雙護盾TBM穿越斷層破碎帶地鐵隧道施工技術

陳雷

（中鐵隧道集團二處有限公司 河北燕郊 065200）

0 引言

由于在城市中建筑物較為密集的地段修建地鐵，近些年來，全斷面隧道硬巖掘進機（TBM）在城市地鐵中越來展現出其先進性，尤其是雙護盾TBM，在地鐵隨帶施工中實現掘進、管片拼裝和出渣流水作業一次成型，使隧道施工達到高質量、高標準和保安全的施工目的，其設備結構形式和施工特點受到施工單位的青睞。根據青島地鐵2號線隧道斷層破碎帶和設備特性等因素，對TBM工法在青島地鐵穿越斷層破碎帶施工中的應用進行研究總結。

1 工程概況

青島地鐵是國內首次將雙護盾TBM運用至城市硬巖隧道地鐵施工，青島地鐵2號線一標03工區泰山路站～芝泉路站區間隧道共穿越大小斷層破碎帶5條，一般斷層寬度1.5～8m，工程區段巖體中壓扭性斷層較為發育，其中長度最長斷層破碎帶段落長度23.5m（里程：ZSK26+388～ZSK26+411），掘進時盾殼背后形成的塌腔尺寸最大處約為2.7m×2.8m×0.8m（里程ZSK26+382）。區間隧道破碎帶段落上方多為商鋪及居民住宅區，建筑物密集，施工難度極高。

區間隧道采用雙護盾TBM施工，結構裝配式鋼筋混凝土管片，管片內、外直徑分別為5.4m和6.0m，管片厚度300mm。

2 施工難點

2.1 盾體姿態變化大，掘進軸線難以控制

雙護盾TBM在斷層破碎帶段落掘進施工中，因斷層破碎帶充填物為砂土狀、塊狀碎裂巖，且線路法線與斷層破碎帶走向在同一平面內存在一定角度差，刀盤切削土體時受力不均，巖體破碎側切削速度較堅硬側快，盾體發生扭轉偏移。同時由于巖體破碎，極易造成盾體“栽頭”。相對于線路設計軸線，TBM在斷層破碎帶區間隧道掘進時易形成“S型”或“螺旋型”線路，掘進軸線難以控制。

2.2 刀盤前方和拱部土體坍塌，造成卡盾

由于斷層破碎帶巖體本身節理較為發育，TBM掘進施工時因擠壓及震動作用破壞了塊狀巖體間原有受力平衡，同時加大巖體破碎程度，容易造成刀盤前方及拱部土體大面積坍塌，嚴重時可能造成刀盤被卡的被動局面。

2.3 破碎巖體及空洞無法為TBM提供掘進反力

雙護盾TBM支撐盾上設置有撐靴，掘進施工時撐靴伸出頂住兩側巖壁為掘進提供反力，主推油缸頂推刀盤向前掘進。空洞及破碎巖體導致撐靴伸開時巖體不能夠提供足夠支撐力，撐靴無法為TBM掘進提供支撐反力，同時加大了盾體扭動偏移，導致掘進工作無法正常進行，加大了施工難度，延長了施工工期，增加了成本投入。

2.4 地面沉降或坍塌造成建構筑物開裂

TBM掘進施工對土體擾動增加，土體大量塌陷，刀盤前方及拱部形成巨大空洞，盾體周圍土體失去支撐力。土體自重及地面建構筑物附重加劇了地面沉降及坍塌的概率，大范圍的地層土體的擾動變形使地面建構筑物發生開裂甚至倒塌，具有較大的安全風險。

2.5 管片發生位移、破損，止水效果降低，隧道成型質量差

在破碎帶區間隧道施工時，TBM姿態呈不規則趨勢變化，盾尾姿態發生突變時，盾殼的瞬移引起相鄰多環管片發生位移。管片位移導致管片環、縱向錯臺增大，管片拼裝偏離設計軸線，嚴重時將導致管片大面積破損。不僅影響隧道成型質量，同時也降低了管片止水效果。

3 技術措施

3.1 超前地質預報及注漿

雙護盾TBM施工時，通過配備的超前鉆機對前方掌子面巖層鉆孔取芯，對鉆取的巖體進行研究分析，并與詳勘資料進行比對論證。

當掌子面接近破碎帶時要提前對破碎帶段落進行洞內超前注漿加固。為防止地表沉降、塌陷造成建構筑物開裂及倒塌，需采取地下超前注漿及地表注漿相結合的方式進行超前加固。注漿時地表打設的注漿孔間距2m，呈梅花形布置，注漿材料為1：1水泥漿，注漿壓力1～3MPa。

3.2 掘進姿態預偏量設置

為避免TBM掘進時的大幅度糾偏，在進入破碎帶段落掘進施工前50m，進行TBM姿態預偏量調整，調整原則以滿足設計軸線偏差要求（垂直±50mm，水平±20mm）為主，嚴禁大幅度糾偏。超前地質預報及補勘時明確隧道輪廓與破碎帶位置關系，同等油缸壓力條件下圍巖較破碎一側速度較快，姿態預偏調整時則向反方向側調整，通過增減相應位置主推油缸的壓力進行調整。

3.3 施工參數設定

3.3.1 TBM掘進參數選擇

破碎帶段落施工時遵循“低推力、低扭矩、低轉速”原則。經過現場實際施工經驗可知，掘進參數選擇如表1所示。

表1 掘進參數

進入破碎帶掘進施工前10m即停機檢修，嚴禁TBM“帶病”作業。進入破碎帶掘進前5m進行掘進參數的調整，推進時速度應控制在2～4cm/min，推力＜3000kN，以此減小TBM掘進推力對地層的擾動影響，減小土體坍塌的可能性。

3.3.2 嚴格控制TBM糾偏量

為避免掘進過程中盾體姿態的突變而短距離內無法大幅度糾偏的情況，可采取“短行程、多循環”的掘進換步方式，即每掘進30～50cm即進行換步糾偏。“短行程、多循環”的掘進換步方式也避免伸縮盾伸開后因長時間未閉合渣土掉落至在伸縮盾內堆積導致無法換步的情況發生。

3.4 豆粒石及水泥漿填充密實

管片背后豆粒石及水泥漿的填充固結對減少地層變形和維持管片穩定起著重要的作用。破碎帶段落易出現土體坍塌，單環管片掘進完成后可對出渣量進行估量計算，通過出渣量的多少可對水泥漿及豆粒石填充量進行調整。

根據現場試驗可知，最佳水泥漿配合比為水：水泥=1：1，注漿壓力為0.3～0.5MPa。為防止單液漿流入刀盤，每三環管片制作一道止漿環，止漿環材料為水泥+水玻璃雙液漿，最佳配合比為水：水泥：水玻璃=1：1：1，水玻璃使用時用水稀釋成35Be′，注漿壓力為0.3～0.5MPa。

管片拼裝完成后應對管片背后空洞進行檢測并及時對空洞進行二次補注漿。

3.5 TBM測量與姿態控制

在破碎帶段落掘進時，應適當提高隧道測量的頻率，因破碎帶段落管片易發生位移、變形，每推進5環即進行一次導線點復測。

TBM掘進施工時會導致管片產生振動，根據現場實際施工經驗可知，每掘進五環管片因振動導致的水平及垂直偏差最大為3cm。為解決此類問題可采用配備有減震裝置的測量吊籃進行全站儀的固定，減小了振動帶來測量的誤差。

3.6 監控量測及信息反饋

在破碎帶段落施工時加大人工監測頻率，在TBM后配套通過后對隧道管片姿態隨時跟蹤監測，把信息及時反映給TBM操作人員，以便根據管片變形程度調整掘進參數。

4 施工效果

本工程雙護盾TBM施工的穿越的破碎帶區間隧道，在國內城市硬巖地鐵施工中尚屬首例，破碎帶區間隧道對設備的適應性和施工技術管理水平提出了嚴苛的考驗，在采取了本文所述的措施后，整條隧道軸線均控制在-50～50mm范圍之內，TBM施工成型隧道符合驗收標準，平均錯臺控制在1cm以內，管片破損和漏水部分較少，地表沉降控制在-15～0mm范圍之內，地面建（構）筑物未出現開裂、坍塌的情況，各項指標達到優良工程標準，很好的完成了這一重難點的施工任務。