關(guān)于濱?？炀€單護盾TBM 過斷層破碎帶的關(guān)鍵技術(shù)探討

陳小平

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430074）

0 引言

TBM 通過近年的發(fā)展，其可靠安全快速等優(yōu)點，使其成為硬巖隧道施工的首選，但是TBM 對于富水破碎帶等不良地質(zhì)沒有良好的適應(yīng)性，在不良地質(zhì)體中施工可能會造成涌水、卡機、坍塌事故，對工程施工造成嚴(yán)重的影響。本文以濱?？炀€TBM 通過破碎帶的施工作為案例，對其關(guān)鍵技術(shù)進行研究。

1 概述

本項目中TBM 區(qū)間雙延米長5993m，發(fā)育4 處斷層破碎帶，最大影響寬度60m，區(qū)間主要穿越地層為強風(fēng)化、中風(fēng)化、微風(fēng)化凝灰?guī)r。

地下水主要為松散層孔隙承壓水和基巖裂隙水，孔隙承壓水主要賦存于第<4-9>漂石中，屬于中等~強透水層，上有隔水層，下部與基巖裂隙水相通，基巖裂隙水賦存于中等風(fēng)化帶中，水動力特征不均勻，補給來源主要為含水層側(cè)向補給和上部垂直補給，具承壓性。

2 TBM 過斷層破碎帶施工的風(fēng)險分析與關(guān)鍵技術(shù)

2.1 TBM 過破碎帶施工的風(fēng)險分析

TBM 過破碎帶段地質(zhì)復(fù)雜，根據(jù)設(shè)計采用單護盾TBM 穿越，穿越段地層主要為凝灰?guī)r，圍巖等級為Ⅱ～Ⅴ級，其中包含4處斷層破碎帶，10 處節(jié)理密集帶，有地下水富集；施工過程中，存在掌子面坍塌、卡機、涌水涌泥和襯砌滲漏水等風(fēng)險。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

（1）設(shè)備要求。根據(jù)圍巖情況，選擇單護盾TBM 掘進機用于本工程區(qū)間施工，由于區(qū)間存在斷層破碎帶和節(jié)理密集區(qū)，要求TBM 配置超前探測裝置、超前注漿設(shè)備，主要用于近端探測及預(yù)注漿加固。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報。借助TSP 超前預(yù)報，對遠(yuǎn)端圍巖情況進行判斷，根據(jù)數(shù)據(jù)成果判斷斷層破碎帶及其影響帶位置，為超前地質(zhì)鉆探及預(yù)注漿施工提供技術(shù)支持。

（3）近端探孔。通過設(shè)備自帶的超前探孔裝置，對近端圍巖情況進行探測，驗證超前物探結(jié)果，根據(jù)探孔情況，及時采取預(yù)注漿等措施。

（4）預(yù)注漿。根據(jù)探孔成果，對近端斷層破碎帶及裂隙帶采取注漿處理，對影響范圍大于30m 的節(jié)理密集帶以及斷層帶進行全斷面帷幕注漿；達到止水、使破碎帶形成整體結(jié)構(gòu)的效果。

（5）掘進控制。通過階段保持勻速、不停機策略，嚴(yán)格控制出土量，關(guān)注出渣情況，合理分配掘進分區(qū)壓力，控制掘進姿態(tài)，破碎帶界面存在巖面強度不均情況，出現(xiàn)姿態(tài)偏離時遵循多次少量糾偏的原則。

（6）壁后回填。通過階段，要對管片壁后及時進行回填，滿填空腔，穩(wěn)定襯砌，阻止地下水，穩(wěn)定圍巖。

3 TBM 過破碎帶的施工技術(shù)

3.1 工藝流程（見圖1）

圖1 TBM 過破碎帶施工工藝流程

3.2 設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)

設(shè)備正常推進理論推力21420kN，設(shè)計最大推力81895kN，刀盤設(shè)計考慮標(biāo)準(zhǔn)、不均勻、偏心、脫困四種負(fù)載工況下刀盤受力情況。

通過有限元驗算。刀盤的最大應(yīng)力出現(xiàn)在不均勻負(fù)載工況，最大應(yīng)力為110.3MPa，位于支撐板和刀盤背板的交接處，此處設(shè)計鋼板厚度為80mm，其屈服強度許用應(yīng)力值[δs]≧263MPa，大于110.3MPa；最大變形出現(xiàn)在偏心負(fù)載工況，最大變形量約為1.75mm，整體變形很小。在標(biāo)準(zhǔn)工況下，刀盤的最大應(yīng)力為90.4MPa，遠(yuǎn)小于屈服強度許用應(yīng)力263MPa，安全余量充足，刀盤應(yīng)變量約為0.49‰，變形非常小。可得出TBM 刀盤的強度和剛度都滿足地質(zhì)條件要求。

3.3 超前地質(zhì)預(yù)報

TSP 超前地質(zhì)預(yù)報主要服務(wù)于中長距離預(yù)報，預(yù)報長度一般為150~200m。通過在管片吊裝孔及預(yù)埋注漿孔位置布設(shè)18 個激發(fā)點，在激發(fā)點附近設(shè)高精度三分量接收器和主機，人工激發(fā)地震波，根據(jù)接收器接收的信息及主機中形成的地震波記錄，對采集的數(shù)據(jù)處理，獲得掌子面前方地震波的時間剖面、巖層的反射層位等成果資料及二維和三維空間分布情況，分析掌子面前方巖層分布、斷層位置、破碎帶影響寬度，地下水及其他不良地質(zhì)體發(fā)育情況。通過預(yù)報成果與勘察數(shù)據(jù)進行對比修正，如果存在較大差異，需要通過HSP 聲波反射法進行進一步驗證。

圖2 TSP 預(yù)報原理

超前地質(zhì)預(yù)報為遠(yuǎn)端探測技術(shù)，為掘進提供水文及不良地質(zhì)體發(fā)育情況，為近端處理提供空間依據(jù)。

3.4 近端探孔

根據(jù)地質(zhì)預(yù)報成果，當(dāng)掌子面距離不良地質(zhì)體15~20m 距離時，利用設(shè)備自帶的超前鉆孔裝置，延開挖面輪廓范圍打水平鉆孔，水平向設(shè)7 個孔，周向設(shè) 12 個孔，周向鉆孔傾角 7°~10°，鉆孔直徑50mm，鉆孔長度20~30m，共計19 個，通過鉆孔取樣，對比驗證地質(zhì)預(yù)報成果，對掌子面前方斷層破碎帶發(fā)育情況及影響寬度做出準(zhǔn)確判斷。

3.5 預(yù)加固

預(yù)加固的目的是通過注漿有效阻斷斷層破碎帶處的水力聯(lián)系，同時使破碎帶通過漿液粘結(jié)形成相對整體，避免TBM 過破碎帶時掌子面外圍水壓過大，造成涌水事故，同時防止破碎帶處巖體整體性差，掘進受力不均，造成卡機的風(fēng)險。

根據(jù)鉆孔成果，對不良地質(zhì)段進行預(yù)加固處理，注漿距離不小于20m，加固范圍為破碎帶縱向影響寬度及前后10m，破碎帶處隧道輪廓范圍及徑向3m 范圍，利用超前鉆孔點，注漿管安裝角度為7°~9°，配置2 臺注漿設(shè)備，注漿設(shè)備滿足水泥漿和水泥水玻璃漿的注漿要求，注漿壓力應(yīng)大于實測水壓0.1~0.2PMa，一般采用42.5 級水泥漿，按1:1 配置，適當(dāng)添加硫鋁酸鹽速凝劑，若發(fā)現(xiàn)前方地下水富集，水壓較大，可采用水泥水玻璃液漿，水玻璃稀釋后的波美度控制在35~40Be。注漿過程中，從兩側(cè)鉆孔朝向拱頂進行對稱注漿，以避免出現(xiàn)串漿或漏注的情況。

3.6 掘進控制

設(shè)備的最大推力為51895kN，主驅(qū)動脫困扭矩為20394kN·m，刀盤進入破碎帶影響區(qū)域前，放緩掘進速度，控制在20—30mm/min，記錄進入前后主驅(qū)動扭矩、推力、出渣情況變化，把理論計算出渣量與實際推進行程和實際出渣量進行比對，分析是否存在塌方情況，若出現(xiàn)刀盤轉(zhuǎn)動困難，扭矩陡增情況，要考慮是否存在孤石或者刀盤卡頓風(fēng)險。

破碎帶區(qū)域掘進存在巖面軟硬不均，黨姿態(tài)偏離設(shè)計軸線過大時，要進行緩慢糾偏，堅持多次少量糾偏原則，充分利用設(shè)備的鉸接系統(tǒng)和調(diào)節(jié)分區(qū)壓力的方式調(diào)整姿態(tài)，必要時通過安裝管片轉(zhuǎn)彎環(huán)配合糾偏，在糾偏的過程中一定要密切關(guān)注管片的破損情況，加強盾尾間隙測量，實時調(diào)整掘進參數(shù)。

3.7 支護回填

當(dāng)管片成環(huán)后，對拱底90°范圍進行C20 細(xì)石早強混凝土回填，使管片快速穩(wěn)定，上部270°范圍先進行5~10mm 豆礫石吹填，然后進行水泥漿灌注。豆礫石吹填遵循先底部、再兩側(cè)，后拱頂?shù)拇堤钤瓌t，避免出現(xiàn)架空，豆礫石吹填完成后，采用水泥漿進行灌漿固結(jié)，配比通過實驗確定，添加適量的微膨脹劑，漿液應(yīng)具有良好的抗水分散性和可注性，破碎帶處漿液中添加早強劑，縮短初凝時間，獲得早期強度，漿液固結(jié)28d 強度不小于2.5MPa，注漿時對注漿量和注漿壓力同步管理，注漿壓力達到設(shè)計壓力、注漿量達到設(shè)計注漿量80%時結(jié)束注漿，注漿壓力高于掘進面水壓0.1~0.2MPa，破碎帶處豆礫石和注漿填充系數(shù)按150%~250%計算，注漿質(zhì)量通過超聲波探測法進行檢驗，對物探異常部位，進行鉆孔驗證，完成注漿后，對注漿孔進行聚合物砂漿填充密實。

4 結(jié)束語

TBM 過破碎帶是山嶺隧道施工的難點，能否順利通過關(guān)系到整個工程的成敗，本文以濱?？炀€TBM 過斷層破碎帶為背景，提出了安全有序的通過斷層破碎帶的關(guān)鍵技術(shù)，認(rèn)為在充分收集工程地質(zhì)及水文條件的基礎(chǔ)上，借助超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)+近端探孔+預(yù)注漿處理是TBM 過破碎帶施工的關(guān)鍵，本文提出的遠(yuǎn)端預(yù)報結(jié)合近端探孔取芯和預(yù)注漿技術(shù)，對TBM 過破碎帶施工是一種新的思路，希望對TBM 通過不良地質(zhì)技術(shù)手段的進步與發(fā)展有所幫助。