TBM穿越破碎帶穩定性分析和防止隧道位移措施研究

摘要：隧道TBM施工穿越斷層破碎帶等不良地質過程中，極易引起隧道圍巖變形，進而導致塌方、突泥突水等病害。為此以塞爾維亞VK礦排洪系統改道工程穿越斷層破碎帶的隧道工程為例，簡述了該隧道工程概況及施工難點，建立了三維數值模型，進行隧道圍巖的穩定性分析。研究結果顯示：隨著TBM掘進施工的進展，隧道拱頂沉降、拱腰收斂呈現“先增大、后穩定”的變化規律。經過治理后的隧道拱頂沉降值、拱腰收斂值得到有效控制，隧道圍巖變形基本穩定的良好施工效果。

關鍵詞：TBM；隧道施工；斷層破碎帶；超前地質預報；三維數值模型

0" "引言

TBM（Tunnel Boring Machine）施工法，即全斷面隧道掘進機一次成型硬巖隧道施工法。TBM施工法具有高效、安全、綠色環保等優勢，被廣泛應用。但在斷層破碎帶等不良地質條件下，TBM施工法會擠壓圍巖，破壞圍巖穩定性，進而發生突泥突水、隧道掘進機卡頓等問題。

近年來，不良地質條件的TBM施工問題逐漸成為隧道工程研究的熱點之一，國內不少學者對此開展了研究。閆成偉等[1]以青島地鐵4號線為依托，對隧道穿越F1斷層破碎帶的穩定性和預注漿加固措施進行了分析。袁云海[2]統計了成都多座隧道穿越斷層破碎帶施工狀況，分析了初期支護變形規律，總結了隧道塌方、突泥突水的原因，有針對性地提出了治理措施。楊金虎[3]以慈母山一號隧道為例，利用超前地質預報探測了掌子面前方斷層破碎帶地質，設計了針對性的支護措施，實時監測了隧道施工過程中圍巖變形情況。蘇保柱等[4]依托泥水盾構穿越斷層破碎帶工程，評估了盾構掘進過程中施工風險，并提出了相關施工建議。徐前衛等[5]結合數值模擬和試驗模型，分析了隧道穿越斷層過程中受力變形特征，評估了施工風險。

本文依托塞爾維亞VK礦排洪系統改道工程，利用探地雷達預報掌子面前方地質情況，結合數值模擬手段開展全斷面隧道掘進機穿越斷層破碎帶的穩定性分析。

1" "工程概況及施工難點

1.1" "工程概況

位于塞爾維亞波爾市的塞爾維亞紫金銅業有限公司VK礦區河流改道排洪隧道工程總長為8420.97m，主隧道路線為A-B-F，采用TBM施工法。主隧道進口A點底板標高為315m，中途B點標高為290m，出口F點標高為250m，A-B段長度為2180m，坡度為1.147%；B-F段長度為6240.97m，坡度為0.641%。隧道圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖石硬度最大不超過f10，平均值為f4.5。掘進線路多處轉彎，轉彎半徑范圍為800～1000m。

主隧道襯砌管片的外徑為5.2m，管片厚度為280mm，管片寬度為1.5m，管片形成的隧道圓形斷面凈直徑為4.64m。管片采用C40混凝土預制，管片為六邊形結構，4片管片組成一環，管片與圍巖之間的空隙使用豆礫石充填并進行回填灌漿。主隧道橫斷面如圖1所示。

1.2" "施工難點

該礦區成礦帶周邊次級構造所形成的斷層破碎帶、斷層蝕變帶是本工程可能遇到的主要不良地質條件。BMT設備在此種地層掘進過程中的施工難點：一是斷層蝕變帶的物質松軟，多表現為高嶺土化、綠泥石化，其圍巖松軟，且往往伴隨涌水，容易發生掘進姿態難以控制、主機整體下沉的風險。二是斷層破碎帶地層巖石極其破碎且自穩性極差，TBM設備在穿越該地層時容易發生瞬時塌落渣料、類似“冒頂”的風險，如果出渣量小于塌落量，容易造成刀盤被大量渣石擠死現象。三是如果掘進過程中伴隨大量涌水，渣石易涌入伸縮液壓缸內外，造成重大施工風險。因此在施工過程中要遵循“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的原則。

2" "隧道圍巖穩定性分析

2.1" "建立三維數值模型

2.1.1" "數值模型尺寸

根據隧道設計方案及研究區勘察報告，選取斷層破碎帶區域M10+123～M10+243段，建立三維數值模型，為削弱有限元模型邊界效應對數值結果的影響，三維數值模型的長度為120m，寬度和高度均為50m。如圖2所示。

2.1.2" "數值模型參數

在三維數值模型中，隧道內徑設為4.6m，外徑設為5.2m；管片厚度設為0.3m，管片寬度設為1.5m；每步掘進1.5m。對三維模型進行網格劃分，布局細化網格，共劃分42412個節點，38714個單位。模型邊界條件的設置如下：一是模型側面為法向固定約束，二是模型表面無約束，三是模型底面完全固定約束。模型中的巖層、破碎帶選擇摩爾-庫倫本構模型，管片選擇彈性本構模型。

2.1.3" "數值模型材料

按照該斷層破碎帶施工區段的巖體、破碎帶地質和管片材質選擇模型材料。數值模型材料及其參數如表1所示。

2.2" "隧道位移模擬分析

2.2.1" "隧道拱頂豎向位移

TBM施工過程中，隧道拱頂豎向位移變化規律如圖3所示。由圖3可以看出，隧道掌子面在0～25m的開挖過程中，隧道拱頂豎向位移變化較小，這是因為開挖面距離斷層破碎帶較遠，斷層破碎帶的存在對該區域的影響可忽略不計。

在掌子面從25m開挖至45m的過程中，隧道拱頂豎向位移量逐漸增大，且豎向位移量增速逐漸變大。可知斷層破碎帶開始對拱頂豎向位移產生影響。在掌子面從45m開挖至72mm的過程中，隧道拱頂豎向位移量迅速增大，且豎向位移量增速較前一段進一步增大，且在掌子面開挖至72m處的拱頂豎向位移量達到40mm峰值。

在掌子面從72m開挖到100m的過程中，拱頂豎向位移量急速減小，在85m位置拱頂豎向位移量已降至13.5mm。在掌子面從85m開挖到100m的過程中，拱頂豎向位移量衰減速度逐漸放緩，在100m處拱底豎向位移量已降至10mm內。隨著掌子面進一步開挖，拱頂豎向位移量趨于穩定。

2.2.2" "隧道拱腰水平位移

TBM施工過程中，隧道拱腰水平位移變化規律如圖4所示。從圖4可以看出，在TBM掘進過程中，隨著掌子面的推進，隧道拱腰水平位移量的初始變化可忽略；進入斷層破碎帶影響區域后，隧道拱腰水平位移量逐漸增大。當掌子面掘進到斷層破碎帶區域后，隧道拱腰水平位移量急劇增大，水平位移量在74m處達到46.2mm峰值。隨后隧道拱腰水平位量移迅速減小，并逐漸趨于穩定。不同于拱頂豎向位移，由于斷層破碎的存在，拱腰水平位移沿模型中線呈非對稱分布，偏向于斷層破碎帶區域，且斷層破碎帶后方拱腰水平位移變化速率比斷層破碎帶前方的大。

2.2.3" "隧道位移分析

由隧道的上述位移變化情況可知，隧道豎向和水平位移的變化規律基本一致。受斷層破碎帶的影響，可將該主隧道的整個區段劃分為無影響區、弱影響區、強影響區3個階段。

拱頂豎向位移的無影響區分布范圍為0～25m和100～120m，弱影響區分布范圍為25～45m和85～100m，強影響區分布范圍為45～85m。拱腰水平位移的無影響區分布范圍為0～36m和95～120m，弱影響區分布范圍為36～44m和86～95m，強影響區分布范圍為44～86m。

3" "防止隧道位移的措施及效果

3.1" "圍巖穩定性分析

3.1.1" "超前地質預報

在TBM施工過程中，為了減少隧道拱頂和拱腰的位移量，通過探地雷達對隧道掌子面前方地質開展超前地質預報。隧道施工區間雷達縱剖面可知，該區段存在節理發育、巖體完整性較差的情況，該主隧道確實存在斷層破碎帶，隧道施工過程中極易造成掉塊、坍方或涌水現象，從而影響隧道施工安全。

3.1.2" "掘進施工中的具體措施

針對本標段TBM施工段穿越斷層破碎帶可能出現的問題，為了充分發揮TBM快速掘進的優勢，在掘進施工中采取以下措施：一是當TBM穿越斷層破碎帶區域時，將刀盤緊緊頂住開挖面，禁止后退，避免TBM在停工情況下轉動刀盤，以防止在刀盤與開挖面之間形成空穴，引起開挖面圍巖坍塌。二是對破碎地層進行超前注漿和管棚支護，以增強巖體的穩定性，使TBM順利通過。三是在軟弱圍巖條件下掘進時，TBM采用輔助推進液壓缸，利用管片提供反力進行掘進，以減少對圍巖的擾動，且有利于掘進姿態的控制。四是在自穩性較差的圍巖中掘進時，應采用穩扎穩打的方法，支護應緊緊跟上，特別是及時對開挖面進行混凝土初噴至關重要。

3.1.3" "掘進施工中對塌方的處理

在掘進施工中，要密切注意巖面從護盾處露頭時的變化，若發現有塌方情況時，應及時支立鋼拱、掛網、噴射混凝土，對露出護盾外已發生的空洞及時灌注混凝土處理，辦法如下：

對于局部掉塊的小型塌方，可通過噴射混凝土、掛鋼筋網、錨桿等措施進行處理，處理方法如下：首先及時清理空穴中的危石，噴一層混凝土，用以封閉圍巖表面；然后鉆設錨桿孔，用錨固劑將錨桿錨固進錨孔；最后將鋼筋網掛在圍巖表面與錨桿連結。

對于大中型塌方，可通過噴射混凝土、鉆設錨桿、掛鋼筋網和安裝鋼架支撐等措施進行處理，處理方法如下：首先及時清理空穴中的危石，噴一層混凝土；其次鉆設錨桿、掛鋼筋網和安裝鋼架支撐，注漿填充空腔，最后復噴80mm厚混凝土。

3.2" "施工效果

選取斷層破碎帶某一斷面為觀察斷面，通過全站儀監測隧道掘進過程中拱頂的沉降值和拱腰的收斂值，拱頂沉降值和拱腰收斂值變形曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著TBM掘進施工，拱頂沉降、拱腰收斂呈現“先增大、后穩定”的趨勢，經過治理后的圍巖拱頂沉降值約為23.4mm，拱腰收斂值約為27.6mm，圍巖變形基本穩定。

4" "結束語

本文以塞爾維亞VK礦排洪系統改道工程穿越斷層破碎帶的隧道工程為例，采用探地雷達預測了掌子面前方地質情況。通過有限元軟件建立該隧道三維數值模型，全過程模擬TBM掘進施工，獲得了隧道圍巖豎向和水平位移變化規律。針對施工中可能出現的問題，提出了對應的治理措施。

研究表明，M10+123～M10～243段存在節理發育、巖體完整性較差的情況，存在斷層破碎帶；隧道掘進過程中，隧道豎向和水平變形總體呈“先增大后減小”的趨勢；受斷層破碎帶的影響，整個區段劃分為3個階段，無影響區、弱影響區、強影響區。經過治理后的圍巖拱頂沉降約為23.4mm，拱腰收斂值約為27.6mm，圍巖變形基本穩定。

參考文獻

[1] 閆成偉，張浩然.地鐵隧道穿越斷層破碎帶預注漿加固技術研究[J].山西建筑，2019，45（19）：124-125.

[2] 袁云海.隧道穿過斷層破碎帶施工病害處置措施淺析[J].地下空間與工程學報，2013，9（S1）：1713-1716.

[3] 楊金虎.慈母山隧道穿越斷層破碎帶開挖支護技術分析[J].地下空間與工程學報，2011，7（2）：361-365+384.

[4] 蘇保柱，蔣超，姜衛衛，等.泥水盾構穿越富水破碎帶施工風險及控制技術[J].中國水運（下半月），2019，19（11）： 238-240.

[5] 徐前衛，程盼盼，朱合華，等.跨斷層隧道圍巖漸進性破壞模型試驗及數值模擬[J].巖石力學與工程學報， 2016，35（3）：433-445.