胡新朋，王振飛，王亞鋒

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州450001）

1 概述

因斷層的復雜構造成因，使其具有極為多樣的賦存條件，其地質(zhì)特性和水文特征決定了在隧道工程建設時能否誘發(fā)突泥涌水、變形、坍塌等事故［1-2］。尤其富水斷層破碎帶巖體裂隙發(fā)育，介質(zhì)松散破碎，膠結(jié)性差，具有豐富的水源補給，特別是在動水條件下極易引發(fā)突泥涌水事故，嚴重影響工程建設的安全與質(zhì)量［3-4］。

全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）在富水砂化斷層破碎帶不良地質(zhì)段掘進時，適應性差，極易出現(xiàn)以下事故：掌子面突泥涌水、刀盤無法轉(zhuǎn)動、出現(xiàn)卡機事故、盾體抱死、脫困處理困難等［5-6］。另外，護盾及刀盤上方塌腔的發(fā)生引起地質(zhì)應力分布變化，致使部分鋼拱架及鋼筋排因圍巖收斂發(fā)生嚴重變形，護盾頂部壓力已達到設備極限值，支護變形將進一步減少人工作業(yè)空間，限制卡機處理設備的使用，增加處理難度；斷層破碎帶大多富水，水和渣體、破碎巖塊從掌子面和護盾外側(cè)不斷涌入洞內(nèi)，威脅施工人員和設備安全，容易造成隧洞塌方等事故，影響施工安全和工期。

以大瑞鐵路高黎貢山隧道出口段施工為例開展施工技術研究。高黎貢山隧道出口段主要采用TBM+鉆爆法聯(lián)合施工，正洞、平導TBM段分別采用開挖直徑9.03、6.39 m（變更后）的敞開式TBM掘進施工，其中正洞TBM掘進長度12 546 m、平導10 623 m。出口施工段主要地層巖性為燕山期花崗巖、中泥盆系回賢組白云巖、斷層角礫、物探Ⅴ級異常帶、志留系中上統(tǒng)灰?guī)r、白云巖夾石英砂巖［7］?；◢弾r地段石英含量35%～60%，巖體單軸飽和抗壓強度4.6～65.2 MPa。主要發(fā)育廣林坡斷層、老董坡斷層、塘房斷層、傈粟田斷層等4條斷層和2段蝕變巖帶。預測軟巖大變形段落總長410 m，輕微巖爆段落180 m。TBM掘進段地下水以基巖裂隙水為主，出口段預測最大涌水量約1 887 m3/h。隧道地質(zhì)縱斷面見圖1。

圖1 高黎貢山隧道地質(zhì)縱斷面圖

2 施工數(shù)據(jù)分析

2.1 卡機/停機情況分析

高黎貢山隧道出口TBM段受深大活動斷裂及多期巖漿侵入蝕變等影響，巖體遭受多重地質(zhì)構造破壞，陡傾節(jié)理、裂隙發(fā)育，巖體破碎，區(qū)內(nèi)降雨量大，地下水下滲深度大，隧道洞身節(jié)理密集破碎風化帶發(fā)育，其分布不規(guī)律、不連續(xù)，圍巖變化頻繁。節(jié)理密集破碎帶巖體呈強風化碎塊狀、碎石、角礫狀或全風化砂礫狀，部分風化蝕變成黏土，圍巖穩(wěn)定性差，遇水易掉塊或垮塌，呈松散碎塊狀堆積體或礫砂質(zhì)渾濁泥石流狀，易造成掉塊坍塌、失穩(wěn)溜坍等情況。

受制于極端復雜不良地質(zhì)條件影響，截至2019年7月，2臺TBM掘進累計發(fā)生卡機/停機多達17次，其中正洞6次、平導11次。TBM卡機/停機主要由于圍巖整體破碎、糜棱化嚴重，遇水呈流塑狀大量流出，致使TBM無法掘進，后跟隨巖塊掉落，“抱死”刀盤、盾殼、壓停皮帶機，給施工人員和設備帶來安全隱患，增加工程成本和工期不確定性［8］。正洞和平導TBM卡機/停機情況統(tǒng)計見表1、表2。

針對正洞和平導TBM卡機/停機的原因進行統(tǒng)計分析，不良地質(zhì)段造成TBM卡機/停機主要包括：掌子面垮塌刀盤被卡、掌子面垮塌/突涌扭矩超限無法掘進、掌子面垮塌/突涌出渣量過大壓停皮帶機、盾體被“抱死”無法掘進、拱頂持續(xù)垮塌停機處理等。經(jīng)常是多種因素共同作用造成TBM卡機/停機，但歸集為一點即富水砂化斷層破碎帶不良地質(zhì)的特性致使TBM掘進通過時不得不做好設備被卡或停機處理的施工準備。

表1 正洞TBM卡機/停機情況統(tǒng)計

表2 平導TBM卡機/停機情況統(tǒng)計

通過歸納法對上述不良地質(zhì)長度數(shù)據(jù)進行分析研究，以正洞TBM前5次卡機/停機、平導TBM前10次卡機/停機相對應的不良地質(zhì)長度數(shù)據(jù)為樣本，其數(shù)據(jù)的離散情況見圖2，選取該2組數(shù)據(jù)中的有效數(shù)據(jù)求均值，結(jié)果見圖3。

正洞TBM直徑φ正=9.03 m，掘進通過富水砂化斷層破碎帶TBM卡機/停機的平均長度L正=42.00 m；同理，平導TBM直徑φ平=6.39 m，掘進通過富水砂化斷層破碎帶TBM卡機/停機的平均長度L平=29.89 m。二者數(shù)值關系見表3。

圖2 TBM卡機/停機處理不良地質(zhì)長度數(shù)據(jù)離散圖

通過數(shù)學歸納及表3數(shù)據(jù)整理可得，L≈（4.6～4.7）φ，即掌子面前方不良地質(zhì)（富水砂化斷層破碎帶）長度是TBM直徑的4.6～4.7倍時，極有可能造成TBM卡機/停機；另外，正洞和平導TBM均有1處不良地質(zhì)段非正常長度造成TBM卡機/停機，即說明極其不良地質(zhì)造成TBM卡機/停機的風險需具體分析和研究。

2.2 卡機情況下的施工參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)（見表4）進行分析總結(jié)，出現(xiàn)以下情況時卡機概率增大：

圖3 TBM卡機/停機處理不良地質(zhì)長度均值

表3 TBM直徑與不良地質(zhì)段長度數(shù)值關系

（1）高黎貢山隧道強～全風化花崗巖、節(jié)理裂隙發(fā)育地層，正洞TBM推力低于8 000 kN，平導TBM推力低于5 000 kN；說明圍巖強度極低，若地下水發(fā)育、圍巖整體性差，則極易出現(xiàn)溜坍卡機。

（2）高黎貢山隧道強～全花崗巖、掌子面圍巖巖體破碎、易掉塊垮塌、完整性差、穩(wěn)定性差時，正洞TBM扭矩＞9 000 kN·m、平導TBM扭矩＞3 500 kN·m時，卡刀盤概率較大。

（3）高黎貢山隧道花崗巖地層圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育、巖體破碎、易掉塊，坍塌時頂護盾壓強為：正洞＞18 MPa、平導＞15 MPa，如不能穩(wěn)定且持續(xù)上漲，卡護盾概率較大。

表4 掘進參數(shù)與卡機關系

2.3 TBM卡機/停機預警模型

基于以上數(shù)據(jù)和分析研究，提出1種該不良地質(zhì)條件下TBM施工通過時出現(xiàn)卡機/停機的預警模型。

約束條件：頂護盾壓力極值F1、支護結(jié)構受力變形極值F2、TBM最大推力F3、刀盤扭矩TC、圍巖應力分布FN。

預警模型：

式中：FN為TBM穿越富水砂化斷層破碎帶所受水土壓力，與γsHS成正比，kN；L為盾體長度，m；fk為TBM盾體與圍巖平均摩阻力，kN/m2；k'為側(cè)向水土壓力系數(shù)；D為刀盤開挖直徑，m；γs為土體重度，kN/m3；HS為覆土厚度，m；F*為后配套拉力，kN；k為刀盤驅(qū)動扭矩計算常數(shù)；N為滾刀刀刃數(shù)量；FR為每把滾刀的扭矩，kN·m；F額為每把滾刀的額定扭矩，kN·m。

由模型分析可得：

（1）F1≥FN，可保證護盾不被破碎圍巖壓垮變形，保證盾尾施工安全，鋼筋排和鋼拱架正常安裝；

（2）F2≥FN，可保證初支結(jié)構穩(wěn)定，不會因初支變形或超限、垮塌導致停機處理；

（3）F3≥πRLfk+k'πD2γsHS/4+F*，可保證TBM最大推力滿足克服刀盤前方側(cè)向水土壓力、盾體與圍巖的摩阻力和后配套拉力的需求，確保盾體不被“抱死”；

（4）Tc≥kNFRD∩FR≤F額，既可保證刀盤驅(qū)動扭矩能夠克服掌子面垮塌擠壓阻力，刀盤不被卡；又可保證每把刀具的扭矩處在額定扭矩范圍內(nèi)，不會因單把刀具損壞導致停機處理。

該模型對TBM通過富水砂化斷層破碎帶施工具有一定指導意義，可結(jié)合工程地質(zhì)勘察設計資料和主機參數(shù)等數(shù)據(jù)進行數(shù)學驗算，研判掌子面前方地質(zhì)對TBM施工的影響程度，并以此超前謀劃施工方案和準備應急物資，降低卡機/停機發(fā)生的概率。

3 TBM通過富水砂化斷層破碎帶的應對措施

3.1 超前地質(zhì)預報

提前做好超前地質(zhì)預報探測，多種預報措施并舉、長短結(jié)合（見圖4），以確定不良地質(zhì)段邊緣、長度、風化破碎程度及富水情況等，并根據(jù)超前預報結(jié)果，提前調(diào)整加固措施和儲備洞內(nèi)應急物資，指導后續(xù)施工［8］。

圖4 超前地質(zhì)預報

3.2 應對措施

3.2.1 化學灌漿

化學灌漿是利用注漿泵壓力將化學灌漿材料灌注到巖體裂隙中，改良小體積斷層破碎帶，提高自身黏聚力，達到使松散或破碎圍巖固結(jié)成整體的效果，為安全支護贏取有利時間和空間，最終使TBM順利通過不良地質(zhì)段。結(jié)合某段相關地層TBM施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質(zhì)情況。尾盾脫離后實際揭露圍巖以花崗巖為主，粗粒狀，整體破碎，自穩(wěn)性差，圍巖強度較低（手捏可碎），遇水軟化蝕變。刀盤前方及上方發(fā)生大面積垮塌，盾尾及刀盤上方、前方可見處為松散破碎巖渣，預估松散體厚度3～5 m，揭露圍巖富水、散水成線狀或滴狀遍布已揭露圍巖。掘進過程中掌子面拱部垮塌渣體涌入刀盤，出渣量大，致使皮帶頻繁壓死，導致掘進困難。

（2）處置措施。TBM受困主要為刀盤區(qū)域圍巖垮塌形成空腔且拱部巖體自穩(wěn)能力差，掘進過程持續(xù)垮塌出渣量大皮帶易壓死，導致掘進困難，此次脫困以刀盤周邊渣體清理、圍巖超前加固、空腔回填為主，采取措施如下：①向刀盤上方打設灌漿管對空腔灌注混凝土回填；②對刀盤內(nèi)部及周邊渣體進行清理；③自盾尾或刀盤內(nèi)打設注漿管對刀盤周邊及前方圍巖進行化學灌漿加固；④揭露圍巖滿鋪鋼筋排、加密鋼拱架、增加拱架之間連接工字鋼、撐靴部位模筑混凝土及其他部位應急噴漿封閉、破碎段圍巖徑向注漿加固等措施加強支護。注漿管布置示意見圖5，圍巖加固效果見圖6。

圖5 注漿管布置示意圖

（3）應用情況?；瘜W灌漿在高黎貢山隧道平導應用11次、正洞應用5次?；瘜W灌漿主要在圍巖破碎節(jié)理裂隙自穩(wěn)性差、巖體砂化富水泥化易掉塊、坍塌、溜塌地層刀盤盾體區(qū)域加固圍巖時使用，通過化學灌漿主要固結(jié)刀盤拱部松散破碎圍巖，對線狀、小股狀

圖6 圍巖化學灌漿加固效果

出水進行封堵，防止地下水進入刀盤內(nèi)軟化松散破碎圍巖，達到改善圍巖穩(wěn)定性的目的。

3.2.2 循環(huán)管棚

管棚支護剛度較大，施工時如發(fā)生塌方，管棚起到臨時支撐坍方體的作用。管棚不僅是TBM受阻處理的一種手段，也是對已探測破碎圍巖預加固的處理手段，可有效降低TBM卡機風險。結(jié)合現(xiàn)場某段相關施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質(zhì)情況。盾尾揭露圍巖為似斑狀花崗巖，巖體風化程度高，右側(cè)大面積呈碎屑、碎石狀，圍巖松散破碎，穩(wěn)定性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，以淋水為主，局部股狀出水。掌子面出現(xiàn)局部坍塌現(xiàn)象，右側(cè)整體呈碎屑狀，夾雜塊石，刀盤及盾殼處局部塌腔。掘進過程中掌子面持續(xù)垮塌，出渣量大，皮帶易壓死，掘進困難。

（2）處理措施。TBM掘進受阻主要由于掌子面圍巖風化程度高、自穩(wěn)能力差，掘進過程中持續(xù)垮渣，出渣量大致使刀盤扭矩大，導致掘進困難，因此不良地質(zhì)以超前管棚加固為主。采取措施如下：①暫停掘進，施作超前鉆孔對前方地質(zhì)詳細探測；②自盾尾或刀盤內(nèi)打設管棚及注漿管灌注化學漿液，對拱部刀盤周邊松散破碎圍巖加固及掌子面前方圍巖預加固；③護盾上空腔處初噴混凝土封閉及灌噴混凝土回填；④掘進過程中按照超前支護方式分段加固、分段掘進。循環(huán)管棚加固示意見圖7，注漿加固及撐靴模筑見圖8。

（3）應用情況。循環(huán)管棚在高黎貢山隧道平導應用5次、正洞應用3次。循環(huán)管棚主要在圍巖破碎節(jié)理裂隙自穩(wěn)性差、巖體砂化富水泥化易掉塊、坍塌、溜塌范圍較長的地層使用，通過超前管棚及注漿對刀盤前方拱部松散破碎圍巖進行棚護及加固，增強圍巖穩(wěn)定性，達到改善圍巖整體性、自穩(wěn)性，保證TBM正常掘進。

圖7 循環(huán)管棚加固示意圖

圖8 注漿加固及撐靴模筑

3.2.3 導洞開挖

當斷層破碎帶較大、采用注漿加固及管棚施工無法完成TBM脫困時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，采取在護盾頂部人工開挖小導洞，在靠近刀盤時向兩邊擴挖，對刀盤上方、前盾頂部的積渣進行清理，減少刀盤轉(zhuǎn)動阻力至扭矩回復正常。同時利用導洞，施作超前管棚對前方不良地質(zhì)圍巖進行超前加固，完成后TBM掘進通過。結(jié)合現(xiàn)場某段相關地層施工受阻處置情況對該法進行說明。

（1）地質(zhì)情況。揭露圍巖均為粉細砂，所有刀孔均為細沙狀顆粒物，掘進過程中不能自穩(wěn)，持續(xù)垮塌，該段盾尾揭露圍巖為花崗巖，弱～強風化，拱部及右邊墻局部破碎掉塊，地下水不發(fā)育。受不良地質(zhì)圍巖擠壓，致使護盾被“抱死”。進行脫困處理過程中地質(zhì)情況惡化，小導洞拱頂位置突然出現(xiàn)小股狀出水，掌子面強風化粉砂狀巖體遇水軟化，呈流沙狀不斷涌出。

（2）采取措施。TBM受困主要是不良地質(zhì)圍巖收斂TBM盾體“抱死”，進行脫困過程中地質(zhì)惡化導致刀盤卡死，因此以TBM盾體、刀盤脫困及前方不良地質(zhì)加固為主。采取措施如下：①在盾尾下部打設超前探孔進行地質(zhì)探測（兼做泄水孔），平導至正洞打設泄水孔；②在盾尾、刀盤內(nèi)對護盾區(qū)域圍巖加固；③自盾尾開挖小導洞并進行環(huán)向擴挖形成管棚工作室；④在管棚工作室內(nèi)設置管棚導向墻進行超前管棚及超前注漿施工；⑤對刀盤上方和護盾周邊積渣進行清理，完成設備脫困；⑥導洞揭露護盾后回填混凝土、砂漿、注漿回填密實；⑦撐靴部位模筑混凝土，導洞及破碎段滿鋪鋼筋排并噴漿封閉，拱架縱向型鋼連接，破碎段徑向注漿加固并施作泄水孔。小導洞及管棚工作室開挖見圖9，管棚及管棚導向墻施工見圖10。

圖9 小導洞及管棚工作室開挖

圖10 管棚及管棚導向墻施工

（3）應用情況。導洞開挖在高黎貢山隧道平導應用4次、正洞應用3次。導洞開挖主要在圍巖整體破碎垮塌且長段落不良地質(zhì)或已發(fā)生卡機時使用，通過在護盾上方施作小導洞并進行擴挖，在小導洞內(nèi)施作超前管棚對前方不良地質(zhì)進行超前支護及注漿加固，同時對刀盤周邊、盾體區(qū)域積渣進行清理，減小刀盤轉(zhuǎn)動阻力及護盾摩擦力，達到TBM脫困及長距離管棚注漿加固改善圍巖使TBM安全快速通過的目的。

3.2.4 迂回導坑

在TBM施工過程中遭遇大規(guī)模、長距離、富水斷層破碎帶，常規(guī)（管棚+導洞）措施無法有效進行處理，采用迂回導坑繞行至不良地質(zhì)前方鉆爆法完成不良地質(zhì)段開挖，TBM步進通過，降低施工風險。結(jié)合現(xiàn)場某段相關施工受阻處置對該法進行說明。

（1）地質(zhì)情況。盾尾揭露圍巖為塊狀花崗巖，巖體風化程度高，呈粉砂狀，穩(wěn)定性差，圍巖沉降形成錯臺造成TBM護盾“抱死”，地下水發(fā)育。掌子面圍巖強～全風化，遇水泥化發(fā)生溜塌，同時隧道周邊巖體泥化、高壓富水造成超前預加固鉆孔困難，同時出現(xiàn)突泥涌水造成局部段隧道坍塌掩埋。

（2）處理措施。TBM卡機主要由于巖體風化程度高、遇水泥化造成鉆孔困難無法施作管棚，同時隧道周邊高壓富水TBM掘進通過安全風險大，無法采用常規(guī)就地超前加固TBM掘進的方式處理，因此不良地質(zhì)采用迂回鉆爆法處理TBM步進通過方式。采取的主要措施如下：①在TBM設備尾部平導右側(cè)平行于平導開設1條小斷面導坑；②采用“先探后挖”的原則將導坑開挖至不良地質(zhì)前方，開設橫通道迂回至平導隧道內(nèi)；③進入平導后采用“先探后挖、先加固后開挖”的原則完成不良地質(zhì)段開挖；④TBM完成脫困，步進通過不良地質(zhì)段。迂回導坑施工示意見圖11。

圖11 迂回導坑施工示意圖

（3）應用情況。迂回導坑在高黎貢山隧道應用1次。迂回導坑主要在大規(guī)模斷層破碎帶或常規(guī)超前管棚、注漿加固措施無法實施時使用。TBM掘進無法通過或通過風險性較高的地段，從主洞內(nèi)迂回導坑至斷層處，采用鉆爆法提前完成斷層開挖，達到降低施工風險、保證TBM安全順利通過斷層的目的。

3.3 監(jiān)控量測

加強支護完成后，及時布設量測點，隧道內(nèi)每5 m布設1個監(jiān)測斷面（存在不利組合結(jié)構和軟弱夾層部位或結(jié)構面抗剪強度較低部位加密設置監(jiān)測斷面），每個監(jiān)測斷面包括1個拱頂下沉測點和2個拱腰水平收斂測點（見圖12）。

施工現(xiàn)場監(jiān)控量測實行預警管理。預警控制值：黃色預警（5 mm/d＜變形速率＜10 mm/d或累計值達到75～150 mm時）；紅色預警（10 mm/d＜連續(xù)2 d變形速率＜15 mm/d或速率＞15 mm/d或累計值＞150 mm）。管理等級及對應措施見表5。

圖12 拱頂下沉和水平收斂測點布置示意圖

表5 管理等級及對應措施

4 結(jié)束語

高黎貢山隧道TBM掘進施工多次通過富水砂化斷層破碎帶不良地層，通過分析TBM在該種地質(zhì)條件下卡機/停機時的狀況和施工數(shù)據(jù)，總結(jié)出TBM穿越該種地層時可能卡機/停機的施工標準，建立TBM穿越富水砂化斷層破碎帶時出現(xiàn)卡機/停機的預警模型，并給出相應通過措施。敞開式TBM在通過富水砂化斷層取得了一定施工經(jīng)驗，但還有很多方面值得去探索。例如：化學灌漿材料對環(huán)境的歷久影響是否滿足工程建設環(huán)水保要求；新型拱架的研究，使其能夠一次滿足支護強度要求；刀具新型材料的研究，以便大幅提升TBM刀具的使用性能，提高經(jīng)濟效益。