TBM穿越破碎帶穩(wěn)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(zhì)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(tǒng)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(shù)值模型，進行隧道圍巖的穩(wěn)定性分析。研究結(jié)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(xiàn)“先增大、后穩(wěn)定”的變化規(guī)律。經(jīng)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(wěn)定的良好施工效果。

關(guān)鍵詞：TBM；隧道施工；斷層破碎帶；超前地質(zhì)預報；三維數(shù)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(huán)保等優(yōu)勢，被廣泛應用。但在斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件下，TBM施工法會擠壓圍巖，破壞圍巖穩(wěn)定性，進而發(fā)生突泥突水、隧道掘進機卡頓等問題。

近年來，不良地質(zhì)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(nèi)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(wěn)定性和預注漿加固措施進行了分析。袁云海[2]統(tǒng)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(guī)律，總結(jié)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(zhì)預報探測了掌子面前方斷層破碎帶地質(zhì)，設(shè)計了針對性的支護措施，實時監(jiān)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(gòu)穿越斷層破碎帶工程，評估了盾構(gòu)掘進過程中施工風險，并提出了相關(guān)施工建議。徐前衛(wèi)等[5]結(jié)合數(shù)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(tǒng)改道工程，利用探地雷達預報掌子面前方地質(zhì)情況，結(jié)合數(shù)值模擬手段開展全斷面隧道掘進機穿越斷層破碎帶的穩(wěn)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(yè)有限公司VK礦區(qū)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(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，4片管片組成一環(huán)，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(qū)成礦帶周邊次級構(gòu)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(zhì)條件。BMT設(shè)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(zhì)松軟，多表現(xiàn)為高嶺土化、綠泥石化，其圍巖松軟，且往往伴隨涌水，容易發(fā)生掘進姿態(tài)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(wěn)性極差，TBM設(shè)備在穿越該地層時容易發(fā)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(xiàn)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(nèi)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(wěn)定性分析

2.1" "建立三維數(shù)值模型

2.1.1" "數(shù)值模型尺寸

根據(jù)隧道設(shè)計方案及研究區(qū)勘察報告，選取斷層破碎帶區(qū)域M10+123～M10+243段，建立三維數(shù)值模型，為削弱有限元模型邊界效應對數(shù)值結(jié)果的影響，三維數(shù)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(shù)值模型參數(shù)

在三維數(shù)值模型中，隧道內(nèi)徑設(shè)為4.6m，外徑設(shè)為5.2m；管片厚度設(shè)為0.3m，管片寬度設(shè)為1.5m；每步掘進1.5m。對三維模型進行網(wǎng)格劃分，布局細化網(wǎng)格，共劃分42412個節(jié)點，38714個單位。模型邊界條件的設(shè)置如下：一是模型側(cè)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(gòu)模型，管片選擇彈性本構(gòu)模型。

2.1.3" "數(shù)值模型材料

按照該斷層破碎帶施工區(qū)段的巖體、破碎帶地質(zhì)和管片材質(zhì)選擇模型材料。數(shù)值模型材料及其參數(shù)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(guī)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(qū)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?？芍獢鄬悠扑閹ч_始對拱頂豎向位移產(chǎn)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(nèi)。隨著掌子面進一步開挖，拱頂豎向位移量趨于穩(wěn)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(guī)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(qū)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(qū)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(wěn)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(qū)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(guī)律基本一致。受斷層破碎帶的影響，可將該主隧道的整個區(qū)段劃分為無影響區(qū)、弱影響區(qū)、強影響區(qū)3個階段。

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

3.1.1" "超前地質(zhì)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(zhì)開展超前地質(zhì)預報。隧道施工區(qū)間雷達縱剖面可知，該區(qū)段存在節(jié)理發(fā)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(xiàn)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(xiàn)的問題，為了充分發(fā)揮TBM快速掘進的優(yōu)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(qū)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(zhuǎn)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(wěn)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(tài)的控制。四是在自穩(wěn)性較差的圍巖中掘進時，應采用穩(wěn)扎穩(wěn)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(guān)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(fā)現(xiàn)有塌方情況時，應及時支立鋼拱、掛網(wǎng)、噴射混凝土，對露出護盾外已發(fā)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(wǎng)、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(shè)錨桿孔，用錨固劑將錨桿錨固進錨孔；最后將鋼筋網(wǎng)掛在圍巖表面與錨桿連結(jié)。

對于大中型塌方，可通過噴射混凝土、鉆設(shè)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)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(shè)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)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(jiān)測隧道掘進過程中拱頂?shù)某两抵岛凸把氖諗恐?，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(xiàn)“先增大、后穩(wěn)定”的趨勢，經(jīng)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(wěn)定。

4" "結(jié)束語

本文以塞爾維亞VK礦排洪系統(tǒng)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(zhì)情況。通過有限元軟件建立該隧道三維數(shù)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(guī)律。針對施工中可能出現(xiàn)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(jié)理發(fā)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(qū)段劃分為3個階段，無影響區(qū)、弱影響區(qū)、強影響區(qū)。經(jīng)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(wěn)定。

參考文獻

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