敞开式TBM穿越富水砂化断层破碎带施工技术研究

胡新朋，王振飞，王亚锋

（中铁隧道股份有限公司，河南 郑州450001）

1 概述

因断层的复杂构造成因，使其具有极为多样的赋存条件，其地质特性和水文特征决定了在隧道工程建设时能否诱发突泥涌水、变形、坍塌等事故［1-2］。尤其富水断层破碎带岩体裂隙发育，介质松散破碎，胶结性差，具有丰富的水源补给，特别是在动水条件下极易引发突泥涌水事故，严重影响工程建设的安全与质量［3-4］。

全断面硬岩隧道掘进机（TBM）在富水砂化断层破碎带不良地质段掘进时，适应性差，极易出现以下事故：掌子面突泥涌水、刀盘无法转动、出现卡机事故、盾体抱死、脱困处理困难等［5-6］。另外，护盾及刀盘上方塌腔的发生引起地质应力分布变化，致使部分钢拱架及钢筋排因围岩收敛发生严重变形，护盾顶部压力已达到设备极限值，支护变形将进一步减少人工作业空间，限制卡机处理设备的使用，增加处理难度；断层破碎带大多富水，水和渣体、破碎岩块从掌子面和护盾外侧不断涌入洞内，威胁施工人员和设备安全，容易造成隧洞塌方等事故，影响施工安全和工期。

以大瑞铁路高黎贡山隧道出口段施工为例开展施工技术研究。高黎贡山隧道出口段主要采用TBM+钻爆法联合施工，正洞、平导TBM段分别采用开挖直径9.03、6.39 m（变更后）的敞开式TBM掘进施工，其中正洞TBM掘进长度12 546 m、平导10 623 m。出口施工段主要地层岩性为燕山期花岗岩、中泥盆系回贤组白云岩、断层角砾、物探Ⅴ级异常带、志留系中上统灰岩、白云岩夹石英砂岩［7］。花岗岩地段石英含量35%～60%，岩体单轴饱和抗压强度4.6～65.2 MPa。主要发育广林坡断层、老董坡断层、塘房断层、傈粟田断层等4条断层和2段蚀变岩带。预测软岩大变形段落总长410 m，轻微岩爆段落180 m。TBM掘进段地下水以基岩裂隙水为主，出口段预测最大涌水量约1 887 m3/h。隧道地质纵断面见图1。

图1 高黎贡山隧道地质纵断面图

2 施工数据分析

2.1 卡机/停机情况分析

高黎贡山隧道出口TBM段受深大活动断裂及多期岩浆侵入蚀变等影响，岩体遭受多重地质构造破坏，陡倾节理、裂隙发育，岩体破碎，区内降雨量大，地下水下渗深度大，隧道洞身节理密集破碎风化带发育，其分布不规律、不连续，围岩变化频繁。节理密集破碎带岩体呈强风化碎块状、碎石、角砾状或全风化砂砾状，部分风化蚀变成黏土，围岩稳定性差，遇水易掉块或垮塌，呈松散碎块状堆积体或砾砂质浑浊泥石流状，易造成掉块坍塌、失稳溜坍等情况。

受制于极端复杂不良地质条件影响，截至2019年7月，2台TBM掘进累计发生卡机/停机多达17次，其中正洞6次、平导11次。TBM卡机/停机主要由于围岩整体破碎、糜棱化严重，遇水呈流塑状大量流出，致使TBM无法掘进，后跟随岩块掉落，“抱死”刀盘、盾壳、压停皮带机，给施工人员和设备带来安全隐患，增加工程成本和工期不确定性［8］。正洞和平导TBM卡机/停机情况统计见表1、表2。

针对正洞和平导TBM卡机/停机的原因进行统计分析，不良地质段造成TBM卡机/停机主要包括：掌子面垮塌刀盘被卡、掌子面垮塌/突涌扭矩超限无法掘进、掌子面垮塌/突涌出渣量过大压停皮带机、盾体被“抱死”无法掘进、拱顶持续垮塌停机处理等。经常是多种因素共同作用造成TBM卡机/停机，但归集为一点即富水砂化断层破碎带不良地质的特性致使TBM掘进通过时不得不做好设备被卡或停机处理的施工准备。

表1 正洞TBM卡机/停机情况统计

表2 平导TBM卡机/停机情况统计

通过归纳法对上述不良地质长度数据进行分析研究，以正洞TBM前5次卡机/停机、平导TBM前10次卡机/停机相对应的不良地质长度数据为样本，其数据的离散情况见图2，选取该2组数据中的有效数据求均值，结果见图3。

正洞TBM直径φ正=9.03 m，掘进通过富水砂化断层破碎带TBM卡机/停机的平均长度L正=42.00 m；同理，平导TBM直径φ平=6.39 m，掘进通过富水砂化断层破碎带TBM卡机/停机的平均长度L平=29.89 m。二者数值关系见表3。

图2 TBM卡机/停机处理不良地质长度数据离散图

通过数学归纳及表3数据整理可得，L≈（4.6～4.7）φ，即掌子面前方不良地质（富水砂化断层破碎带）长度是TBM直径的4.6～4.7倍时，极有可能造成TBM卡机/停机；另外，正洞和平导TBM均有1处不良地质段非正常长度造成TBM卡机/停机，即说明极其不良地质造成TBM卡机/停机的风险需具体分析和研究。

2.2 卡机情况下的施工参数分析

根据现场施工数据（见表4）进行分析总结，出现以下情况时卡机概率增大：

图3 TBM卡机/停机处理不良地质长度均值

表3 TBM直径与不良地质段长度数值关系

（1）高黎贡山隧道强～全风化花岗岩、节理裂隙发育地层，正洞TBM推力低于8 000 kN，平导TBM推力低于5 000 kN；说明围岩强度极低，若地下水发育、围岩整体性差，则极易出现溜坍卡机。

（2）高黎贡山隧道强～全花岗岩、掌子面围岩岩体破碎、易掉块垮塌、完整性差、稳定性差时，正洞TBM扭矩＞9 000 kN·m、平导TBM扭矩＞3 500 kN·m时，卡刀盘概率较大。

（3）高黎贡山隧道花岗岩地层围岩节理裂隙发育、岩体破碎、易掉块，坍塌时顶护盾压强为：正洞＞18 MPa、平导＞15 MPa，如不能稳定且持续上涨，卡护盾概率较大。

表4 掘进参数与卡机关系

2.3 TBM卡机/停机预警模型

基于以上数据和分析研究，提出1种该不良地质条件下TBM施工通过时出现卡机/停机的预警模型。

约束条件：顶护盾压力极值F1、支护结构受力变形极值F2、TBM最大推力F3、刀盘扭矩TC、围岩应力分布FN。

预警模型：

式中：FN为TBM穿越富水砂化断层破碎带所受水土压力，与γsHS成正比，kN；L为盾体长度，m；fk为TBM盾体与围岩平均摩阻力，kN/m2；k'为侧向水土压力系数；D为刀盘开挖直径，m；γs为土体重度，kN/m3；HS为覆土厚度，m；F*为后配套拉力，kN；k为刀盘驱动扭矩计算常数；N为滚刀刀刃数量；FR为每把滚刀的扭矩，kN·m；F额为每把滚刀的额定扭矩，kN·m。

由模型分析可得：

（1）F1≥FN，可保证护盾不被破碎围岩压垮变形，保证盾尾施工安全，钢筋排和钢拱架正常安装；

（2）F2≥FN，可保证初支结构稳定，不会因初支变形或超限、垮塌导致停机处理；

（3）F3≥πRLfk+k'πD2γsHS/4+F*，可保证TBM最大推力满足克服刀盘前方侧向水土压力、盾体与围岩的摩阻力和后配套拉力的需求，确保盾体不被“抱死”；

（4）Tc≥kNFRD∩FR≤F额，既可保证刀盘驱动扭矩能够克服掌子面垮塌挤压阻力，刀盘不被卡；又可保证每把刀具的扭矩处在额定扭矩范围内，不会因单把刀具损坏导致停机处理。

该模型对TBM通过富水砂化断层破碎带施工具有一定指导意义，可结合工程地质勘察设计资料和主机参数等数据进行数学验算，研判掌子面前方地质对TBM施工的影响程度，并以此超前谋划施工方案和准备应急物资，降低卡机/停机发生的概率。

3 TBM通过富水砂化断层破碎带的应对措施

3.1 超前地质预报

提前做好超前地质预报探测，多种预报措施并举、长短结合（见图4），以确定不良地质段边缘、长度、风化破碎程度及富水情况等，并根据超前预报结果，提前调整加固措施和储备洞内应急物资，指导后续施工［8］。

图4 超前地质预报

3.2 应对措施

3.2.1 化学灌浆

化学灌浆是利用注浆泵压力将化学灌浆材料灌注到岩体裂隙中，改良小体积断层破碎带，提高自身黏聚力，达到使松散或破碎围岩固结成整体的效果，为安全支护赢取有利时间和空间，最终使TBM顺利通过不良地质段。结合某段相关地层TBM施工受阻处置对该法进行说明。

（1）地质情况。尾盾脱离后实际揭露围岩以花岗岩为主，粗粒状，整体破碎，自稳性差，围岩强度较低（手捏可碎），遇水软化蚀变。刀盘前方及上方发生大面积垮塌，盾尾及刀盘上方、前方可见处为松散破碎岩渣，预估松散体厚度3～5 m，揭露围岩富水、散水成线状或滴状遍布已揭露围岩。掘进过程中掌子面拱部垮塌渣体涌入刀盘，出渣量大，致使皮带频繁压死，导致掘进困难。

（2）处置措施。TBM受困主要为刀盘区域围岩垮塌形成空腔且拱部岩体自稳能力差，掘进过程持续垮塌出渣量大皮带易压死，导致掘进困难，此次脱困以刀盘周边渣体清理、围岩超前加固、空腔回填为主，采取措施如下：①向刀盘上方打设灌浆管对空腔灌注混凝土回填；②对刀盘内部及周边渣体进行清理；③自盾尾或刀盘内打设注浆管对刀盘周边及前方围岩进行化学灌浆加固；④揭露围岩满铺钢筋排、加密钢拱架、增加拱架之间连接工字钢、撑靴部位模筑混凝土及其他部位应急喷浆封闭、破碎段围岩径向注浆加固等措施加强支护。注浆管布置示意见图5，围岩加固效果见图6。

图5 注浆管布置示意图

（3）应用情况。化学灌浆在高黎贡山隧道平导应用11次、正洞应用5次。化学灌浆主要在围岩破碎节理裂隙自稳性差、岩体砂化富水泥化易掉块、坍塌、溜塌地层刀盘盾体区域加固围岩时使用，通过化学灌浆主要固结刀盘拱部松散破碎围岩，对线状、小股状

图6 围岩化学灌浆加固效果

出水进行封堵，防止地下水进入刀盘内软化松散破碎围岩，达到改善围岩稳定性的目的。

3.2.2 循环管棚

管棚支护刚度较大，施工时如发生塌方，管棚起到临时支撑坍方体的作用。管棚不仅是TBM受阻处理的一种手段，也是对已探测破碎围岩预加固的处理手段，可有效降低TBM卡机风险。结合现场某段相关施工受阻处置对该法进行说明。

（1）地质情况。盾尾揭露围岩为似斑状花岗岩，岩体风化程度高，右侧大面积呈碎屑、碎石状，围岩松散破碎，稳定性差，节理裂隙发育，地下水发育，以淋水为主，局部股状出水。掌子面出现局部坍塌现象，右侧整体呈碎屑状，夹杂块石，刀盘及盾壳处局部塌腔。掘进过程中掌子面持续垮塌，出渣量大，皮带易压死，掘进困难。

（2）处理措施。TBM掘进受阻主要由于掌子面围岩风化程度高、自稳能力差，掘进过程中持续垮渣，出渣量大致使刀盘扭矩大，导致掘进困难，因此不良地质以超前管棚加固为主。采取措施如下：①暂停掘进，施作超前钻孔对前方地质详细探测；②自盾尾或刀盘内打设管棚及注浆管灌注化学浆液，对拱部刀盘周边松散破碎围岩加固及掌子面前方围岩预加固；③护盾上空腔处初喷混凝土封闭及灌喷混凝土回填；④掘进过程中按照超前支护方式分段加固、分段掘进。循环管棚加固示意见图7，注浆加固及撑靴模筑见图8。

（3）应用情况。循环管棚在高黎贡山隧道平导应用5次、正洞应用3次。循环管棚主要在围岩破碎节理裂隙自稳性差、岩体砂化富水泥化易掉块、坍塌、溜塌范围较长的地层使用，通过超前管棚及注浆对刀盘前方拱部松散破碎围岩进行棚护及加固，增强围岩稳定性，达到改善围岩整体性、自稳性，保证TBM正常掘进。

图7 循环管棚加固示意图

图8 注浆加固及撑靴模筑

3.2.3 导洞开挖

当断层破碎带较大、采用注浆加固及管棚施工无法完成TBM脱困时，根据现场实际情况，采取在护盾顶部人工开挖小导洞，在靠近刀盘时向两边扩挖，对刀盘上方、前盾顶部的积渣进行清理，减少刀盘转动阻力至扭矩回复正常。同时利用导洞，施作超前管棚对前方不良地质围岩进行超前加固，完成后TBM掘进通过。结合现场某段相关地层施工受阻处置情况对该法进行说明。

（1）地质情况。揭露围岩均为粉细砂，所有刀孔均为细沙状颗粒物，掘进过程中不能自稳，持续垮塌，该段盾尾揭露围岩为花岗岩，弱～强风化，拱部及右边墙局部破碎掉块，地下水不发育。受不良地质围岩挤压，致使护盾被“抱死”。进行脱困处理过程中地质情况恶化，小导洞拱顶位置突然出现小股状出水，掌子面强风化粉砂状岩体遇水软化，呈流沙状不断涌出。

（2）采取措施。TBM受困主要是不良地质围岩收敛TBM盾体“抱死”，进行脱困过程中地质恶化导致刀盘卡死，因此以TBM盾体、刀盘脱困及前方不良地质加固为主。采取措施如下：①在盾尾下部打设超前探孔进行地质探测（兼做泄水孔），平导至正洞打设泄水孔；②在盾尾、刀盘内对护盾区域围岩加固；③自盾尾开挖小导洞并进行环向扩挖形成管棚工作室；④在管棚工作室内设置管棚导向墙进行超前管棚及超前注浆施工；⑤对刀盘上方和护盾周边积渣进行清理，完成设备脱困；⑥导洞揭露护盾后回填混凝土、砂浆、注浆回填密实；⑦撑靴部位模筑混凝土，导洞及破碎段满铺钢筋排并喷浆封闭，拱架纵向型钢连接，破碎段径向注浆加固并施作泄水孔。小导洞及管棚工作室开挖见图9，管棚及管棚导向墙施工见图10。

图9 小导洞及管棚工作室开挖

图10 管棚及管棚导向墙施工

（3）应用情况。导洞开挖在高黎贡山隧道平导应用4次、正洞应用3次。导洞开挖主要在围岩整体破碎垮塌且长段落不良地质或已发生卡机时使用，通过在护盾上方施作小导洞并进行扩挖，在小导洞内施作超前管棚对前方不良地质进行超前支护及注浆加固，同时对刀盘周边、盾体区域积渣进行清理，减小刀盘转动阻力及护盾摩擦力，达到TBM脱困及长距离管棚注浆加固改善围岩使TBM安全快速通过的目的。

3.2.4 迂回导坑

在TBM施工过程中遭遇大规模、长距离、富水断层破碎带，常规（管棚+导洞）措施无法有效进行处理，采用迂回导坑绕行至不良地质前方钻爆法完成不良地质段开挖，TBM步进通过，降低施工风险。结合现场某段相关施工受阻处置对该法进行说明。

（1）地质情况。盾尾揭露围岩为块状花岗岩，岩体风化程度高，呈粉砂状，稳定性差，围岩沉降形成错台造成TBM护盾“抱死”，地下水发育。掌子面围岩强～全风化，遇水泥化发生溜塌，同时隧道周边岩体泥化、高压富水造成超前预加固钻孔困难，同时出现突泥涌水造成局部段隧道坍塌掩埋。

（2）处理措施。TBM卡机主要由于岩体风化程度高、遇水泥化造成钻孔困难无法施作管棚，同时隧道周边高压富水TBM掘进通过安全风险大，无法采用常规就地超前加固TBM掘进的方式处理，因此不良地质采用迂回钻爆法处理TBM步进通过方式。采取的主要措施如下：①在TBM设备尾部平导右侧平行于平导开设1条小断面导坑；②采用“先探后挖”的原则将导坑开挖至不良地质前方，开设横通道迂回至平导隧道内；③进入平导后采用“先探后挖、先加固后开挖”的原则完成不良地质段开挖；④TBM完成脱困，步进通过不良地质段。迂回导坑施工示意见图11。

图11 迂回导坑施工示意图

（3）应用情况。迂回导坑在高黎贡山隧道应用1次。迂回导坑主要在大规模断层破碎带或常规超前管棚、注浆加固措施无法实施时使用。TBM掘进无法通过或通过风险性较高的地段，从主洞内迂回导坑至断层处，采用钻爆法提前完成断层开挖，达到降低施工风险、保证TBM安全顺利通过断层的目的。

3.3 监控量测

加强支护完成后，及时布设量测点，隧道内每5 m布设1个监测断面（存在不利组合结构和软弱夹层部位或结构面抗剪强度较低部位加密设置监测断面），每个监测断面包括1个拱顶下沉测点和2个拱腰水平收敛测点（见图12）。

施工现场监控量测实行预警管理。预警控制值：黄色预警（5 mm/d＜变形速率＜10 mm/d或累计值达到75～150 mm时）；红色预警（10 mm/d＜连续2 d变形速率＜15 mm/d或速率＞15 mm/d或累计值＞150 mm）。管理等级及对应措施见表5。

图12 拱顶下沉和水平收敛测点布置示意图

表5 管理等级及对应措施

4 结束语

高黎贡山隧道TBM掘进施工多次通过富水砂化断层破碎带不良地层，通过分析TBM在该种地质条件下卡机/停机时的状况和施工数据，总结出TBM穿越该种地层时可能卡机/停机的施工标准，建立TBM穿越富水砂化断层破碎带时出现卡机/停机的预警模型，并给出相应通过措施。敞开式TBM在通过富水砂化断层取得了一定施工经验，但还有很多方面值得去探索。例如：化学灌浆材料对环境的历久影响是否满足工程建设环水保要求；新型拱架的研究，使其能够一次满足支护强度要求；刀具新型材料的研究，以便大幅提升TBM刀具的使用性能，提高经济效益。