TBM穿越超長距離斷層破碎帶施工技術研究

陽爭榮，甘宇程，王松茂，金永就，鄭國萍

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511340）

0 引言

開敞式TBM在我國山嶺隧道施工中應用較多，然而在含有灰巖巖溶地層的長大隧洞中應用較少[1]，在相類似水利工程隧洞的方案選擇時，不少學者也針對各個項目特點對TBM 與鉆爆法施工進行過分析[2～5]。根據前期地勘資料及少開支洞對工期及造價的影響，本工程采取開敞式TBM施工。當開敞式TBM 掘進到破碎帶時，容易出現圍巖失穩、掉塊，甚至有較大范圍的坍塌，也容易引起刀盤被淹埋、旋轉困難和卡機等問題[6～9]。根據以往國內案例，穿越斷層破碎洞段處理方法研究較為單一，有的通過短暫的處理即安全通過，有的被迫停機處理長達數月，有的甚至帶來滅頂之災，影響工期數年，最終更改設計路線或改為鉆爆施工方式才能完成。本文根據工程實例，對TBM設備進行改良和對TBM施工技術進行改進，結合其他施工技術，保證TBM設備安全、快速地通過超長距離斷層破碎洞段，提升了TBM在相似地層中的施工能力。

1 工程概況

廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區北干一標段窯瓦～六浪隧洞TBM施工段，采用一臺全新美國羅賓斯公司生產的開敞式Φ5970 隧洞掘進機掘進施工。2018年7月2日，TBM隧洞掘進至掌子面（樁號B17+827.6），樁號B17+841.6～B17+836.8 段掘進方向右側側墻出現一條較大的溶蝕節理裂隙，長約5.2 m，寬約0.2～2.4 m，充填大量黃泥。繼續往前掘進，根據地層揭露情況，該地層為斷層破碎帶，圍巖以土層為主，側墻土體松軟，其中夾有塊石，整體自穩性非常差，掘進過程中出現了頂拱土石坍塌、仰拱軟基、側墻土石坍塌、局部地層滲水等地質問題。同時，開挖料為土料對開挖支護造成極大影響，造成了頂拱變形、刀盤結泥餅、皮帶機轉接口堵塞、皮帶頻繁被劃破等現象，嚴重影響施工安全和施工進度。

2 施工難點

2.1 不可預見性

設計提供的地勘資料顯示該段地層為Ⅲ類圍巖，灰巖、泥質灰巖夾薄層鈣質泥巖、硅質巖、微風化，未顯示該段有大的不良地質體[10]。待揭露圍巖表明該段地層屬于斷層破碎帶時，TBM設備盾體已經進入了該段地層。

2.2 長度較長

該段超長斷層破碎帶長度約為103.166 m，大大超過了掘進過程中設計多次預估的長度，甚至遠遠超過了本標段TBM 隧洞已探明的最復雜最難掘進的F5斷層的長度（約30 m左右）。

2.3 頂拱土石坍塌

由于穿越地層隧洞圍巖非常破碎，露出盾尾后，頂拱的土夾石就出現坍塌現象（見圖1），安全防護措施無法做到萬無一失，對施工人員的安全造成較大威脅。

圖1 盾尾頂拱土石坍塌

2.4 側墻土石坍塌

由于該段超長距離斷層破碎帶整體為破碎的土夾石地層、土層等，掘進過程盾尾側墻伴隨崩塌。塌方體落在空間狹窄的隧洞底部（見圖2），需人工及時進行清理，對掘進施工效率造成極大影響。

圖2 側墻土石坍塌

2.5 仰拱軟基，嚴重威脅內燃機車行駛和整個隧洞安全

由于TBM 設備掘進過程中刀盤需要在掌子面進行霧狀噴水作業，同時，部分洞段側墻及頂拱兩側存在少量滲水現象，造成仰拱表層土體在處于TBM盾體內時已經被水浸泡。待圍巖露出盾尾后，仰拱承載力已經無法滿足支立拱架要求，容易出現拱架下沉現象，如不處理將造成拱頂破碎土石壓力整體壓沉拱架，進而拉垮隧洞，整體隧洞安全時刻面臨挑戰。

2.6 側墻空腔和土體松軟無法提供TBM推進足夠的反力

側墻土體較松軟，掘進過程中側墻坍塌形成空腔，無法提供撐靴足夠的反作用力，不采取有效措施根本無法保證TBM 設備前進。特別是應對撐靴支撐軟弱圍巖塌腔不良的地質條件，處理不當時，可能造成人員傷害及設備傷害（如撐靴掉落）等，從而影響TBM的施工進度[11]。

2.7 夾雜塊石堵塞皮帶轉接口

TBM在斷層破碎帶開挖過程中，開挖料夾雜有大量不規則塊石，頻繁出現渣料堵塞皮帶機轉接口現象（見圖3），夾雜的塊石因懸空架落在轉接口數次割裂皮帶，造成意外停機，修補皮帶耗費了大量時間，極大地影響了TBM的掘進效率。

圖3 夾雜塊石堵塞皮帶轉接口

2.8 頂拱變形

由于頂拱堆積的土夾石壓力大，圍巖未露出盾尾前，已經將TBM頂護盾壓縮至護盾能收縮的最小位置，造成拱架頂部安裝位置比原設計低15～20 cm（見圖4）。為解決此問題，采用了增加多臺千斤頂，加上護盾自帶油缸液壓千斤頂頂升，仍然無法將頂護盾頂回原位。

圖4 盾尾頂拱變形

2.9 頂拱滲水

2018年11月8日，TBM盾尾掘進方向右側12～15點位置出現滲漏水情況，盾尾至撐靴鋼拱架脫出盾尾后受拱頂破碎圍巖壓力產生較大變形影響TBM后配套通過。

2.10 刀盤結泥餅

由于開挖料基本為土體，TBM掘進過程中，又必須要進行少量霧狀噴水作業（作用一個是降溫、降塵，另一個是方便出渣）。土體和水混合后易結成泥餅，粘結在刀盤出渣口及刀倉內。掘進過程中，幾乎每天都會出現渣土結成泥餅堵塞出渣口，造成無法出渣的情況，對掘進效率產生直接影響。同時，斷層破碎帶圍巖軟硬不均，影響刀具使用壽命[2]。

3 應對措施

TBM 突遇超長距離斷層破碎帶，困難大、時間跨度長、處理效率低。為應對各種施工難點，解決現場實際發生的各種困難和問題，采取了多種技術，同時結合現場實際，創新部分施工技術，較好地解決了本次斷層帶所遇到的各種困難和問題。

3.1 超前水平鉆探取芯

根據該斷層破碎帶地層的復雜性和長度的不可預見性，采取了超前水平鉆探取芯的方案。即TBM 設備在停機狀態下，施工人員進入刀倉內，將刀盤中心刀拆除，獲取鉆探取芯位置，將取芯設備拆除分解，通過進人孔將拆解的設備部件逐件搬運至刀倉內再進行組裝，取芯及芯樣分析見圖5。依靠該技術手段本次TBM 過斷層共進行了8 次超前水平鉆探取芯（累計取芯長度95.19 m），分階段獲取了掌子面前方地質情況，有效地指導了TBM掘進各項參數的設定，同時為后續支護方式提供了理論依據，為安全穿越提供了地質上的保障。

圖5 取芯及芯樣分析

3.2 Mcnally系統支護技術

根據頂拱坍塌情況，采取了Mcnally 系統支護技術（頂拱密排鋼筋排配合拱架加密加強支護方案），首先將鋼筋在洞外截斷制成縱向鋼筋排，人工將鋼筋提前搬運并插入TBM盾體鋼筋排儲存艙中。TBM 往前掘進時，再將鋼筋人工拔出儲存艙，配合鋼拱架支護加固拱頂（見圖6）。

圖6 Mcnally系統支護

3.3 側墻防坍塌臨時支護技術

TBM 在斷層中掘進，盾尾兩側土石伴隨崩塌，后期清理工作量較大，同時對隧洞整體支護穩定性、安全產生較大影響，對隧洞施工人員產生較大威脅。面對此種情況，采取了兩種側墻加固技術加以解決。

3.3.1 側墻徑向錨筋+噴砼臨時支護技術

在土石露出盾尾后，馬上在頂拱120°兩側位置，采用大錘人工打入錨筋（由于空間有限，沒法采用大型設備進行施工）加以防護，再在側墻人工打入徑向錨筋，并初噴一層噴射混凝土，穩固側墻土體（見圖7）。

圖7 側墻徑向錨筋+噴砼臨時支護圖

3.3.2 創新應用了一種永久加固防盾尾土石坍塌技術

根據土石坍塌部位及該地層坍塌特點，結合TBM 設備結構設計的分析研究，在側護盾位置（兩側各約90°范圍）采用弧形鋼板（廠家定制）焊接接長（長度1.2 m），延長側護盾（見圖8），將可能發生坍塌的部位進行封閉，以此保證在掘進和拱架安裝過程中，側墻土體不出現坍塌，徹底消除了隱患，大幅度縮短了工序時間，加快了掘進效率。

圖8 側護盾延長鋼板

3.4 隧洞仰拱軟基換填施工技術

在斷層破碎帶掘進過程中，隧洞地質大部分為土層時，隧洞底部仰拱基本為軟基，面對有可能整體隧洞下沉，拱架支護失穩的問題，采取了隧洞仰拱軟基換填施工技術加以解決，換填后仰拱見圖9。

圖9 換填后仰拱

3.5 側墻大撐靴加壓施工技術

斷層破碎帶中，側墻土體松軟（或塌空）無法提供TBM推進足夠的反力前進，采用了3種施工技術配合予以解決。

3.5.1 反復墊壓圓木、型鋼等方式，增加撐靴壓力

人工將加工好的圓木壓入已坍塌的側墻空腔，將撐靴撐在墊好的圓木上，若撐靴壓力達不到要求，繼續往坍塌空腔內塞圓木或型鋼，反復多次，直到撐靴壓力達到TBM前進要求。

3.5.2 修改TBM掘進PLC程序

原設備PLC 程序在大撐靴頂撐壓力設置有一固定限值，壓力達到該數值，設備即可前進。根據程序邏輯關系，采取將這一限值進行最大化限小，減少了多次反復墊壓原木、型鋼的工序時間，提高了效率。

3.5.3 側墻大撐靴換填增壓施工技術

采取了側墻大撐靴換填增壓施工技術解決了大撐靴壓力不足的問題。具體做法是：圍巖露出盾尾，對側墻進行人工開挖（挖深約50 cm）清理，再采用噴射混凝土（人工筑模）噴至原開挖面（見圖10），待砼強度上升后，大撐靴壓力達到更改后的PLC設計值滿足掘進條件。

圖10 側墻大撐靴換填增壓

3.6 長距離隧洞皮帶洞內冷粘技術

正常生產情況時，采用皮帶硫化技術處理類似皮帶斷裂問題，但花費時間較長，不利于斷層不良地層的及時處理。根據這一實際情況，采用了皮帶冷粘技術，克服了皮帶冷粘不適于潮濕環境這一難題，以較快的速度解決了快速修補連接皮帶問題，一定程度上確保了掘進和出渣順利。

3.7 斷層破碎帶拱架更換施工技術

由于TBM隧洞支護拱架與設備間隙非常狹小，本次斷層破碎帶掘進中，出現多段已成型拱架變形影響設備后配套通過的現象，需對已安裝拱架進行更換。針對該情況，采用了錨筋、自進式錨桿、錨噴臨時加固技術攻克了這一難題，成功安全更換了多段變形拱架，取得了較好的支護效果[12]，變形及更換拱架見圖11。

圖11 變形及更換拱架

3.8 TBM密閉刀倉“泥餅”破除施工

TBM 機手先將刀盤轉到合適的角度，然后鎖定。機手在刀倉口值守，安排2 名施工人員先后從進人口進入刀倉，采用專用自制工具按照事先設置的先后順序逐一對刀盤進料口、刀具周邊粘結的“泥餅”進行破除。

3.9 固結灌漿施工技術

斷層破碎帶中出現滲水，這對于TBM掘進過斷層破碎帶是一新的重大施工險情。針對該情況，采取了對漏水位置一定范圍固結灌漿預先臨時加固方案。本措施的及時有效實施確保TBM 設備安全穿越漏水點，確保了隧洞安全。

3.10 巖石劈裂施工技術

針對掘進過程中出現孤石的情況，采取了巖石劈裂技術。采用該技術有效地解決了大塊孤石對拱架支護的影響，同時采用該方法大大減小了對地層的擾動，大大降低了塊石塌方的可能性。在保證了人員和設備的安全的同時，更提高了支護效率。

4 結論

針對TBM 突遇超長距離斷層破碎帶出現的施工難點（地質不可預見、長度較長、頂拱土石坍塌、側墻土石坍塌、仰拱軟基、刀盤結泥餅、皮帶修復、大撐靴增壓、頂拱變形等），采用超前水平鉆探取芯、Mcnally系統支護、側墻防坍塌臨時支護、隧洞仰拱軟基換填、側墻大撐靴加壓、長距離隧洞皮帶洞內冷粘、斷層破碎帶拱架更換技術等多種施工技術相結合的方案，使TBM 安全、快速地通過了該段超長斷層破碎帶，取得了預期的效果。按照原設計TBM應對斷層破碎帶的方案，采取超前固結灌漿配合鋼拱架施工，需10 個月通過該段地層，現在采取新方案比原設計方案縮短工期約3 個半月，同時較原設計方案更安全。該方案的成功實施，將為今后開敞式TBM施工提供新的解決思路，可為其他類似工程提供參考。