6mm。②f233+712断层与隧道轴线夹角约45°，断层带内为似全风化状花岗岩夹3～5mm厚断层泥，发育4组节理，走向与倾角分别为332°SW∠44°、86°NW∠61°、358°NE∠41°和300°SW∠80°，4组节理均与隧洞轴线成小夹角，约3°～38°，延伸长度约3～8m，并伴有钙质充填，局部有线状流水和涌水，如图7所示。

图6 桩号K233+705.5～726段地质展布图

图7 断层特征

为确定前方地质条件以及塌落范围，现场开展TSP超前地质预报工作，如图8所示，桩号K233+705～K233+750段推测围岩与掌子面基本一致，围岩较破碎，易发生掉块，局部易出现塌腔，并伴有滴渗水，局部甚至出现线状流水；桩号K233+750～K233+805段，推断围岩与上段相比有变好趋势，围岩完整性差。此外，x方向塌方范围集中于桩号K233+720～K233+735段，长度约10m，y方向集中于-7～7m，z方向主要集中于0～12m。

图8 超前地质预报结果

为使TBM快速脱困、确保硐室及施工安全，首先在护盾尾部采用榀距45cm的HW150型钢拱架进行支护(如图9(a)所示)，并对桩号K233+698.5～700段进行封闭和固结灌浆，对拱架内弧面侧270°范围采用间距20～40cm、直径φ16钢筋固定1mm厚钢板作为模板，对拱架间等空隙及塌腔内回填M25砂浆形成保护壳并确保回填密实，为防止固结松散体的水泥浆液流至护盾尾部，于护盾尾部11～3点钟方位梅花形布置4环注浆孔，采用排距0.5m、直径为φ32的中空注浆锚杆进行注浆，每环布置4～7根，水泥灌浆注浆压力控制在0.5～0.8MPa，如图9(b)所示。

图9 封闭和固结灌浆

其次，对左右两次和拱顶护盾及刀盘附近进行化学注浆。为保护护盾及刀盘，防止水泥浆液将护盾及刀盘与松散体固结在一起、快速固结护盾及刀盘周围松散体使TBM尽早脱困，在桩号K233+698.6和K231+699.3处与洞轴线夹角20°及30°斜向上从护盾盾尾至掌子面各设置两环注浆孔灌注化学浆液，要求注浆孔深度应超前于掌子面，为确保灌注效果，注浆孔交叉且呈阶梯型布置。注浆孔环向间距1.0m，通过中空注浆锚杆灌注化学浆液(组合聚醚多元醇(发泡型))形成保护壳保护刀盘，中空锚杆长度根据松散体范围确定，锚杆孔位视现场能够实施操作情况布置。

最后，在护盾尾部桩号K233+700处，采用φ32中空注浆锚杆灌注水泥浆液固结塌腔上部松散体，中空注浆锚杆头部尽量穿过松散体靠近岩面，从而保证固结效果；此外，对桩号K233+660～700段塌腔进行混凝土回填，提高围岩强度，避免二次灾害发生。

待围岩收敛稳定后，TBM开始掘进，并重复上述工作内容，直至掌子面超过桩号K233+735，刀盘顺利通过断层破碎带范围。

3.3.2治理效果评价

为进一步评价断层破碎带区域围岩稳定性，在塌方处(桩号K233+698)布置监测断面进行收敛及顶拱沉降测量，如图10所示。该监测断面的钢拱架下沉监测结果如图11所示，由图可知，在8月28日—9月5日期间钢拱架沉降累计值快速上升，这表明该段时间范围内围岩尚未实现稳定，其自身承载能力依旧较差，9月5日后，沉降累计值逐步趋于平缓，这表明注浆效果逐步显现，围岩承载能力逐渐加强，9月8日后，沉降累计值几乎再无显著变化，这表明钢拱架不再下沉，围岩已稳定，且不再渗水，注浆加固效果完全满足现场施工要求，已经符合TBM再次掘进的要求，后续持续测量也表明围岩处于长期稳定，发生二次塌方的可能性极小。9月11日，TBM开始掘进，顺利通过断层破碎带(桩号K233+730)，期间并未发生卡机等现象，TBM顺利脱困。TBM从刀盘卡机到顺利脱困，历时14天，显著缩短了施工工期，降低了经济损失。

图10 桩号K233+698监测断面

图11 钢拱架下沉监测结果

4 结论

本文以某深埋TBM隧洞为研究背景，针对TBM穿越断层破碎带刀盘卡机事故，分析了刀盘卡机原因，提出了TBM穿越断层破碎带刀盘卡机治理理念和治理措施，并取得了以下结论：

(1)分析了TBM穿越断层破碎带刀盘卡机原因。分析认为刀盘卡机主要受岩体条件、结构面特征以及地下水影响，三者共同作用下，导致围岩岩体松散，涌入刀盘，最终引发卡机事故；

(2)针对TBM刀盘卡机事故，提出了超前地质预报和治理方案相结合的治理理念。应首先采用超前地质预报主动获取掌子面及前方地质条件，以及塌腔范围，然后采用针对性的固结灌浆措施提高围岩承载能力，为TBM顺利脱困提供了保障。此外，将该方法用于现场TBM刀盘卡机处理，并设立监测断面，对钢拱架进行收敛及顶拱沉降测量，结果表明，该方法能够在较短时间内实现围岩稳定，提高围岩承载能力，保证TBM短时间内顺利通过断层破碎带区域；

(3)本文提出的治理方法能够有效提高围岩承载能力，缩短TBM脱困时间，降低了经济损失。