敞開式TBM穿越富水砂化斷層破碎帶施工技術研究

胡新朋，王振飛，王亞鋒

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001）

1 概述

因斷層的復雜構造成因，使其具有極為多樣的賦存條件，其地質特性和水文特征決定了在隧道工程建設時能否誘發突泥涌水、變形、坍塌等事故［1-2］。尤其富水斷層破碎帶巖體裂隙發育，介質松散破碎，膠結性差，具有豐富的水源補給，特別是在動水條件下極易引發突泥涌水事故，嚴重影響工程建設的安全與質量［3-4］。

全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）在富水砂化斷層破碎帶不良地質段掘進時，適應性差，極易出現以下事故：掌子面突泥涌水、刀盤無法轉動、出現卡機事故、盾體抱死、脫困處理困難等［5-6］。另外，護盾及刀盤上方塌腔的發生引起地質應力分布變化，致使部分鋼拱架及鋼筋排因圍巖收斂發生嚴重變形，護盾頂部壓力已達到設備極限值，支護變形將進一步減少人工作業空間，限制卡機處理設備的使用，增加處理難度；斷層破碎帶大多富水，水和渣體、破碎巖塊從掌子面和護盾外側不斷涌入洞內，威脅施工人員和設備安全，容易造成隧洞塌方等事故，影響施工安全和工期。

以大瑞鐵路高黎貢山隧道出口段施工為例開展施工技術研究。高黎貢山隧道出口段主要采用TBM+鉆爆法聯合施工，正洞、平導TBM段分別采用開挖直徑9.03、6.39 m（變更后）的敞開式TBM掘進施工，其中正洞TBM掘進長度12 546 m、平導10 623 m。出口施工段主要地層巖性為燕山期花崗巖、中泥盆系回賢組白云巖、斷層角礫、物探Ⅴ級異常帶、志留系中上統灰巖、白云巖夾石英砂巖［7］?；◢弾r地段石英含量35%～60%，巖體單軸飽和抗壓強度4.6～65.2 MPa。主要發育廣林坡斷層、老董坡斷層、塘房斷層、傈粟田斷層等4條斷層和2段蝕變巖帶。預測軟巖大變形段落總長410 m，輕微巖爆段落180 m。TBM掘進段地下水以基巖裂隙水為主，出口段預測最大涌水量約1 887 m3/h。隧道地質縱斷面見圖1。

圖1 高黎貢山隧道地質縱斷面圖

2 施工數據分析

2.1 卡機/停機情況分析

高黎貢山隧道出口TBM段受深大活動斷裂及多期巖漿侵入蝕變等影響，巖體遭受多重地質構造破壞，陡傾節理、裂隙發育，巖體破碎，區內降雨量大，地下水下滲深度大，隧道洞身節理密集破碎風化帶發育，其分布不規律、不連續，圍巖變化頻繁。節理密集破碎帶巖體呈強風化碎塊狀、碎石、角礫狀或全風化砂礫狀，部分風化蝕變成黏土，圍巖穩定性差，遇水易掉塊或垮塌，呈松散碎塊狀堆積體或礫砂質渾濁泥石流狀，易造成掉塊坍塌、失穩溜坍等情況。

受制于極端復雜不良地質條件影響，截至2019年7月，2臺TBM掘進累計發生卡機/停機多達17次，其中正洞6次、平導11次。TBM卡機/停機主要由于圍巖整體破碎、糜棱化嚴重，遇水呈流塑狀大量流出，致使TBM無法掘進，后跟隨巖塊掉落，“抱死”刀盤、盾殼、壓停皮帶機，給施工人員和設備帶來安全隱患，增加工程成本和工期不確定性［8］。正洞和平導TBM卡機/停機情況統計見表1、表2。

針對正洞和平導TBM卡機/停機的原因進行統計分析，不良地質段造成TBM卡機/停機主要包括：掌子面垮塌刀盤被卡、掌子面垮塌/突涌扭矩超限無法掘進、掌子面垮塌/突涌出渣量過大壓停皮帶機、盾體被“抱死”無法掘進、拱頂持續垮塌停機處理等。經常是多種因素共同作用造成TBM卡機/停機，但歸集為一點即富水砂化斷層破碎帶不良地質的特性致使TBM掘進通過時不得不做好設備被卡或停機處理的施工準備。

表1 正洞TBM卡機/停機情況統計

表2 平導TBM卡機/停機情況統計

通過歸納法對上述不良地質長度數據進行分析研究，以正洞TBM前5次卡機/停機、平導TBM前10次卡機/停機相對應的不良地質長度數據為樣本，其數據的離散情況見圖2，選取該2組數據中的有效數據求均值，結果見圖3。

正洞TBM直徑φ正=9.03 m，掘進通過富水砂化斷層破碎帶TBM卡機/停機的平均長度L正=42.00 m；同理，平導TBM直徑φ平=6.39 m，掘進通過富水砂化斷層破碎帶TBM卡機/停機的平均長度L平=29.89 m。二者數值關系見表3。

圖2 TBM卡機/停機處理不良地質長度數據離散圖

通過數學歸納及表3數據整理可得，L≈（4.6～4.7）φ，即掌子面前方不良地質（富水砂化斷層破碎帶）長度是TBM直徑的4.6～4.7倍時，極有可能造成TBM卡機/停機；另外，正洞和平導TBM均有1處不良地質段非正常長度造成TBM卡機/停機，即說明極其不良地質造成TBM卡機/停機的風險需具體分析和研究。

2.2 卡機情況下的施工參數分析

根據現場施工數據（見表4）進行分析總結，出現以下情況時卡機概率增大：

圖3 TBM卡機/停機處理不良地質長度均值

表3 TBM直徑與不良地質段長度數值關系

（1）高黎貢山隧道強～全風化花崗巖、節理裂隙發育地層，正洞TBM推力低于8 000 kN，平導TBM推力低于5 000 kN；說明圍巖強度極低，若地下水發育、圍巖整體性差，則極易出現溜坍卡機。

（2）高黎貢山隧道強～全花崗巖、掌子面圍巖巖體破碎、易掉塊垮塌、完整性差、穩定性差時，正洞TBM扭矩＞9 000 kN·m、平導TBM扭矩＞3 500 kN·m時，卡刀盤概率較大。

（3）高黎貢山隧道花崗巖地層圍巖節理裂隙發育、巖體破碎、易掉塊，坍塌時頂護盾壓強為：正洞＞18 MPa、平導＞15 MPa，如不能穩定且持續上漲，卡護盾概率較大。

表4 掘進參數與卡機關系

2.3 TBM卡機/停機預警模型

基于以上數據和分析研究，提出1種該不良地質條件下TBM施工通過時出現卡機/停機的預警模型。

約束條件：頂護盾壓力極值F1、支護結構受力變形極值F2、TBM最大推力F3、刀盤扭矩TC、圍巖應力分布FN。

預警模型：

式中：FN為TBM穿越富水砂化斷層破碎帶所受水土壓力，與γsHS成正比，kN；L為盾體長度，m；fk為TBM盾體與圍巖平均摩阻力，kN/m2；k'為側向水土壓力系數；D為刀盤開挖直徑，m；γs為土體重度，kN/m3；HS為覆土厚度，m；F*為后配套拉力，kN；k為刀盤驅動扭矩計算常數；N為滾刀刀刃數量；FR為每把滾刀的扭矩，kN·m；F額為每把滾刀的額定扭矩，kN·m。

由模型分析可得：

（1）F1≥FN，可保證護盾不被破碎圍巖壓垮變形，保證盾尾施工安全，鋼筋排和鋼拱架正常安裝；

（2）F2≥FN，可保證初支結構穩定，不會因初支變形或超限、垮塌導致停機處理；

（3）F3≥πRLfk+k'πD2γsHS/4+F*，可保證TBM最大推力滿足克服刀盤前方側向水土壓力、盾體與圍巖的摩阻力和后配套拉力的需求，確保盾體不被“抱死”；

（4）Tc≥kNFRD∩FR≤F額，既可保證刀盤驅動扭矩能夠克服掌子面垮塌擠壓阻力，刀盤不被卡；又可保證每把刀具的扭矩處在額定扭矩范圍內，不會因單把刀具損壞導致停機處理。

該模型對TBM通過富水砂化斷層破碎帶施工具有一定指導意義，可結合工程地質勘察設計資料和主機參數等數據進行數學驗算，研判掌子面前方地質對TBM施工的影響程度，并以此超前謀劃施工方案和準備應急物資，降低卡機/停機發生的概率。

3 TBM通過富水砂化斷層破碎帶的應對措施

3.1 超前地質預報

提前做好超前地質預報探測，多種預報措施并舉、長短結合（見圖4），以確定不良地質段邊緣、長度、風化破碎程度及富水情況等，并根據超前預報結果，提前調整加固措施和儲備洞內應急物資，指導后續施工［8］。

圖4 超前地質預報

3.2 應對措施

3.2.1 化學灌漿

化學灌漿是利用注漿泵壓力將化學灌漿材料灌注到巖體裂隙中，改良小體積斷層破碎帶，提高自身黏聚力，達到使松散或破碎圍巖固結成整體的效果，為安全支護贏取有利時間和空間，最終使TBM順利通過不良地質段。結合某段相關地層TBM施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質情況。尾盾脫離后實際揭露圍巖以花崗巖為主，粗粒狀，整體破碎，自穩性差，圍巖強度較低（手捏可碎），遇水軟化蝕變。刀盤前方及上方發生大面積垮塌，盾尾及刀盤上方、前方可見處為松散破碎巖渣，預估松散體厚度3～5 m，揭露圍巖富水、散水成線狀或滴狀遍布已揭露圍巖。掘進過程中掌子面拱部垮塌渣體涌入刀盤，出渣量大，致使皮帶頻繁壓死，導致掘進困難。

（2）處置措施。TBM受困主要為刀盤區域圍巖垮塌形成空腔且拱部巖體自穩能力差，掘進過程持續垮塌出渣量大皮帶易壓死，導致掘進困難，此次脫困以刀盤周邊渣體清理、圍巖超前加固、空腔回填為主，采取措施如下：①向刀盤上方打設灌漿管對空腔灌注混凝土回填；②對刀盤內部及周邊渣體進行清理；③自盾尾或刀盤內打設注漿管對刀盤周邊及前方圍巖進行化學灌漿加固；④揭露圍巖滿鋪鋼筋排、加密鋼拱架、增加拱架之間連接工字鋼、撐靴部位模筑混凝土及其他部位應急噴漿封閉、破碎段圍巖徑向注漿加固等措施加強支護。注漿管布置示意見圖5，圍巖加固效果見圖6。

圖5 注漿管布置示意圖

（3）應用情況。化學灌漿在高黎貢山隧道平導應用11次、正洞應用5次?；瘜W灌漿主要在圍巖破碎節理裂隙自穩性差、巖體砂化富水泥化易掉塊、坍塌、溜塌地層刀盤盾體區域加固圍巖時使用，通過化學灌漿主要固結刀盤拱部松散破碎圍巖，對線狀、小股狀

圖6 圍巖化學灌漿加固效果

出水進行封堵，防止地下水進入刀盤內軟化松散破碎圍巖，達到改善圍巖穩定性的目的。

3.2.2 循環管棚

管棚支護剛度較大，施工時如發生塌方，管棚起到臨時支撐坍方體的作用。管棚不僅是TBM受阻處理的一種手段，也是對已探測破碎圍巖預加固的處理手段，可有效降低TBM卡機風險。結合現場某段相關施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質情況。盾尾揭露圍巖為似斑狀花崗巖，巖體風化程度高，右側大面積呈碎屑、碎石狀，圍巖松散破碎，穩定性差，節理裂隙發育，地下水發育，以淋水為主，局部股狀出水。掌子面出現局部坍塌現象，右側整體呈碎屑狀，夾雜塊石，刀盤及盾殼處局部塌腔。掘進過程中掌子面持續垮塌，出渣量大，皮帶易壓死，掘進困難。

（2）處理措施。TBM掘進受阻主要由于掌子面圍巖風化程度高、自穩能力差，掘進過程中持續垮渣，出渣量大致使刀盤扭矩大，導致掘進困難，因此不良地質以超前管棚加固為主。采取措施如下：①暫停掘進，施作超前鉆孔對前方地質詳細探測；②自盾尾或刀盤內打設管棚及注漿管灌注化學漿液，對拱部刀盤周邊松散破碎圍巖加固及掌子面前方圍巖預加固；③護盾上空腔處初噴混凝土封閉及灌噴混凝土回填；④掘進過程中按照超前支護方式分段加固、分段掘進。循環管棚加固示意見圖7，注漿加固及撐靴模筑見圖8。

（3）應用情況。循環管棚在高黎貢山隧道平導應用5次、正洞應用3次。循環管棚主要在圍巖破碎節理裂隙自穩性差、巖體砂化富水泥化易掉塊、坍塌、溜塌范圍較長的地層使用，通過超前管棚及注漿對刀盤前方拱部松散破碎圍巖進行棚護及加固，增強圍巖穩定性，達到改善圍巖整體性、自穩性，保證TBM正常掘進。

圖7 循環管棚加固示意圖

圖8 注漿加固及撐靴模筑

3.2.3 導洞開挖

當斷層破碎帶較大、采用注漿加固及管棚施工無法完成TBM脫困時，根據現場實際情況，采取在護盾頂部人工開挖小導洞，在靠近刀盤時向兩邊擴挖，對刀盤上方、前盾頂部的積渣進行清理，減少刀盤轉動阻力至扭矩回復正常。同時利用導洞，施作超前管棚對前方不良地質圍巖進行超前加固，完成后TBM掘進通過。結合現場某段相關地層施工受阻處置情況對該法進行說明。

（1）地質情況。揭露圍巖均為粉細砂，所有刀孔均為細沙狀顆粒物，掘進過程中不能自穩，持續垮塌，該段盾尾揭露圍巖為花崗巖，弱～強風化，拱部及右邊墻局部破碎掉塊，地下水不發育。受不良地質圍巖擠壓，致使護盾被“抱死”。進行脫困處理過程中地質情況惡化，小導洞拱頂位置突然出現小股狀出水，掌子面強風化粉砂狀巖體遇水軟化，呈流沙狀不斷涌出。

（2）采取措施。TBM受困主要是不良地質圍巖收斂TBM盾體“抱死”，進行脫困過程中地質惡化導致刀盤卡死，因此以TBM盾體、刀盤脫困及前方不良地質加固為主。采取措施如下：①在盾尾下部打設超前探孔進行地質探測（兼做泄水孔），平導至正洞打設泄水孔；②在盾尾、刀盤內對護盾區域圍巖加固；③自盾尾開挖小導洞并進行環向擴挖形成管棚工作室；④在管棚工作室內設置管棚導向墻進行超前管棚及超前注漿施工；⑤對刀盤上方和護盾周邊積渣進行清理，完成設備脫困；⑥導洞揭露護盾后回填混凝土、砂漿、注漿回填密實；⑦撐靴部位模筑混凝土，導洞及破碎段滿鋪鋼筋排并噴漿封閉，拱架縱向型鋼連接，破碎段徑向注漿加固并施作泄水孔。小導洞及管棚工作室開挖見圖9，管棚及管棚導向墻施工見圖10。

圖9 小導洞及管棚工作室開挖

圖10 管棚及管棚導向墻施工

（3）應用情況。導洞開挖在高黎貢山隧道平導應用4次、正洞應用3次。導洞開挖主要在圍巖整體破碎垮塌且長段落不良地質或已發生卡機時使用，通過在護盾上方施作小導洞并進行擴挖，在小導洞內施作超前管棚對前方不良地質進行超前支護及注漿加固，同時對刀盤周邊、盾體區域積渣進行清理，減小刀盤轉動阻力及護盾摩擦力，達到TBM脫困及長距離管棚注漿加固改善圍巖使TBM安全快速通過的目的。

3.2.4 迂回導坑

在TBM施工過程中遭遇大規模、長距離、富水斷層破碎帶，常規（管棚+導洞）措施無法有效進行處理，采用迂回導坑繞行至不良地質前方鉆爆法完成不良地質段開挖，TBM步進通過，降低施工風險。結合現場某段相關施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質情況。盾尾揭露圍巖為塊狀花崗巖，巖體風化程度高，呈粉砂狀，穩定性差，圍巖沉降形成錯臺造成TBM護盾“抱死”，地下水發育。掌子面圍巖強～全風化，遇水泥化發生溜塌，同時隧道周邊巖體泥化、高壓富水造成超前預加固鉆孔困難，同時出現突泥涌水造成局部段隧道坍塌掩埋。

（2）處理措施。TBM卡機主要由于巖體風化程度高、遇水泥化造成鉆孔困難無法施作管棚，同時隧道周邊高壓富水TBM掘進通過安全風險大，無法采用常規就地超前加固TBM掘進的方式處理，因此不良地質采用迂回鉆爆法處理TBM步進通過方式。采取的主要措施如下：①在TBM設備尾部平導右側平行于平導開設1條小斷面導坑；②采用“先探后挖”的原則將導坑開挖至不良地質前方，開設橫通道迂回至平導隧道內；③進入平導后采用“先探后挖、先加固后開挖”的原則完成不良地質段開挖；④TBM完成脫困，步進通過不良地質段。迂回導坑施工示意見圖11。

圖11 迂回導坑施工示意圖

（3）應用情況。迂回導坑在高黎貢山隧道應用1次。迂回導坑主要在大規模斷層破碎帶或常規超前管棚、注漿加固措施無法實施時使用。TBM掘進無法通過或通過風險性較高的地段，從主洞內迂回導坑至斷層處，采用鉆爆法提前完成斷層開挖，達到降低施工風險、保證TBM安全順利通過斷層的目的。

3.3 監控量測

加強支護完成后，及時布設量測點，隧道內每5 m布設1個監測斷面（存在不利組合結構和軟弱夾層部位或結構面抗剪強度較低部位加密設置監測斷面），每個監測斷面包括1個拱頂下沉測點和2個拱腰水平收斂測點（見圖12）。

施工現場監控量測實行預警管理。預警控制值：黃色預警（5 mm/d＜變形速率＜10 mm/d或累計值達到75～150 mm時）；紅色預警（10 mm/d＜連續2 d變形速率＜15 mm/d或速率＞15 mm/d或累計值＞150 mm）。管理等級及對應措施見表5。

圖12 拱頂下沉和水平收斂測點布置示意圖

表5 管理等級及對應措施

4 結束語

高黎貢山隧道TBM掘進施工多次通過富水砂化斷層破碎帶不良地層，通過分析TBM在該種地質條件下卡機/停機時的狀況和施工數據，總結出TBM穿越該種地層時可能卡機/停機的施工標準，建立TBM穿越富水砂化斷層破碎帶時出現卡機/停機的預警模型，并給出相應通過措施。敞開式TBM在通過富水砂化斷層取得了一定施工經驗，但還有很多方面值得去探索。例如：化學灌漿材料對環境的歷久影響是否滿足工程建設環水保要求；新型拱架的研究，使其能夠一次滿足支護強度要求；刀具新型材料的研究，以便大幅提升TBM刀具的使用性能，提高經濟效益。