关于滨海快线单护盾TBM 过断层破碎带的关键技术探讨

陈小平

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北武汉 430074）

0 引言

TBM 通过近年的发展，其可靠安全快速等优点，使其成为硬岩隧道施工的首选，但是TBM 对于富水破碎带等不良地质没有良好的适应性，在不良地质体中施工可能会造成涌水、卡机、坍塌事故，对工程施工造成严重的影响。本文以滨海快线TBM 通过破碎带的施工作为案例，对其关键技术进行研究。

1 概述

本项目中TBM 区间双延米长5993m，发育4 处断层破碎带，最大影响宽度60m，区间主要穿越地层为强风化、中风化、微风化凝灰岩。

地下水主要为松散层孔隙承压水和基岩裂隙水，孔隙承压水主要赋存于第<4-9>漂石中，属于中等~强透水层，上有隔水层，下部与基岩裂隙水相通，基岩裂隙水赋存于中等风化带中，水动力特征不均匀，补给来源主要为含水层侧向补给和上部垂直补给，具承压性。

2 TBM 过断层破碎带施工的风险分析与关键技术

2.1 TBM 过破碎带施工的风险分析

TBM 过破碎带段地质复杂，根据设计采用单护盾TBM 穿越，穿越段地层主要为凝灰岩，围岩等级为Ⅱ～Ⅴ级，其中包含4处断层破碎带，10 处节理密集带，有地下水富集；施工过程中，存在掌子面坍塌、卡机、涌水涌泥和衬砌渗漏水等风险。

2.2 关键技术

（1）设备要求。根据围岩情况，选择单护盾TBM 掘进机用于本工程区间施工，由于区间存在断层破碎带和节理密集区，要求TBM 配置超前探测装置、超前注浆设备，主要用于近端探测及预注浆加固。

（2）超前地质预报。借助TSP 超前预报，对远端围岩情况进行判断，根据数据成果判断断层破碎带及其影响带位置，为超前地质钻探及预注浆施工提供技术支持。

（3）近端探孔。通过设备自带的超前探孔装置，对近端围岩情况进行探测，验证超前物探结果，根据探孔情况，及时采取预注浆等措施。

（4）预注浆。根据探孔成果，对近端断层破碎带及裂隙带采取注浆处理，对影响范围大于30m 的节理密集带以及断层带进行全断面帷幕注浆；达到止水、使破碎带形成整体结构的效果。

（5）掘进控制。通过阶段保持匀速、不停机策略，严格控制出土量，关注出渣情况，合理分配掘进分区压力，控制掘进姿态，破碎带界面存在岩面强度不均情况，出现姿态偏离时遵循多次少量纠偏的原则。

（6）壁后回填。通过阶段，要对管片壁后及时进行回填，满填空腔，稳定衬砌，阻止地下水，稳定围岩。

3 TBM 过破碎带的施工技术

3.1 工艺流程（见图1）

图1 TBM 过破碎带施工工艺流程

3.2 设备关键参数

设备正常推进理论推力21420kN，设计最大推力81895kN，刀盘设计考虑标准、不均匀、偏心、脱困四种负载工况下刀盘受力情况。

通过有限元验算。刀盘的最大应力出现在不均匀负载工况，最大应力为110.3MPa，位于支撑板和刀盘背板的交接处，此处设计钢板厚度为80mm，其屈服强度许用应力值[δs]≧263MPa，大于110.3MPa；最大变形出现在偏心负载工况，最大变形量约为1.75mm，整体变形很小。在标准工况下，刀盘的最大应力为90.4MPa，远小于屈服强度许用应力263MPa，安全余量充足，刀盘应变量约为0.49‰，变形非常小。可得出TBM 刀盘的强度和刚度都满足地质条件要求。

3.3 超前地质预报

TSP 超前地质预报主要服务于中长距离预报，预报长度一般为150~200m。通过在管片吊装孔及预埋注浆孔位置布设18 个激发点，在激发点附近设高精度三分量接收器和主机，人工激发地震波，根据接收器接收的信息及主机中形成的地震波记录，对采集的数据处理，获得掌子面前方地震波的时间剖面、岩层的反射层位等成果资料及二维和三维空间分布情况，分析掌子面前方岩层分布、断层位置、破碎带影响宽度，地下水及其他不良地质体发育情况。通过预报成果与勘察数据进行对比修正，如果存在较大差异，需要通过HSP 声波反射法进行进一步验证。

图2 TSP 预报原理

超前地质预报为远端探测技术，为掘进提供水文及不良地质体发育情况，为近端处理提供空间依据。

3.4 近端探孔

根据地质预报成果，当掌子面距离不良地质体15~20m 距离时，利用设备自带的超前钻孔装置，延开挖面轮廓范围打水平钻孔，水平向设7 个孔，周向设 12 个孔，周向钻孔倾角 7°~10°，钻孔直径50mm，钻孔长度20~30m，共计19 个，通过钻孔取样，对比验证地质预报成果，对掌子面前方断层破碎带发育情况及影响宽度做出准确判断。

3.5 预加固

预加固的目的是通过注浆有效阻断断层破碎带处的水力联系，同时使破碎带通过浆液粘结形成相对整体，避免TBM 过破碎带时掌子面外围水压过大，造成涌水事故，同时防止破碎带处岩体整体性差，掘进受力不均，造成卡机的风险。

根据钻孔成果，对不良地质段进行预加固处理，注浆距离不小于20m，加固范围为破碎带纵向影响宽度及前后10m，破碎带处隧道轮廓范围及径向3m 范围，利用超前钻孔点，注浆管安装角度为7°~9°，配置2 台注浆设备，注浆设备满足水泥浆和水泥水玻璃浆的注浆要求，注浆压力应大于实测水压0.1~0.2PMa，一般采用42.5 级水泥浆，按1:1 配置，适当添加硫铝酸盐速凝剂，若发现前方地下水富集，水压较大，可采用水泥水玻璃液浆，水玻璃稀释后的波美度控制在35~40Be。注浆过程中，从两侧钻孔朝向拱顶进行对称注浆，以避免出现串浆或漏注的情况。

3.6 掘进控制

设备的最大推力为51895kN，主驱动脱困扭矩为20394kN·m，刀盘进入破碎带影响区域前，放缓掘进速度，控制在20—30mm/min，记录进入前后主驱动扭矩、推力、出渣情况变化，把理论计算出渣量与实际推进行程和实际出渣量进行比对，分析是否存在塌方情况，若出现刀盘转动困难，扭矩陡增情况，要考虑是否存在孤石或者刀盘卡顿风险。

破碎带区域掘进存在岩面软硬不均，党姿态偏离设计轴线过大时，要进行缓慢纠偏，坚持多次少量纠偏原则，充分利用设备的铰接系统和调节分区压力的方式调整姿态，必要时通过安装管片转弯环配合纠偏，在纠偏的过程中一定要密切关注管片的破损情况，加强盾尾间隙测量，实时调整掘进参数。

3.7 支护回填

当管片成环后，对拱底90°范围进行C20 细石早强混凝土回填，使管片快速稳定，上部270°范围先进行5~10mm 豆砾石吹填，然后进行水泥浆灌注。豆砾石吹填遵循先底部、再两侧，后拱顶的吹填原则，避免出现架空，豆砾石吹填完成后，采用水泥浆进行灌浆固结，配比通过实验确定，添加适量的微膨胀剂，浆液应具有良好的抗水分散性和可注性，破碎带处浆液中添加早强剂，缩短初凝时间，获得早期强度，浆液固结28d 强度不小于2.5MPa，注浆时对注浆量和注浆压力同步管理，注浆压力达到设计压力、注浆量达到设计注浆量80%时结束注浆，注浆压力高于掘进面水压0.1~0.2MPa，破碎带处豆砾石和注浆填充系数按150%~250%计算，注浆质量通过超声波探测法进行检验，对物探异常部位，进行钻孔验证，完成注浆后，对注浆孔进行聚合物砂浆填充密实。

4 结束语

TBM 过破碎带是山岭隧道施工的难点，能否顺利通过关系到整个工程的成败，本文以滨海快线TBM 过断层破碎带为背景，提出了安全有序的通过断层破碎带的关键技术，认为在充分收集工程地质及水文条件的基础上，借助超前地质预报技术+近端探孔+预注浆处理是TBM 过破碎带施工的关键，本文提出的远端预报结合近端探孔取芯和预注浆技术，对TBM 过破碎带施工是一种新的思路，希望对TBM 通过不良地质技术手段的进步与发展有所帮助。