TBM隧道穿越斷層破碎帶施工關(guān)鍵技術(shù)

楊海鵬, 王青波, 王 勇, 陳壽根

(1.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川成都 610031；2.中交二局第三工程有限公司, 陜西西安 710000)

在修建隧道的過(guò)程中，通過(guò)斷層破碎帶時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到的地質(zhì)災(zāi)害。斷層破碎帶是隧道建設(shè)的一項(xiàng)挑戰(zhàn)，如果處理不當(dāng)，那么會(huì)導(dǎo)致工程的延遲，甚至是工程的永久性停工。因此對(duì)隧道穿越斷層破碎帶的研究有重要意義。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于隧道穿越斷層破碎帶方面做了很多深入的研究。孫星亮等[1]通過(guò)對(duì)隧道的開挖過(guò)程進(jìn)行三維有限元數(shù)值分析,證明了超前小導(dǎo)管注漿加固圍巖的有效性。張智健等[2]通過(guò)有限元軟件分別建立不同斷層破碎帶夾角、傾角的隧道三維有限元模型，并對(duì)隧道圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。孫鐵軍等[3]通過(guò)數(shù)值模擬,探討在不同的斷層角度和斷層厚度下隧道拱頂和周邊位移的發(fā)展規(guī)律,在隧道施工開挖的過(guò)程中斷層區(qū)段的力學(xué)響應(yīng)特征,總結(jié)隧道施工通過(guò)斷層破碎帶的經(jīng)驗(yàn)。張優(yōu)利等[4]運(yùn)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,對(duì)比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶的情況,總結(jié)了斷層破碎帶對(duì)于施工過(guò)程影響。焦鵬飛等[5]結(jié)合某隧道工程項(xiàng)目,采用FLAC3D有限差分軟件,建立相應(yīng)的數(shù)值模型,分析由于地震引發(fā)的逆斷層錯(cuò)動(dòng)作用對(duì)正交穿越斷層隧道的影響,并揭示其影響機(jī)理。龔成明等[6]以張集鐵路舊堡隧道穿越F3斷層破碎帶及富水區(qū)為例，提出了“排水降壓、有水必排、巖變我變、超前支護(hù)、確保安全”的原則,指出了控制高壓水問(wèn)題是防止災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵。雷軍等[7]以廣州地鐵隧道采用凍結(jié)法穿越斷層破碎帶施工實(shí)踐為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目結(jié)果進(jìn)行分析研究,獲得凍結(jié)法施工條件下的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)及環(huán)境土體應(yīng)力與變形變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上提出穿越斷裂破碎帶的凍結(jié)法施工建議技術(shù)方法。劉季富[8]結(jié)合洞子崖隧道杜康溝斷層破碎帶淺埋段施工提出采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法加雙層超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù),并配合鎖腳錨管,擴(kuò)大拱腳,及時(shí)封閉仰拱等措施的施工方法。與三臺(tái)階預(yù)留核心土法加單層超前小導(dǎo)管預(yù)支護(hù)的施工方法相比通過(guò)斷層破碎帶淺埋段,能夠有效地控制隧道洞內(nèi)周邊位移。

本文依托深圳地鐵八號(hào)線盾構(gòu)隧道，對(duì)TBM隧道穿越斷層破碎帶的施工方法進(jìn)行研究，總結(jié)出一套TBM隧道穿越斷層破碎帶的施工方法。

1 工程概況

深圳軌道交通8號(hào)線一期主體工程8132標(biāo)梧桐山南站—沙頭角站區(qū)間線路大體呈西—東走向，起于梧桐山南站，止于沙頭角站。其中有兩處斷層。斷層F-5-1位于：左線DK41+650～690，右線DK41+670～720，斷層走向近東西向，傾向南，傾角約為80°，斷層及其影響帶在平面上寬度20 m，對(duì)TBM掘進(jìn)影響左線40 m，右線50 m。該斷層屬于壓扭性斷層。斷層F-6位于：左DK43+220～245，右線DK43+310～DK43+350；斷裂走北西約65 °，傾向北東，傾角約為70 °，斷層及其影響帶在平面上寬度20～25 m，對(duì)TBM掘進(jìn)影響左線25 m，右線40 m。該斷層屬于張性斷層。斷層位置見圖1。

圖1 梧沙區(qū)間斷層位置示意

2 總體施工思路

根據(jù)地質(zhì)詳勘報(bào)告，本段斷層為壓扭性斷層，受扭壓力影響，破碎巖體間擠壓緊密較密實(shí)?？碧饺⌒編r體顯示巖體局部呈破碎，巖層整體性較好，較堅(jiān)硬。此斷層巖體間較密實(shí)，且?guī)r塊本身強(qiáng)度較大。TBM通過(guò)地質(zhì)斷層時(shí)發(fā)生卡盾、掌子面坍塌可能性較小，因此TBM過(guò)斷層優(yōu)先采用雙護(hù)盾模式快速通過(guò)。若掘進(jìn)參數(shù)發(fā)生較大變化應(yīng)及時(shí)停機(jī)分析，找出原因采取相應(yīng)措施。在灌漿預(yù)加固后的洞段或撐靴不能提供設(shè)備反力的松散圍巖段再轉(zhuǎn)換為單護(hù)盾模式，為防止地質(zhì)勘探結(jié)果出現(xiàn)較大偏差，掘進(jìn)中加強(qiáng)隧道排水，以防止可能出現(xiàn)的地下水從掌子面涌入、影響正常施工。

3 施工方法

3.1 TBM停機(jī)維修、保養(yǎng)

為減小TBM通過(guò)地質(zhì)斷層時(shí)因設(shè)備故障造成的停機(jī)時(shí)間，因此必須確保TBM及輔助設(shè)備狀態(tài)良好。在TBM進(jìn)入斷層區(qū)域前60 m及此區(qū)域掘進(jìn)未進(jìn)入斷層時(shí)，應(yīng)每天對(duì)TBM及其輔助設(shè)備進(jìn)行全面的檢查、保養(yǎng)、更換刀具，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。確保TBM過(guò)斷層過(guò)程中設(shè)備保持良好的狀態(tài)，快速通過(guò)斷層。

3.2 TBM超前鉆孔

用TBM自帶的多功能超前鉆機(jī)對(duì)地質(zhì)斷層進(jìn)行鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度不小于30 m。在進(jìn)入地質(zhì)斷層前60 m處安裝好超前鉆機(jī)，并調(diào)試完成，然后開始鉆孔。通過(guò)對(duì)鉆孔內(nèi)出來(lái)的碴樣進(jìn)行分析，判斷前方地質(zhì)狀況。在斷層影響區(qū)域每30 m進(jìn)行一次超前鉆孔確定前方地質(zhì)情況直至確定實(shí)際斷層區(qū)域或TBM順利通過(guò)斷層區(qū)。若鉆孔有水、泥、砂等，判斷出在地質(zhì)斷層段圍巖強(qiáng)度較差，撐靴不能提供設(shè)備推進(jìn)反力的情況下，TBM應(yīng)采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)。鉆孔完成后拆除超前鉆機(jī)。單護(hù)盾掘進(jìn)模式見圖2。

圖2 TBM進(jìn)入斷層破碎帶時(shí)單護(hù)盾掘進(jìn)模式

3.3 TBM超前注漿

TBM留了超前灌漿孔，可以利用超前鉆機(jī)對(duì)周邊圍巖進(jìn)行加固，此外刀盤面上留的灌漿孔能滿足在富水的地層條件下進(jìn)行全斷面帷幕灌漿和斷層破碎帶的圍巖加固。

(1)TBM掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)及圍巖情況的觀察和超前鉆孔情況，確定斷層區(qū)域具體位置，可采用TBM進(jìn)行超前注漿對(duì)斷層區(qū)域圍巖加固完成后再繼續(xù)掘進(jìn)。

(2)根據(jù)以往在斷層地段和高壓富水地層施工經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)隧洞涌水量小于200 m3/h或單孔探水孔出水量小于20 m3/h，或者是TBM超挖量小于設(shè)計(jì)開挖量10 %時(shí)，可暫不進(jìn)行處理，只要加強(qiáng)洞內(nèi)施工排水，TBM選擇雙護(hù)盾掘進(jìn)模式快速掘進(jìn)通過(guò)。合理選擇刀盤轉(zhuǎn)速和貫入度等掘進(jìn)參數(shù)，減小對(duì)圍巖的擾動(dòng)。根據(jù)TBM通過(guò)斷層施工經(jīng)驗(yàn)掘進(jìn)速度控制在20 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速控制在低速檔位，施工中根據(jù)圍巖的情況及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。當(dāng)涌水量大于200 m3/h或TBM超挖量大于設(shè)計(jì)開挖量10 %時(shí)，必須停機(jī)進(jìn)行處理，應(yīng)采用TBM進(jìn)行超前帷幕注漿，然后TBM掘進(jìn)通過(guò)。

(3)需要超前灌漿時(shí)，利用TBM超前鉆機(jī)進(jìn)行超前周邊預(yù)加固灌漿堵水，然后TBM采用單護(hù)盾模式掘進(jìn)通過(guò)，隧洞進(jìn)行超前周邊預(yù)灌漿。灌漿方案見圖3和圖4。

圖3 掌子面帷幕灌漿示意

圖4 掌子面帷幕灌漿布孔示意

(4)超前灌漿施工采用前進(jìn)式分段灌漿施工工藝，孔口管法蘭盤進(jìn)行止?jié){，孔口管施工工藝見圖5。在施工中，實(shí)施鉆一段，注一段，再鉆一段，注一段的鉆注交替式鉆孔灌漿施工，每次鉆孔灌漿分段長(zhǎng)度10～15 m，前進(jìn)式分段灌漿采用水囊式或氣囊式止?jié){塞止?jié){。

圖5 孔口管灌漿示意

(5)超前灌漿漿液采用水泥水玻璃雙液漿，擬選漿液初步配合比為W∶C=1∶1(水泥為P.O42.5R水泥)，C∶S=1∶1，水玻璃濃度35 Be’，漿液凝膠時(shí)間38 s左右，必要時(shí)可摻加緩凝劑調(diào)整漿液時(shí)間，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)結(jié)合本工程水文地質(zhì)條件，初選灌漿壓力：鉆孔深度小于30 m時(shí)，選擇0.8～2 MPa，實(shí)際施工中將根據(jù)相關(guān)參數(shù)作進(jìn)一步調(diào)整，漿液擴(kuò)散半徑初選2 m。超前灌漿的效果檢查主要采用鉆檢查孔法，檢查孔鉆深為開挖段長(zhǎng)度以內(nèi)并預(yù)留3 m。當(dāng)檢查孔出水量小于20 L/min或?qū)z查孔進(jìn)行壓水試驗(yàn)，P=1 MPa時(shí)地層涌水量小于4～10 L/min時(shí)，結(jié)束灌漿。

3.4 TBM斷層區(qū)域掘進(jìn)

在TBM掘進(jìn)過(guò)程中由于進(jìn)入斷層前TBM掘進(jìn)參數(shù)及渣石變化不明顯，超前鉆孔也未能確定斷層區(qū)域TBM掘進(jìn)斷層區(qū)，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用雙護(hù)盾模式快速通過(guò)斷層區(qū)域，防止TBM在此區(qū)段停機(jī)。

TBM掘進(jìn)斷層區(qū)域，由于斷層區(qū)圍巖較為破碎，穩(wěn)定性較差，掘進(jìn)后圍巖應(yīng)力重分布通過(guò)移動(dòng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)使圍巖裂隙變大，導(dǎo)致涌水、涌泥及圍巖失穩(wěn)造成塌方影響TBM掘進(jìn)。因此此段TBM掘進(jìn)應(yīng)快速通過(guò)，及時(shí)進(jìn)行管片后空隙回填。減小因設(shè)備維修保養(yǎng)造成的TBM停機(jī)，掘進(jìn)過(guò)程應(yīng)減小各工序之間間隔時(shí)間，確保TBM一直正常掘進(jìn)直至完全通過(guò)斷層區(qū)。

若斷層區(qū)域進(jìn)行過(guò)注漿加固，應(yīng)確保注漿強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后再進(jìn)行斷層區(qū)域掘進(jìn)。斷層區(qū)域掘進(jìn)應(yīng)遵循“三低一快” 原則，即低轉(zhuǎn)速(2 r/min)、低推力、低貫入度(2～3 mm/r)、快速通過(guò)。在斷層區(qū)域掘進(jìn)時(shí)灌漿預(yù)加固后的洞段或撐靴不能提供設(shè)備反力的松散圍巖段再轉(zhuǎn)換為單護(hù)盾模式。

3.5 管片監(jiān)控及加固

斷層段管片拼裝完成后，為防止周圍巖體坍塌造成塌方、TBM卡頓等，需及時(shí)進(jìn)行管片后空隙回填。此段TBM施工時(shí)，應(yīng)在管片上預(yù)設(shè)好結(jié)構(gòu)加強(qiáng)構(gòu)件，并現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備好足夠的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)材料。

管片安裝完成后及時(shí)設(shè)置沉降收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，環(huán)向間距2 m，縱向間距1.5 m，監(jiān)測(cè)頻率做到2 次/d，直到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)明顯變化時(shí)停止監(jiān)測(cè)。如監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示管片變形較大應(yīng)及時(shí)采用現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)備的材料對(duì)管片進(jìn)行支撐加固，防止壓力過(guò)大破壞管片結(jié)構(gòu)，管片加固材料采用厚度1 cm，寬度30 cm，長(zhǎng)度1 m的鋼板四角開φ18 mm孔，并加工成半徑為2.7 m的弧型，采用膨脹螺栓固定于管片內(nèi)環(huán)面。支撐加固完成后立即對(duì)管片后圍巖進(jìn)行注漿加固。

4 TBM卡刀盤、卡盾問(wèn)題

4.1 TBM卡刀盤、卡盾判定

當(dāng)TBM掘進(jìn)遇到卡機(jī)、卡盾問(wèn)題時(shí)，可通過(guò)以下措施來(lái)判定是否為TBM卡機(jī)，及卡機(jī)的部位。

(1)首先要測(cè)一下支撐盾兩邊的壓力是否正常，其次要測(cè)一下主推油缸在缸體處的壓力是否達(dá)到正常值。如果上述二處均正常，則可以初步排除TBM因機(jī)械故障而卡機(jī)。

(2)測(cè)試刀盤是否能轉(zhuǎn)動(dòng)，如果不能轉(zhuǎn)動(dòng)?？蓪⒌侗P內(nèi)的巖渣清理干凈，啟動(dòng)1號(hào)皮帶，將巖渣轉(zhuǎn)出去，再試著轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤。如果仍然轉(zhuǎn)不動(dòng)，那初步可以肯定TBM刀盤被卡住。

(3)若刀盤能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，且主推缸有回縮余地，TBM應(yīng)試著后退，來(lái)判定前護(hù)盾是否被卡。并加大主推缸的掘進(jìn)推力，試著邊掘進(jìn)邊脫困。如果加大推力仍然不能前行，就可確定前護(hù)盾部位被卡住。

(4)如果前三步均不見效，那么就試著退后護(hù)盾(將伸縮盾與后護(hù)盾間的鉸接伸出)。如果后護(hù)盾可后退，就可以判斷出此時(shí)TBM僅是前護(hù)盾卡機(jī)。如果后護(hù)盾也不能后退，那么就可以判斷出此時(shí)后護(hù)盾也被卡住。如果刀盤和前盾可以后退，但后護(hù)盾不能后退，就可以判斷出此時(shí)僅后護(hù)盾被卡住。

4.2 TBM卡刀盤、卡盾處理措施

通過(guò)對(duì)TBM卡刀盤、卡盾的判定，就可判斷出TBM的卡機(jī)是機(jī)械原因還是圍巖塌方所致，另外可以確定卡機(jī)的具體部位及卡機(jī)的嚴(yán)重程度，為后續(xù)制定科學(xué)合理的脫困方案打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)進(jìn)行以上確定TBM卡機(jī)部位及簡(jiǎn)單脫困措施，TBM還不能脫困時(shí)可采用以下幾種措施進(jìn)行TBM脫困。

(1)在刀盤能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下：采取加大推進(jìn)力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤(rùn)滑劑，(用刨槍在護(hù)盾上依梅花形布置刨出幾個(gè)小孔洞，然后在其上焊接對(duì)絲，再安裝液壓閥門，使用液壓泵將一些廢棄液壓油打入護(hù)盾與圍巖間的間隙中)以減少機(jī)身與圍巖間的摩擦力，看能否解困。

(2)啟動(dòng)或者加裝備用電機(jī)，增加脫困扭矩，使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)脫困。

(3)如護(hù)盾能可向后移動(dòng)，可通過(guò)伸縮護(hù)盾間的一段空隙，從該處向刀盤部位(掌子面方向)進(jìn)行擴(kuò)挖來(lái)進(jìn)行TBM解困。

(4)如果上述方法均不能解困，則需要割開前后護(hù)盾側(cè)壁的鋼板，開幾個(gè)窗口，通過(guò)這些窗口對(duì)TBM機(jī)身前后，上下進(jìn)行擴(kuò)挖；或者在最后一環(huán)管片上開口，向TBM刀盤方向進(jìn)行擴(kuò)挖解困。

(5)如果刀盤可以轉(zhuǎn)動(dòng)、前盾也可以后退，就可以從后退刀盤以后的掌子面處向后護(hù)盾方向進(jìn)行擴(kuò)挖。

(6)TBM脫困時(shí)需要注漿對(duì)掌子面圍巖及周圍巖體進(jìn)行加固時(shí)，先采用化學(xué)漿液封閉刀盤前和前盾周圍破碎巖體，保證TBM設(shè)備不被漿液固結(jié)，再進(jìn)行雙液漿注漿加固。

5 TBM過(guò)地質(zhì)斷層段施工監(jiān)測(cè)

TBM過(guò)地質(zhì)斷層施工需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)，施工監(jiān)測(cè)主要部位為TBM姿態(tài)、管片錯(cuò)臺(tái)、隧道變形測(cè)量、隧道上浮或下沉等(表1)。

表1 TBM過(guò)斷層監(jiān)控量測(cè)控制

6 結(jié)論

(1)準(zhǔn)備階段需要對(duì)掌子面前方進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)前方破碎帶的情況，以便采取相應(yīng)的措施。

(2)超前注漿工藝，能對(duì)前方的不良地質(zhì)進(jìn)行預(yù)加固處理，同時(shí)及時(shí)封圍巖以控制變形。

(3)TBM穿越斷層破碎帶要盡量避免出現(xiàn)卡刀盤、卡盾的問(wèn)題，出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)采取應(yīng)對(duì)的措施。

(4)當(dāng)已發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)塌腔時(shí)，一定要高度重視，若出渣量超過(guò)皮帶運(yùn)輸量，但皮帶能夠承受運(yùn)載能力時(shí)，不能盲目停機(jī)，應(yīng)選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，快速通過(guò)。