楊海鵬, 王青波, 王 勇, 陳壽根

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室, 四川成都 610031；2.中交二局第三工程有限公司, 陜西西安 710000)

在修建隧道的過程中，通過斷層破碎帶時經(jīng)常會遇到的地質災害。斷層破碎帶是隧道建設的一項挑戰(zhàn)，如果處理不當，那么會導致工程的延遲，甚至是工程的永久性停工。因此對隧道穿越斷層破碎帶的研究有重要意義。

目前國內外對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]通過對隧道的開挖過程進行三維有限元數(shù)值分析,證明了超前小導管注漿加固圍巖的有效性。張智健等[2]通過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，并對隧道圍巖穩(wěn)定性進行了分析。孫鐵軍等[3]通過數(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程中斷層區(qū)段的力學響應特征,總結隧道施工通過斷層破碎帶的經(jīng)驗。張優(yōu)利等[4]運用FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬,對比分析采用不同施工工法穿越斷層破碎帶的情況,總結了斷層破碎帶對于施工過程影響。焦鵬飛等[5]結合某隧道工程項目,采用FLAC3D有限差分軟件,建立相應的數(shù)值模型,分析由于地震引發(fā)的逆斷層錯動作用對正交穿越斷層隧道的影響,并揭示其影響機理。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、確保安全”的原則,指出了控制高壓水問題是防止災害發(fā)生的關鍵。雷軍等[7]以廣州地鐵隧道采用凍結法穿越斷層破碎帶施工實踐為基礎,通過對監(jiān)測項目結果進行分析研究,獲得凍結法施工條件下的初期支護結構及環(huán)境土體應力與變形變化規(guī)律,在此基礎上提出穿越斷裂破碎帶的凍結法施工建議技術方法。劉季富[8]結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壁導坑法加雙層超前小導管預支護,并配合鎖腳錨管,擴大拱腳,及時封閉仰拱等措施的施工方法。與三臺階預留核心土法加單層超前小導管預支護的施工方法相比通過斷層破碎帶淺埋段,能夠有效地控制隧道洞內周邊位移。

本文依托深圳地鐵八號線盾構隧道，對TBM隧道穿越斷層破碎帶的施工方法進行研究，總結出一套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號線一期主體工程8132標梧桐山南站—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TBM掘進影響左線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TBM掘進影響左線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)地質詳勘報告，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?？碧饺⌒編r體顯示巖體局部呈破碎，巖層整體性較好，較堅硬。此斷層巖體間較密實，且?guī)r塊本身強度較大。TBM通過地質斷層時發(fā)生卡盾、掌子面坍塌可能性較小，因此TBM過斷層優(yōu)先采用雙護盾模式快速通過。若掘進參數(shù)發(fā)生較大變化應及時停機分析，找出原因采取相應措施。在灌漿預加固后的洞段或撐靴不能提供設備反力的松散圍巖段再轉換為單護盾模式，為防止地質勘探結果出現(xiàn)較大偏差，掘進中加強隧道排水，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停機維修、保養(yǎng)

為減小TBM通過地質斷層時因設備故障造成的停機時間，因此必須確保TBM及輔助設備狀態(tài)良好。在TBM進入斷層區(qū)域前60 m及此區(qū)域掘進未進入斷層時，應每天對TBM及其輔助設備進行全面的檢查、保養(yǎng)、更換刀具，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。確保TBM過斷層過程中設備保持良好的狀態(tài)，快速通過斷層。

3.2 TBM超前鉆孔

用TBM自帶的多功能超前鉆機對地質斷層進行鉆孔，鉆孔長度不小于30 m。在進入地質斷層前60 m處安裝好超前鉆機，并調試完成，然后開始鉆孔。通過對鉆孔內出來的碴樣進行分析，判斷前方地質狀況。在斷層影響區(qū)域每30 m進行一次超前鉆孔確定前方地質情況直至確定實際斷層區(qū)域或TBM順利通過斷層區(qū)。若鉆孔有水、泥、砂等，判斷出在地質斷層段圍巖強度較差，撐靴不能提供設備推進反力的情況下，TBM應采用單護盾模式掘進。鉆孔完成后拆除超前鉆機。單護盾掘進模式見圖2。

圖2 TBM進入斷層破碎帶時單護盾掘進模式

3.3 TBM超前注漿

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

(1)TBM掘進過程中通過對掘進參數(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進行超前注漿對斷層區(qū)域圍巖加固完成后再繼續(xù)掘進。

(2)根據(jù)以往在斷層地段和高壓富水地層施工經(jīng)驗，當隧洞涌水量小于200 m3/h或單孔探水孔出水量小于20 m3/h，或者是TBM超挖量小于設計開挖量10 %時，可暫不進行處理，只要加強洞內施工排水，TBM選擇雙護盾掘進模式快速掘進通過。合理選擇刀盤轉速和貫入度等掘進參數(shù)，減小對圍巖的擾動。根據(jù)TBM通過斷層施工經(jīng)驗掘進速度控制在20 mm/min，刀盤轉速控制在低速檔位，施工中根據(jù)圍巖的情況及時調整掘進參數(shù)。當涌水量大于200 m3/h或TBM超挖量大于設計開挖量10 %時，必須停機進行處理，應采用TBM進行超前帷幕注漿，然后TBM掘進通過。

(3)需要超前灌漿時，利用TBM超前鉆機進行超前周邊預加固灌漿堵水，然后TBM采用單護盾模式掘進通過，隧洞進行超前周邊預灌漿。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式分段灌漿施工工藝，孔口管法蘭盤進行止?jié){，孔口管施工工藝見圖5。在施工中，實施鉆一段，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度10～15 m，前進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’，漿液凝膠時間38 s左右，必要時可摻加緩凝劑調整漿液時間，根據(jù)施工經(jīng)驗結合本工程水文地質條件，初選灌漿壓力：鉆孔深度小于30 m時，選擇0.8～2 MPa，實際施工中將根據(jù)相關參數(shù)作進一步調整，漿液擴散半徑初選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度以內并預留3 m。當檢查孔出水量小于20 L/min或對檢查孔進行壓水試驗，P=1 MPa時地層涌水量小于4～10 L/min時，結束灌漿。

3.4 TBM斷層區(qū)域掘進

在TBM掘進過程中由于進入斷層前TBM掘進參數(shù)及渣石變化不明顯，超前鉆孔也未能確定斷層區(qū)域TBM掘進斷層區(qū)，此時應優(yōu)先采用雙護盾模式快速通過斷層區(qū)域，防止TBM在此區(qū)段停機。

TBM掘進斷層區(qū)域，由于斷層區(qū)圍巖較為破碎，穩(wěn)定性較差，掘進后圍巖應力重分布通過移動達到穩(wěn)定狀態(tài)，時間過長會使圍巖裂隙變大，導致涌水、涌泥及圍巖失穩(wěn)造成塌方影響TBM掘進。因此此段TBM掘進應快速通過，及時進行管片后空隙回填。減小因設備維修保養(yǎng)造成的TBM停機，掘進過程應減小各工序之間間隔時間，確保TBM一直正常掘進直至完全通過斷層區(qū)。

若斷層區(qū)域進行過注漿加固，應確保注漿強度達到設計要求后再進行斷層區(qū)域掘進。斷層區(qū)域掘進應遵循“三低一快” 原則，即低轉速(2 r/min)、低推力、低貫入度(2～3 mm/r)、快速通過。在斷層區(qū)域掘進時灌漿預加固后的洞段或撐靴不能提供設備反力的松散圍巖段再轉換為單護盾模式。

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，需及時進行管片后空隙回填。此段TBM施工時，應在管片上預設好結構加強構件，并現(xiàn)場儲備好足夠的結構加強材料。

管片安裝完成后及時設置沉降收斂監(jiān)測點，加密監(jiān)測點布置，環(huán)向間距2 m，縱向間距1.5 m，監(jiān)測頻率做到2 次/d，直到監(jiān)測數(shù)據(jù)無明顯變化時停止監(jiān)測。如監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示管片變形較大應及時采用現(xiàn)場儲備的材料對管片進行支撐加固，防止壓力過大破壞管片結構，管片加固材料采用厚度1 cm，寬度30 cm，長度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環(huán)面。支撐加固完成后立即對管片后圍巖進行注漿加固。

4 TBM卡刀盤、卡盾問題

4.1 TBM卡刀盤、卡盾判定

當TBM掘進遇到卡機、卡盾問題時，可通過以下措施來判定是否為TBM卡機，及卡機的部位。

(1)首先要測一下支撐盾兩邊的壓力是否正常，其次要測一下主推油缸在缸體處的壓力是否達到正常值。如果上述二處均正常，則可以初步排除TBM因機械故障而卡機。

(2)測試刀盤是否能轉動，如果不能轉動。可將刀盤內的巖渣清理干凈，啟動1號皮帶，將巖渣轉出去，再試著轉動刀盤。如果仍然轉不動，那初步可以肯定TBM刀盤被卡住。

(3)若刀盤能夠轉動，且主推缸有回縮余地，TBM應試著后退，來判定前護盾是否被卡。并加大主推缸的掘進推力，試著邊掘進邊脫困。如果加大推力仍然不能前行，就可確定前護盾部位被卡住。

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

4.2 TBM卡刀盤、卡盾處理措施

通過對TBM卡刀盤、卡盾的判定，就可判斷出TBM的卡機是機械原因還是圍巖塌方所致，另外可以確定卡機的具體部位及卡機的嚴重程度，為后續(xù)制定科學合理的脫困方案打下堅實的基礎。通過進行以上確定TBM卡機部位及簡單脫困措施，TBM還不能脫困時可采用以下幾種措施進行TBM脫困。

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

(2)啟動或者加裝備用電機，增加脫困扭矩，使刀盤轉動脫困。

(3)如護盾能可向后移動，可通過伸縮護盾間的一段空隙，從該處向刀盤部位(掌子面方向)進行擴挖來進行TBM解困。

(4)如果上述方法均不能解困，則需要割開前后護盾側壁的鋼板，開幾個窗口，通過這些窗口對TBM機身前后，上下進行擴挖；或者在最后一環(huán)管片上開口，向TBM刀盤方向進行擴挖解困。

(5)如果刀盤可以轉動、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盾方向進行擴挖。

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

5 TBM過地質斷層段施工監(jiān)測

TBM過地質斷層施工需要進行監(jiān)測，施工監(jiān)測主要部位為TBM姿態(tài)、管片錯臺、隧道變形測量、隧道上浮或下沉等(表1)。

表1 TBM過斷層監(jiān)控量測控制

6 結論

(1)準備階段需要對掌子面前方進行超前地質預報，準確預測前方破碎帶的情況，以便采取相應的措施。

(2)超前注漿工藝，能對前方的不良地質進行預加固處理，同時及時封圍巖以控制變形。

(3)TBM穿越斷層破碎帶要盡量避免出現(xiàn)卡刀盤、卡盾的問題，出現(xiàn)問題及時采取應對的措施。

(4)當已發(fā)現(xiàn)掌子面出現(xiàn)塌腔時，一定要高度重視，若出渣量超過皮帶運輸量，但皮帶能夠承受運載能力時，不能盲目停機，應選擇合理的掘進參數(shù)，快速通過。