上公山隧洞4+439部位TMB卡機(jī)地質(zhì)條件及后護(hù)盾頂部塑性變形分析

尚彥軍 楊潔 曹小紅

摘 ? 要：被選做長(zhǎng)距離地下隧洞施工的巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）以快速施工優(yōu)勢(shì)明顯著稱，當(dāng)遇到軟弱圍巖加斷層破碎帶時(shí)，常發(fā)生卡機(jī)等事故，面臨工期延誤等挑戰(zhàn)。穿越元古界黑山頭組砂質(zhì)板巖等軟弱巖體的上公山隧洞，施工中多次發(fā)生圍巖大變形卡機(jī)等施工地質(zhì)災(zāi)害。其中較嚴(yán)重的是在樁號(hào)4+439側(cè)向擴(kuò)挖過(guò)程中TBM后護(hù)盾出現(xiàn)變形裂縫的嚴(yán)重事故。采用X-衍射粘土礦物分析、巖體受力模型分析和有限元數(shù)值模擬方法，研究軟弱圍巖與TBM相互作用下莫爾圓和庫(kù)倫強(qiáng)度曲線的關(guān)系變化，模擬斷層出露于隧洞掌子面不同部位時(shí)所產(chǎn)生的位移變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，斷層出露于掌子面中部時(shí)頂拱位移最大，側(cè)向擴(kuò)挖狀態(tài)下護(hù)盾變?yōu)橛袀?cè)向約束的單軸壓縮狀態(tài)，使頂部受壓，反分析得到后護(hù)盾剛度系數(shù)K=153.00 kN/mm。鑒于所研究軟弱圍巖和小角度交切斷層等不利地質(zhì)條件，TBM正常適用受太多影響使工期延誤，最終剩余洞段被鉆爆法所取代。

關(guān)鍵詞：上公山隧洞;巖石掘進(jìn)機(jī);板巖;斷層;位移

與敞開式巖石掘進(jìn)機(jī)（TBM）相比，護(hù)盾TBM具較高的安全性和對(duì)軟弱圍巖的適應(yīng)性。相比單護(hù)盾TBM，雙護(hù)盾TBM具推進(jìn)和輔助推進(jìn)系統(tǒng)，開挖掘進(jìn)和管片安裝可同時(shí)進(jìn)行，施工速度相對(duì)較快等特點(diǎn)。相比敞開式和單護(hù)盾TBM，雙護(hù)盾TBM盾體較長(zhǎng)，護(hù)盾易卡機(jī)且處理難度相對(duì)較大[1]。TBM卡機(jī)是軟弱圍巖施工中常遇問(wèn)題，使得以快速施工為顯著優(yōu)勢(shì)的TBM施工遭遇工期延誤等問(wèn)題。引漢濟(jì)渭秦嶺特長(zhǎng)隧洞越嶺段最大埋深2 000多米，在嶺脊段TBM施工中出現(xiàn)已支護(hù)段部分鋼架變形現(xiàn)象，監(jiān)視器顯示護(hù)盾壓力超過(guò)30 MPa，且緩慢持續(xù)升高，護(hù)盾油缸被慢慢壓回，刀盤無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)[2]。引黃入晉連接段TBM隧洞受層間剪切帶影響，最大位移量發(fā)生于洞右壁靠近層間剪切帶位置，水平方向位移29.53 mm，模擬分析發(fā)現(xiàn)，未考慮層間剪切帶的最大位移量?jī)H19.95 mm[3]。

TBM施工地質(zhì)通常是從地質(zhì)（包括將今論古得到的地質(zhì)環(huán)境）條件分析到地球物理探測(cè)反演來(lái)建立一定場(chǎng)區(qū)范圍的巖體結(jié)構(gòu)模型。作為施工中變更設(shè)計(jì)所依據(jù)的重要內(nèi)容，力學(xué)參數(shù)和機(jī)械參數(shù)是必不可少的。前期勘察階段力學(xué)參數(shù)主要來(lái)自巖塊實(shí)驗(yàn)或原位測(cè)試，難以代表施工擾動(dòng)條件下圍巖的力學(xué)性態(tài)。反分析即是據(jù)監(jiān)測(cè)信息，反估某些表征巖土體力學(xué)特征的參數(shù)和地應(yīng)力分量的方法，是可變更設(shè)計(jì)和信息設(shè)計(jì)重要組成部分[4]。施工階段發(fā)生變形乃至出現(xiàn)塌方、泥石流等施工地質(zhì)災(zāi)害，給施工擾動(dòng)條件下校核巖體結(jié)構(gòu)模型、反分析巖體力學(xué)參數(shù)提供了機(jī)遇。借助施工中圍巖或機(jī)械變形監(jiān)測(cè)信息，可反分析得到相應(yīng)參數(shù)（圖1），豐富和補(bǔ)充施工地質(zhì)編錄內(nèi)容，更好地服務(wù)于設(shè)計(jì)變更乃至運(yùn)行期安全。為解決昆明市供水問(wèn)題興建的輸水線路總長(zhǎng)97.258 km的掌鳩河引水供水工程中，位于祿勸縣翠華鄉(xiāng)的上公山隧洞最長(zhǎng)達(dá)13.769 km，軸向方向17.6°～18.7°，最大埋深368 m。開挖圓形斷面直徑達(dá)3.665 m，成洞后直徑為3.00 m。由意大利CMC公司采用美國(guó)Robbins公司的雙護(hù)盾TBM（1217-303型，直徑φ=3.665 m）施工?。在側(cè)向開挖脫困過(guò)程中，TBM機(jī)身發(fā)生變形或出現(xiàn)裂縫，表示開挖卸荷作用下應(yīng)力快速改變已超過(guò)其本身剛度極限。本文通過(guò)解析方法，反分析其護(hù)盾剛度，并同設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，說(shuō)明在受力狀態(tài)改變條件下，護(hù)盾本身的剛度無(wú)法滿足側(cè)向擴(kuò)挖穩(wěn)定而產(chǎn)生變形破壞，值得TBM脫困擴(kuò)挖方案設(shè)計(jì)和施工重視。

1 ?工程地質(zhì)條件

上公山隧洞從北向南穿越的地層巖性主要為前寒武系沉積巖，包括下元古界黑山頭組石英砂巖、板巖、粉砂巖，震旦系燈影組白云巖、白云質(zhì)灰?guī)r。

隧洞沿著名的近NS向康滇斷裂系小倉(cāng)、普渡河斷裂組展布。隧洞位于該斷裂系編號(hào)為13和14的斷層（小倉(cāng)-銀場(chǎng)篝逆斷層、兆烏-龍泉村斷層）之間的狹長(zhǎng)地塊中，這兩個(gè)斷層間最大寬度3 km。在強(qiáng)烈的近EW向構(gòu)造擠壓作用下，該地塊中分布若干NNE次級(jí)斷裂（圖2）1。由于隧洞總體走向和區(qū)域性活動(dòng)斷裂展布與區(qū)域巖層走向近于平行，表明構(gòu)造主壓應(yīng)力方向和隧洞軸線垂直，這對(duì)隧洞圍巖穩(wěn)定很不利。

2 ?TBM卡機(jī)現(xiàn)象

TBM突出優(yōu)點(diǎn)是掘進(jìn)速度快，一般是鉆爆法的3～5倍。TBM設(shè)計(jì)的最高掘進(jìn)速度為6 m/h，最高月進(jìn)尺4 320 m（作業(yè)率按100%計(jì)算）。即使按一般作業(yè)率50%計(jì)算，粉砂巖中月進(jìn)尺也達(dá)1 500～1 800 m/月2。2003年4月開始掘進(jìn)后，上公山隧洞多次出現(xiàn)塌方、突水、管片破裂、護(hù)盾受損，TBM多次被卡的施工地質(zhì)災(zāi)害[5]。2005年9月底在樁號(hào)K7+568處發(fā)生第8次重大卡機(jī)事故致使TBM停機(jī)10個(gè)月，結(jié)果該月掘進(jìn)尺很?。▓D3）。原計(jì)劃2005年底隧洞施工完成，實(shí)際進(jìn)度剛過(guò)半，工期被延誤。最終TBM被拆卸并被鉆爆法（DBM）施工技術(shù)取代。

2004年2月22日至3月11日，在樁號(hào)4+356～4+439段黑山頭組砂質(zhì)板巖和泥質(zhì)板巖（圍巖）中，揭露83 m長(zhǎng)的軟巖段。軟巖變形使TBM先后數(shù)次被卡（圖2，3中卡機(jī)段編號(hào)為（4）），以3月11日樁號(hào)4 km+439.374 m 處最嚴(yán)重。不僅使TBM無(wú)法正常掘進(jìn)，側(cè)向人工擴(kuò)挖中后護(hù)盾亦發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重?cái)D壓變形（頂部出現(xiàn)5～11 cm程度不同的垂直下凹變形）。隨刀頭方向開挖，發(fā)現(xiàn)護(hù)盾被壓裂產(chǎn)生變形裂縫。在4+439.374 m卡機(jī)段左右兩側(cè)和上部擴(kuò)挖后，3月24日現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員觀察到后護(hù)盾頂部發(fā)生了垂直變形。對(duì)后護(hù)盾以間隔0.5 m、1.0 m和0.96 m的4個(gè)垂直斷面A，B，C和D進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)4個(gè)斷面護(hù)盾頂部分別下沉53 mm、71 mm、90 mm和110 mm1。

在樁號(hào)4 km+439.374 m兩側(cè)擴(kuò)挖后，鋼拱架（包括導(dǎo)洞鋼拱架）出現(xiàn)變形破壞現(xiàn)象。隧洞右側(cè)鋼拱架下部明顯向洞內(nèi)擠壓變形（圖4-b），前方導(dǎo)洞右側(cè)鋼拱架下部也發(fā)生向內(nèi)擠壓變形（圖4-c），頂部木支撐受壓向左側(cè)折斷。鋼拱架變形破壞現(xiàn)象表明，右側(cè)圍巖變形相對(duì)強(qiáng)烈。說(shuō)明巖體蠕變破壞和巖體-支護(hù)間作用力隨時(shí)間延續(xù)而增加。受斷層構(gòu)造影響，隧洞圍巖變形和破壞使兩側(cè)不對(duì)稱，這不同于通常所設(shè)定的對(duì)稱的計(jì)算模型[6]。

3 ?卡機(jī)原因分析

對(duì)卡機(jī)段地質(zhì)調(diào)查表明，TBM系沿著緩傾角逆斷層開挖（圖4-a），隧道變形破壞主應(yīng)力來(lái)自洞右側(cè)斷層上盤[6]。樁號(hào)4 km+439.374 m處于和隧洞軸向近平行分布的緩傾角斷層帶中。主斷面傾向右側(cè)，傾角30°左右。沿主斷面分布有厚0.5～1.5 cm的斷層泥（圖4-e，f），斷層性質(zhì)為緩傾逆斷層。在構(gòu)造擠壓作用下，上盤和下盤圍巖形成劈理化碎裂巖。右側(cè)斷層上盤巖層表現(xiàn)為緩傾，巖體破碎。左側(cè)斷層下盤巖層陡傾（傾角60°～70°），為劈理化碎裂巖（圖4-a）。

斷層泥樣品顆分試驗(yàn)結(jié)果表明（圖4-e），粉粒和粘粒含量占大部分，粒度曲線坡度平緩，屬分選性好的粉質(zhì)輕粘土[7]。斷層泥樣品X射線衍射礦物成分測(cè)試和物理化學(xué)分析結(jié)果顯示（圖5，表1），礦物成分以蒙脫石與其它礦物混合為主，具弱膨脹性。粘粒組份和粘土礦物占相當(dāng)大比例，基本決定了軟弱圍巖粘聚力較大，內(nèi)摩擦角較小。

以上公山隧洞Pt1hs砂質(zhì)板巖和斷層破碎帶為研究對(duì)象，將圍巖風(fēng)化程度劃分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化和微風(fēng)化。巖體力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)源自工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果2。借鑒實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，最終確定數(shù)值模擬計(jì)算的巖體力學(xué)參數(shù)（表2）。

最大水平主應(yīng)力作用在與洞軸線垂直方向上（即X軸方向）。假定地表構(gòu)造應(yīng)力為0，按梯度0.01 MPa/m向下線性遞增;隧洞上覆巖體則按均布荷載考慮。

高地應(yīng)力和陡立的軟弱巖層，預(yù)示此段開挖中圍巖會(huì)發(fā)生蠕變，從而對(duì)TBM 護(hù)盾產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓。在圍巖軟弱破碎和較高地應(yīng)力等不良工程地質(zhì)條件下，隧洞施工開挖中具4周來(lái)壓和持續(xù)大變形趨勢(shì)，呈初始變形速率較大等特點(diǎn)。對(duì)大多數(shù)TBM來(lái)說(shuō)可適當(dāng)超挖，把盾殼與開挖巖體輪廓面間的間隙（即超挖部分）從通常的3～5 cm調(diào)整到5～10 cm[8]。TBM施工過(guò)程中，由于地質(zhì)原因需停機(jī)處理前方圍巖或掘進(jìn)速度變緩，圍巖快速大變形不僅會(huì)超過(guò)護(hù)盾與圍巖間的預(yù)留變形量（5～10 cm），還對(duì)TBM護(hù)盾盾殼產(chǎn)生強(qiáng)烈擠壓，導(dǎo)致卡機(jī)。沿?cái)鄬訋矶撮_挖時(shí)由于斷層上盤和下盤局部地應(yīng)力場(chǎng)分布的不均一性、巖體產(chǎn)狀和破壞程度的不均一性，隧洞支護(hù)受到偏應(yīng)力的影響，導(dǎo)致左右兩側(cè)管片變形破壞和護(hù)盾受力的不均一性。從TBM后部向前部刀頭方向側(cè)向擴(kuò)挖，引起后護(hù)盾擠壓變形量自后向前變小，與旁側(cè)擴(kuò)挖卸荷順序一致。分析發(fā)現(xiàn)，天然條件下垂向應(yīng)力σ3為5.4 MPa，側(cè)壓系數(shù)約為1.3的水平側(cè)向壓力σ1為7.0 MPa。應(yīng)力莫爾圓沒(méi)有與強(qiáng)度曲線相切，圍巖處于彈性階段無(wú)塑形區(qū)。側(cè)向掌子面方向的擴(kuò)挖，使TBM圓護(hù)盾受力狀態(tài)由平面應(yīng)變轉(zhuǎn)為單軸受壓，在拱頂作用下，護(hù)盾處于垂向壓力為5.4 MPa、側(cè)向壓應(yīng)力為0 MPa的受力狀態(tài)，與庫(kù)倫強(qiáng)度曲線相交，這樣圍巖就會(huì)發(fā)生破壞。側(cè)向擴(kuò)挖結(jié)果導(dǎo)致護(hù)盾頂部垂直向下變形（圖6），這與文中對(duì)軟弱圍巖拱頂處變形分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致[9]。

TBM被卡住后，由于左右兩側(cè)擴(kuò)挖，TBM護(hù)盾在兩側(cè)和圍巖先脫離接觸（臨空）。護(hù)盾頂部沒(méi)擴(kuò)挖之前，受頂部巖體垂直應(yīng)力作用，使護(hù)盾后部產(chǎn)生垂直變形。巖體破碎和巖層陡傾是垂直應(yīng)力傳遞的一個(gè)有利條件。這樣的垂直單向壓應(yīng)力作用，一旦超過(guò)護(hù)盾圓形鋼板的彈性強(qiáng)度極限，就會(huì)出現(xiàn)護(hù)盾頂部垂直塑性變形現(xiàn)象。隨著兩側(cè)支洞向前開挖，護(hù)盾頂部垂直變形由后部向前方發(fā)展，造成后護(hù)盾后部變形量大于前部（110 mm→53 mm）。

假如在TBM卡機(jī)時(shí)由于強(qiáng)行拖拉導(dǎo)致護(hù)盾變形，那么在護(hù)盾變形和水平移動(dòng)的同時(shí)，在護(hù)盾表面還應(yīng)產(chǎn)生軸向分布的劃痕或擦痕，且不僅僅只分布在護(hù)盾頂部。這是根據(jù)斷層發(fā)育情況，判別此種原因是否存在的客觀依據(jù)，是基于圍巖-TBM相互作用基礎(chǔ)上的變形破壞特點(diǎn)得到的。

利用有限差分軟件Flac3D模擬100 m埋深條件下，隧洞從斷層破碎帶中間、下部、上部等不同部位通過(guò)時(shí)的圍巖應(yīng)力及位移分布情況，分析斷層破碎帶對(duì)隧洞TBM掘進(jìn)的影響。將斷層破碎帶及圍巖為模擬對(duì)象，假設(shè)破碎帶厚7.3 m，取以洞軸線為中心的4.0倍洞徑范圍開展模擬計(jì)算，模型尺寸為長(zhǎng)×寬×高=29.2 m×1.0 m×29.2 m。

當(dāng)TBM從斷層破碎帶不同位置通過(guò)時(shí)，受破碎帶的影響程度不盡相同。TBM掘進(jìn)受影響程度由重到輕依次為中間穿過(guò)、下部穿過(guò)、上部穿過(guò)和側(cè)部穿過(guò)斷層破碎帶。當(dāng)TBM從斷層破碎帶中間通過(guò)時(shí)最為不利，從上部或側(cè)部通過(guò)時(shí)受到的影響相對(duì)較小1。當(dāng)TBM通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，洞周圍巖會(huì)向洞內(nèi)產(chǎn)生較大位移。由于斷層破碎帶力學(xué)性質(zhì)較軟弱，斷層破碎帶一側(cè)位移量明顯大于另一側(cè)位移量（圖7-b，c）。當(dāng)TBM從破碎帶中間通過(guò)時(shí)最為不利，最大豎向位移量達(dá)25.73 cm，最大水平位移量為19.29 cm（圖7-a，d位移對(duì)比圖），大大超過(guò)了預(yù)留變形量，導(dǎo)致TBM護(hù)盾被卡。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隧洞周圍出現(xiàn)大面積塑性破壞區(qū)，圍巖以剪切破壞為主，局部出現(xiàn)張拉破壞（圖7-d）。2004年3月11日上公山隧洞TBM掘進(jìn)中穿過(guò)一壓扭性斷層破碎帶時(shí)發(fā)生的嚴(yán)重卡機(jī)事故，很好地驗(yàn)證了上述計(jì)算結(jié)果。

據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告2，在樁號(hào)4+439.4 m前方3～4 km范圍內(nèi)，隧洞向前開挖還將小角度穿過(guò)或靠近F78、F51和F53 3條NNE向高角度斷層。由于斷層間距較小，斷層走向與洞軸線近于平行，巖體破碎而完整性差。隧洞埋深較大時(shí)，如巖石以板巖為主，工程地質(zhì)條件變得更差。因此，在高地應(yīng)力作用下，隧洞開挖中大變形問(wèn)題不僅存在，且有可能變得更嚴(yán)重，局部涌水問(wèn)題也可能出現(xiàn)。基于上述分析，隧洞軸線從4+350 m處開始向西調(diào)直，使軸線更靠近西側(cè)的背斜軸（圖2），盡可能避開左前方與背斜軸近于平行的4條壓扭性斷層（F78，F(xiàn)51～F53）密集分布部位[10]。

4 ?TBM護(hù)盾剛度反分析

5 ?結(jié)論

當(dāng)遇到不良工程地質(zhì)條件，隧洞工程施工選擇TBM且對(duì)其選型和配置上未充分考慮時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各種工程地質(zhì)問(wèn)題，如處理不當(dāng)還會(huì)發(fā)生施工地質(zhì)災(zāi)害。這些問(wèn)題表明TBM施工技術(shù)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，在選用時(shí)需客觀對(duì)比其本身固有的一些不足，否則，選擇不當(dāng)會(huì)造成巨大浪費(fèi)且影響工期的嚴(yán)重后果。

隧洞走向與最大主應(yīng)力或構(gòu)造線方向應(yīng)盡量避免近于平行或小角度相交。如實(shí)在難以大角度相交，要考慮擠壓條件下軟弱圍巖大變形的突出影響。

當(dāng)TBM通過(guò)斷層破碎帶時(shí)，圍巖中出現(xiàn)大面積塑性破壞區(qū)。在破碎帶中局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，尤其是當(dāng)TBM從破碎帶中間穿過(guò)時(shí)，洞頂、洞底及兩側(cè)的圍巖會(huì)向洞內(nèi)產(chǎn)生較大位移。如位移超過(guò)護(hù)盾與圍巖間的預(yù)留變形量，若不事先加固處理，則圍巖大變形會(huì)卡住護(hù)盾，導(dǎo)致TBM卡機(jī)事故發(fā)生，嚴(yán)重影響工期和施工造價(jià)。

在高地應(yīng)力區(qū)和軟弱圍巖分布段，側(cè)向擴(kuò)挖使TBM由雙軸受力狀態(tài)變?yōu)閱屋S受壓狀態(tài)而出現(xiàn)護(hù)盾各向不均勻的擠壓塑性變形。在本工程條件下，如TBM卡機(jī)后采用護(hù)盾外側(cè)向和頂部同步擴(kuò)挖，同時(shí)加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)等監(jiān)控措施，或可避免這一護(hù)盾盾殼變形破壞問(wèn)題的出現(xiàn)。

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Abstract： Because of the obvious advantage of rapid construction， Tunnel Boring Machine （TBM） is often used for long-distance underground tunnel construction. When it comes to weak surrounding rock and fault fracture zone， it is often jammed and faced with such challenges as construction delay. During the construction of ShanggongshanTunnel， which passes through the weak rock such as sandy slate of HeishantouFormation （Pt1hs） in Proterozoic， there are many construction geological disasters such as large deformation of surrounding rock and jamming. One of the most serious accidents is the deformation and crack of TBM back shield in the process of lateral excavation at pile 4 + 439. Using XRD clay mineral composition analysis， rock stress model analysis and finite element numerical simulation method， the relationship change of Mohr circle and Coulomb strength curve under the interaction of weak surrounding rock and TBM is studied， and the displacement change of fault exposed in different parts of tunnel face is simulated. The results show that when the fault is exposed in the middle of the face， the displacement of the top arch is the largest， and the shield changes into a uniaxial compression state with lateral restraint under the condition of lateral expansion excavation， which makes the top compressed. The back analysis shows that the stiffness coefficient of the back shield is k=153.00kn/mm. In view of the unfavorable geological conditions such as weak surrounding rock and small angle intersecting fault， the normal use of TBM is affected and the construction period is Seriouslydelayed， which is finally replaced by the traditional drilling and blasting method. The results of this paper are expected to provide reference for similar projects.

Key words：Shanggongshan Tunnel;Tunnel Boring Machine（TBM）;Sandy slate;Fault;Displacement.