某深埋TBM隧道斷層破碎帶卡機原因分析及治理方案

路 強

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

近年來隨著西部大開發(fā)、南水北調(diào)等工程的興建，越來越多TBM被用于深部工程施工，長、大、深以及復雜地質(zhì)的特點越來越顯著。TBM掘進過程中，不可避免遇到斷層破碎帶、富水區(qū)等不良地質(zhì)，常發(fā)生TBM刀盤卡機事故，如云南掌鳩河引水工程施工過程中，發(fā)生多次刀盤卡機事故，致使施工成本大幅增加，嚴重影響施工效率。

刀盤卡機是制約TBM推廣應用的主要影響因素之一，國內(nèi)外許多學者針對刀盤卡機發(fā)生原因和機理進行了研究[1]。朱光軒[2]研究國內(nèi)外98次TBM卡機事故，發(fā)現(xiàn)護盾卡機、刀盤卡機和涌水突泥卡機占比約77%，其中刀盤卡機占比最為突出，約35%，而導致刀盤卡機的主要原因是斷層破碎帶區(qū)域發(fā)生塌方，塌落碎石卡死刀盤[3-4]。針對斷層破碎帶導致的卡機，常采用輔助坑道法、爆破法、側(cè)壁導坑法等[5-7]措施，同時，采用回填灌漿和固結灌漿，提高圍巖完整性[8-9]。如楊杰[10]等采用人工開挖結合固結灌漿的手段幫助TBM脫困，保證了TBM順利通過斷層破碎帶；徐虎城[8]提出了固結灌漿和化學注漿相結合的處理方法，縮短了TBM脫困時間；梁峰[11]綜合采用超前地質(zhì)預報和超前鉆孔探測，明確斷層產(chǎn)狀和位置，提前采取措施，降低刀盤卡機風險。

目前針對斷層破碎帶TBM刀盤卡機治理研究多集中于固結灌漿等處理措施，尚未做到多手段綜合治理，且多為被動脫困，延緩了施工效率。本文以某深埋TBM隧道為研究背景，綜合分析TBM刀盤卡機原因，并提出“主動掌握，及時防控”的治理理念，采用超前地質(zhì)預報和固結灌漿的方法幫助TBM順利脫困，縮短工期。研究成果可為類似TBM穿越斷層破碎帶提供借鑒。

1 工程背景

某深埋隧洞全長20.4km，為獨頭掘進，隧洞最大埋深約720m，巖性主要為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖。采用敞開式TBM掘進，TBM刀盤厚度0.5m，開挖直徑7m，脫困扭矩為1.07×107N·m。前期地質(zhì)勘探表明，該TBM隧洞穿越f67～f71、f71-1共6條較大的次級斷層，產(chǎn)狀70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，斷層走向與洞線方向夾角20°～60°，破碎帶寬度10～30m，破碎帶內(nèi)以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主，節(jié)理發(fā)育。此外，在TBM掘進過程中多次穿越小斷層，寬度多見10～50cm，TBM刀盤和護盾發(fā)生多次卡頓，延緩掘進效率。根據(jù)地質(zhì)勘探成果和已揭露斷層區(qū)域地質(zhì)特征，斷層破碎帶區(qū)域圍巖類別主要為Ⅳ類和Ⅴ類，占比約21.3%，TBM穿越斷層破碎帶時，圍巖多處出現(xiàn)線狀流水。

2 卡機過程及原因

2.1 卡機過程分析

斷層破碎帶作為一種天然的地質(zhì)構造，圍巖較破碎、結構面較發(fā)育，破碎帶內(nèi)伴有膠結強度低、穩(wěn)定性差的充填物，在TBM穿越該區(qū)域時，經(jīng)常發(fā)生塌方、涌水等地質(zhì)災害，極易發(fā)生卡機事故。

下面介紹該隧洞掘進期間3次發(fā)生于斷層破碎帶的刀盤卡機事故：①2021年8月28日15：40，TBM掘進至樁號K231+279時，TBM刀盤出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。該區(qū)域發(fā)育兩條斷層，斷層f255產(chǎn)狀為1°～10°NW∠40°～50°，與洞軸線夾角12°～21°，斷層破碎帶上盤影響帶寬度3～6m，斷層f270推測與斷層f255相交，產(chǎn)狀330°SW∠45°～50°，與洞軸線夾角19°，斷層下盤(左側(cè))巖體較完整-完整性差，斷層上盤(右側(cè))為影響帶，兩條斷層影響帶內(nèi)巖石蝕變強烈，巖體較破碎，局部有線狀流水。②2021年11月25日，TBM推進至樁號K231+614～655段時發(fā)生卡機事故。該區(qū)段揭露一條斷層，斷層與隧洞軸線夾角41°～49°，斷層影響帶約4～7m，斷層充填主要為巖屑、糜棱巖和斷層泥，局部有線狀流水，該區(qū)域發(fā)育3組節(jié)理，分別為27°～32°SE∠56°～70°、330°SW∠47°和69°～87°NW∠63°～82°。三組節(jié)理與隧洞軸線夾角約9°～45°，隧洞圍巖完整性差，整體潮濕，局部有線狀流水，如圖1—2所示。③2022年1月12日，TBM于樁號K232+198～226段發(fā)生刀盤卡機事故，現(xiàn)場地質(zhì)踏勘表明，該區(qū)段揭露一條斷層，斷層與隧洞軸線夾角約32°，斷層破碎帶寬度約5～8m，局部有線狀流水，該區(qū)域主要發(fā)育3組節(jié)理，3組節(jié)理與隧道夾角約11°～82°，如圖3所示。

圖1 f231+615小斷層

圖2 塌腔

圖3 樁號K232+200～K232+280地質(zhì)展布圖

3次事故表明，TBM卡機事故發(fā)生段地質(zhì)條件存在大量共性特征，即結構面和地下水發(fā)育，巖體較為破碎，此外，斷層破碎帶區(qū)域發(fā)育多組結構面，且斷層與隧洞軸線呈小夾角，斷層呈現(xiàn)大傾角。

2.2 卡機原因

2.2.1巖體條件

該段內(nèi)地層主要為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，3次刀盤卡機事故均因塌方導致刀盤卡機。充填物成分結果表明，斷層破碎帶成分主要由碎塊石、泥、石粉、砂礫、黏粒，其中碎石和砂礫占比約78.3%，極大地弱化了圍巖穩(wěn)定性。TBM穿越斷層破碎帶時，刀盤附近揭露斷層帶，圍巖性質(zhì)突變，由硬巖進入松散軟弱的斷層破碎帶，圍巖強度瞬間下降，大量的碎巖和巖塊進入刀盤，導致扭矩快速上升，同時，斷層帶巖土體軟弱破碎、無自穩(wěn)能力，對TBM產(chǎn)生較大的載荷作用，為刀盤卡機災害的發(fā)生提供了地質(zhì)基礎。

2.2.2結構面特征

現(xiàn)場地質(zhì)踏勘表明，斷層破碎帶區(qū)域結構面發(fā)育，且多為軟弱結構面，伴有白色鈣質(zhì)充填，結構面充分交切，致使圍巖較破碎，穩(wěn)定性差。為進一步分析結構面帶來的影響，采用結構面綜合密度指標[12]，對3次刀盤卡機附近圍巖結構面特征進行分析，該指標為單位面積內(nèi)的巖體內(nèi)包含所有結構面的長度之和，可用于衡量巖體完整性。表1為3次刀盤卡機前、后刀盤附近圍巖結構面綜合密度和結構面間距的平均值，由表可知，刀盤卡機后結構面密度顯著高于卡機前的結構面密度，能夠顯著反應現(xiàn)場圍巖的完整性。

表1 刀盤卡機前后結構面綜合密度

2.2.3地下水特征

現(xiàn)場地質(zhì)勘查表明，3次刀盤卡機區(qū)域的斷層破碎帶均位于河谷區(qū)域，匯水條件較好，地表水極易在斷層中匯集滲流。且斷層內(nèi)地下水豐富，在地下水的浸潤和潤滑作用下，斷層軟弱充填介質(zhì)易發(fā)生流動，增加了刀盤卡機風險。此外，由開挖揭露地層情況可知，隧洞開挖由隔水層進入含水層，同時構造裂隙發(fā)育，富水巖層具有膠結松散、巖體破碎、透水性強等特性，圍巖強度低，穩(wěn)定性較差，掘進施工具有高風險性。

綜合分析可知，斷層破碎帶區(qū)域TBM刀盤卡機主要受巖體條件、結構面特征以及地下水影響。因此，如何保證TBM順利通過斷層破碎帶，降低刀盤卡機風險，解決、減小上述因素影響是關鍵所在。

3 刀盤卡機治理方案及效果評價

3.1 斷層破碎帶刀盤卡機治理難點

斷層破碎帶巖體松散破碎，TBM掘進開挖擾動圍巖體，形成一定范圍的塌落拱，TBM刀盤受載加大卡機，刀盤卡機事故處理存在以下難點：

(1)斷層帶圍巖塌落范圍難以確定

明確斷層帶圍巖的塌落范圍，是確定注漿加固范圍、設計注漿加固工藝的重中之重。斷層帶有多種破碎介質(zhì)組成，且影響范圍、節(jié)理密集程度無法提前預知，同時受TBM設備結構影響，無法在揭露時第一時間評估斷層帶影響范圍，故而由此造成的塌落范圍難以確定。

(2)注漿難度大

斷層帶圍巖體極為破碎，且臨近地層被擾動，注漿鉆孔成孔困難，極易塌孔卡鉆；斷層帶處于動水、突水突泥環(huán)境中，涌水量大，注漿漿液流失嚴重。斷層破碎帶滲透性與可注性差，注漿壓力過小無法充分粘合圍巖，注漿壓力過大則有可能導致斷層破碎帶變形量增大，易發(fā)生二次坍塌及次生災害。

(3)施工空間受限

TBM刀盤緊貼掌子面，斷層破碎帶注漿加固過程中，要防止?jié){液擴散到刀盤，導致刀盤與掌子面凝固在一起，漿液擴散范圍需要嚴格控制，對注漿控制要求高。前期封閉圍巖和鋼拱架支護對注漿鉆孔設計施工影響大，部分位置難以布孔、成孔；由于TBM機械結構的阻擋，施工作業(yè)空間狹小，實現(xiàn)不留盲區(qū)注漿難度大，具體如圖4所示。

圖4 施工作業(yè)空間受限

3.2 治理方案

為保證TBM順利通過斷層破碎帶、刀盤順利脫困，同時為降低后續(xù)塌方等二次災害風險，選取合理的注漿范圍并采用有效的加固措施是治理TBM刀盤卡機的關鍵所在。

為獲取前方塌方范圍，縮短TBM刀盤脫困時間，提出了“主動掌握，及時防控”的治理理念，采用超前地質(zhì)預報和治理方案的綜合防治方法。首先，應采用TSP超前地質(zhì)預報對前方地質(zhì)條件進行勘察，主動評估斷層破碎帶塌方范圍，根據(jù)上述結果進一步準備注漿工作。其次，斷層破碎帶區(qū)域圍巖條件較差，自穩(wěn)能力不足，應及時對已揭露區(qū)域和塌方區(qū)域進行加固處理，采用榀距為0.5～0.9m的HW150型鋼拱架和5～20cm排間距的鋼筋排結合@200×200鋼筋網(wǎng)片共同進行支護，拱架縱向連接筋采用間距1m的10#槽鋼連接，同時為盡早封閉鋼筋排及網(wǎng)片并形成保護殼，對拱架內(nèi)弧面?zhèn)?70°范圍采用鋼板進行封閉，并回填混凝土。最后，在塌方處布設監(jiān)測斷面進行收斂及頂拱沉降測量，并對量測數(shù)據(jù)及時分析評價，確保塌腔處理期間的施工安全及塌方臨近段的施工安全。

采用化學漿液表層灌漿保護護盾及刀盤，采用水泥漿液深層固結灌漿錨固圍巖能夠有效保證圍巖完整性，提高圍巖強度。圖5是某TBM隧道斷層破碎帶區(qū)域塌腔充填開挖前后最大主應力分布情況，如圖5所示，充填前塌腔區(qū)域附近存在顯著的應力集中特征，最大主應力達到69.8MPa，采用水泥砂漿充填后，塌腔區(qū)域附近應力集中程度顯著下降，且集中范圍減小，充填附近區(qū)域最大主應力僅為51.36MPa，下降了26.4%。結果表明水泥砂漿充填能夠有效提高圍巖完整性，降低圍巖內(nèi)部應力集中狀態(tài)，進一步保證施工安全。

圖5 斷層破碎帶區(qū)域塌腔充填前后最大主應力云圖

3.3 典型案例及效果評價

3.3.1典型斷層破碎帶TBM刀盤卡機案例

2022年8月25日21：45，TBM掘進至樁號K233+703時，護盾末端樁號K233+698附近1～3點半方位護盾內(nèi)圍巖發(fā)生塌方，塌方體為碎塊石夾巖屑、泥質(zhì)，從一次支護鋼筋排空隙間流出，并迅速堆積于鋼筋排上，護盾內(nèi)圍巖塌方情況不可見。8月25日夜班TBM再次掘進2m(K233+705)時，TBM刀盤上部和下部出現(xiàn)大量渣體堆積，使TBM刀盤負荷過大而出現(xiàn)卡機現(xiàn)象。

如圖6所示為該區(qū)段地質(zhì)展布圖。該段圍巖為黑云母花崗巖，磚紅色，塊狀結構，中硬巖。發(fā)育2條小斷層，①f233+705小斷層與隧道軸線呈小夾角，斷層帶內(nèi)為碎裂巖、糜棱巖、斷層泥，上下盤影響帶寬約4～6mm。②f233+712斷層與隧道軸線夾角約45°，斷層帶內(nèi)為似全風化狀花崗巖夾3～5mm厚斷層泥，發(fā)育4組節(jié)理，走向與傾角分別為332°SW∠44°、86°NW∠61°、358°NE∠41°和300°SW∠80°，4組節(jié)理均與隧洞軸線成小夾角，約3°～38°，延伸長度約3～8m，并伴有鈣質(zhì)充填，局部有線狀流水和涌水，如圖7所示。

圖6 樁號K233+705.5～726段地質(zhì)展布圖

圖7 斷層特征

為確定前方地質(zhì)條件以及塌落范圍，現(xiàn)場開展TSP超前地質(zhì)預報工作，如圖8所示，樁號K233+705～K233+750段推測圍巖與掌子面基本一致，圍巖較破碎，易發(fā)生掉塊，局部易出現(xiàn)塌腔，并伴有滴滲水，局部甚至出現(xiàn)線狀流水；樁號K233+750～K233+805段，推斷圍巖與上段相比有變好趨勢，圍巖完整性差。此外，x方向塌方范圍集中于樁號K233+720～K233+735段，長度約10m，y方向集中于-7～7m，z方向主要集中于0～12m。

圖8 超前地質(zhì)預報結果

為使TBM快速脫困、確保硐室及施工安全，首先在護盾尾部采用榀距45cm的HW150型鋼拱架進行支護(如圖9(a)所示)，并對樁號K233+698.5～700段進行封閉和固結灌漿，對拱架內(nèi)弧面?zhèn)?70°范圍采用間距20～40cm、直徑φ16鋼筋固定1mm厚鋼板作為模板，對拱架間等空隙及塌腔內(nèi)回填M25砂漿形成保護殼并確保回填密實，為防止固結松散體的水泥漿液流至護盾尾部，于護盾尾部11～3點鐘方位梅花形布置4環(huán)注漿孔，采用排距0.5m、直徑為φ32的中空注漿錨桿進行注漿，每環(huán)布置4～7根，水泥灌漿注漿壓力控制在0.5～0.8MPa，如圖9(b)所示。

圖9 封閉和固結灌漿

其次，對左右兩次和拱頂護盾及刀盤附近進行化學注漿。為保護護盾及刀盤，防止水泥漿液將護盾及刀盤與松散體固結在一起、快速固結護盾及刀盤周圍松散體使TBM盡早脫困，在樁號K233+698.6和K231+699.3處與洞軸線夾角20°及30°斜向上從護盾盾尾至掌子面各設置兩環(huán)注漿孔灌注化學漿液，要求注漿孔深度應超前于掌子面，為確保灌注效果，注漿孔交叉且呈階梯型布置。注漿孔環(huán)向間距1.0m，通過中空注漿錨桿灌注化學漿液(組合聚醚多元醇(發(fā)泡型))形成保護殼保護刀盤，中空錨桿長度根據(jù)松散體范圍確定，錨桿孔位視現(xiàn)場能夠?qū)嵤┎僮髑闆r布置。

最后，在護盾尾部樁號K233+700處，采用φ32中空注漿錨桿灌注水泥漿液固結塌腔上部松散體，中空注漿錨桿頭部盡量穿過松散體靠近巖面，從而保證固結效果；此外，對樁號K233+660～700段塌腔進行混凝土回填，提高圍巖強度，避免二次災害發(fā)生。

待圍巖收斂穩(wěn)定后，TBM開始掘進，并重復上述工作內(nèi)容，直至掌子面超過樁號K233+735，刀盤順利通過斷層破碎帶范圍。

3.3.2治理效果評價

為進一步評價斷層破碎帶區(qū)域圍巖穩(wěn)定性，在塌方處(樁號K233+698)布置監(jiān)測斷面進行收斂及頂拱沉降測量，如圖10所示。該監(jiān)測斷面的鋼拱架下沉監(jiān)測結果如圖11所示，由圖可知，在8月28日—9月5日期間鋼拱架沉降累計值快速上升，這表明該段時間范圍內(nèi)圍巖尚未實現(xiàn)穩(wěn)定，其自身承載能力依舊較差，9月5日后，沉降累計值逐步趨于平緩，這表明注漿效果逐步顯現(xiàn)，圍巖承載能力逐漸加強，9月8日后，沉降累計值幾乎再無顯著變化，這表明鋼拱架不再下沉，圍巖已穩(wěn)定，且不再滲水，注漿加固效果完全滿足現(xiàn)場施工要求，已經(jīng)符合TBM再次掘進的要求，后續(xù)持續(xù)測量也表明圍巖處于長期穩(wěn)定，發(fā)生二次塌方的可能性極小。9月11日，TBM開始掘進，順利通過斷層破碎帶(樁號K233+730)，期間并未發(fā)生卡機等現(xiàn)象，TBM順利脫困。TBM從刀盤卡機到順利脫困，歷時14天，顯著縮短了施工工期，降低了經(jīng)濟損失。

圖10 樁號K233+698監(jiān)測斷面

圖11 鋼拱架下沉監(jiān)測結果

4 結論

本文以某深埋TBM隧洞為研究背景，針對TBM穿越斷層破碎帶刀盤卡機事故，分析了刀盤卡機原因，提出了TBM穿越斷層破碎帶刀盤卡機治理理念和治理措施，并取得了以下結論：

(1)分析了TBM穿越斷層破碎帶刀盤卡機原因。分析認為刀盤卡機主要受巖體條件、結構面特征以及地下水影響，三者共同作用下，導致圍巖巖體松散，涌入刀盤，最終引發(fā)卡機事故；

(2)針對TBM刀盤卡機事故，提出了超前地質(zhì)預報和治理方案相結合的治理理念。應首先采用超前地質(zhì)預報主動獲取掌子面及前方地質(zhì)條件，以及塌腔范圍，然后采用針對性的固結灌漿措施提高圍巖承載能力，為TBM順利脫困提供了保障。此外，將該方法用于現(xiàn)場TBM刀盤卡機處理，并設立監(jiān)測斷面，對鋼拱架進行收斂及頂拱沉降測量，結果表明，該方法能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定，提高圍巖承載能力，保證TBM短時間內(nèi)順利通過斷層破碎帶區(qū)域；

(3)本文提出的治理方法能夠有效提高圍巖承載能力，縮短TBM脫困時間，降低了經(jīng)濟損失。