TBM穿越斷層破碎帶及軟弱夾層施工技術

藺鳳林 新疆水利水電勘測設計研究院

1.工程概況

X E3-1隧洞全長11.596k m，采用T BM方式進行開挖，T BM從3#支洞向下游順坡掘進，開挖洞徑7.8m。

該段位于阿爾泰山南麓侵蝕構造中山區及低山丘陵區，地形開闊、略起伏，分布高程877～1140m，相對高差約260m。隧洞沿線基巖多裸露，巖性為華力西期變質黑云母斜長花崗巖、花崗斑巖等，次塊狀～塊狀構造，巖石堅硬，較完整。巖性復雜、多變。

2.斷層破碎帶、軟弱夾層地質特征與TBM施工風險

2.1 斷層破碎帶、軟弱夾層地質特征

引水隧洞中，在樁號52+721～52+756段，近平行發育3條斷層，產狀：38-48°SE∠35～50°，斷層帶寬分別0.3～1.5m,影響帶寬分別1～3m,斷層面均平直～起伏、粗糙，斷層帶內見有斷層角礫巖、擠壓碎裂巖及斷層泥，沿著斷層面見1～2mm的泥膜，長度＞10 m，斷層走向與洞線夾角呈大角度相交,貫穿洞室，斷層間距6～8m。從斷層擠壓面上初步判斷，該斷層為正斷層，上盤巖性受擠壓作用，糜棱巖化明顯，表面遇水軟化。造成斷層破碎寬度大，巖體強度低，破碎帶內裂隙發育，結構面互相交錯切割，層間結合力差，局部巖石沿裂隙面卸荷明顯，導致圍巖穩定性差，施工過程中塌方頻發。對洞室穩定影響較大。

在樁號52+747～52+755段TBM左側撐靴位置見有1～3m的軟弱夾層，主要成分是黑云母、暗色礦物富集發育，局部受斷層構造影響糜棱巖化明顯。撐靴位置軟弱夾層導致撐靴支撐力不夠,對掘進影響很大，經處理之后，順利通過。

在樁號52+838～52+849段發育NE向斷層，產狀：55°NW∠65～70°，斷層帶寬11m，斷層面起伏、粗糙，斷層帶以擠壓碎裂巖、斷層角礫巖及斷層泥為主，斷層面見1～5mm的泥膜，帶內可見褐鐵礦化和綠泥石化蝕變現象，上半洞巖體破碎嚴重，強度低，層間結合差，多呈松散碎塊石坍塌掉落，兩側洞壁撐靴位置形成垮塌。斷層與隧洞走向呈大角度相交，貫穿洞室，對洞室穩定性影響較大

2.2 TBM施工斷層破碎帶、軟弱夾層的風險

TBM在斷層破碎帶及大的軟弱夾層掘進過程中,發生頻率最高的工程地質災害主要有圍巖塌方、圍巖失穩、涌水、隧洞圍巖大變形及撐靴支撐力不夠等。會造成以下事故:刀盤無法轉動,出現卡機現象。軟弱夾層導致撐靴支撐力不夠,會使撐靴打滑，TBM持續掘進時會持續震動，導致軟弱巖體發生滑移和墜落影響無法掘進。頂護盾及刀盤上方塌腔的發生，引起地質應力分布不均，導致部分鋼拱架及鋼筋排嚴重變形及混凝土開裂等初支破壞現象。

隧道穿越斷層破碎帶及軟弱夾層過程中，圍巖自穩性較差，塌方災害頻發。塌方災害在TBM掘進過程隨時發生，主要發生在隧道拱肩至拱頂位置，且塌方規模較大。整個斷層破碎帶區域均潛在塌方風險。

3.斷層破碎帶、軟弱夾層對TBM施工的影響

TBM 掘進技術與地質條件關系十分密切，地質條件的好壞直接影響TBM的效率，TBM 對斷層破碎帶、軟弱夾層等不良地質條件的適應性較差。這些不良地質條件對TBM掘進會產生較大影響,具體影響如下所述。

一是TBM掘進過程中易在掌子面前方及護盾頂部形成掉塊、塌方，會造成TBM卡機現象。露出護盾圍巖形成的掉塊、塌腔，在施工過程中極易對人員、設備安全造成威脅。

二是TBM掘進斷層破碎帶、軟弱夾層時，對破碎帶圍巖擾動大，極易導致拱頂及邊墻圍巖松動,圍巖自穩時間短，施工流程銜接不當，極易形成掉塊或規模較大的塌方，邊墻圍巖差導致撐靴支撐力不夠,不能提供TBM掘進所需的足夠的支撐力。

三是TBM在斷層破碎帶、軟弱夾層掘進時，因圍巖軟硬不均,導致刀盤旋轉時易產生震動,影響刀具的使用壽命；因圍巖軟硬不均,將會影響掘進速度，出渣量忽大忽小，對皮帶機運轉造成一定影響。

四是斷層破碎帶、軟弱夾層會導致TBM掘進作業時間利用率降低,一旦發生災害將對工程施工成本和進度造成較大的影響，頻繁的塌方將導致支護量、人工清渣時間及輔助工作量增加，使掘進效率降低。甚至有可能出現TBM損壞和難以順利通過的情況。

4.穿越斷層破碎帶、軟弱夾層施工支護方法

4.1 施工支護策略

斷層破碎帶及軟弱夾層的處理，直接影響TBM的施工安全及掘進效率，在該段隧道斷層破碎帶、軟弱夾層地質特征的基礎上，針對性制定了“先探測、預加固、換填、合理選用掘進參數、及時加強支護、緊封閉、勤量測”的施工支護策略。

4.2 施工過程中斷層破碎帶、軟弱夾層預報與預測

（1）超前地質預報。斷層破碎帶、軟弱夾層區域地質條件復雜，采用物探超前地質探測方法，對輸水隧洞掌子面前方的圍巖地質條件及地下水賦存情況進行探測。在此基礎上結合地表地質測繪以及洞內地質素描綜合分析掌子面前方圍巖地質條件。及時采取超前支護措施加固圍巖。

（2）TBM 掘進參數。在不同的地質條件下,TBM掘進時的推力、貫入度、掘進速度、刀盤轉速、刀盤扭矩和撐靴壓力等掘進參數是不同的。要根據掘進中部分掘進參數的相對變化,了解前方圍巖的變化情況，通過推進壓力的大小可推知圍巖強度情況,通過刀盤扭矩的大小可推知圍巖的完整性情況。當遇到斷層破碎帶時，刀盤推力突然下降，貫入度增大，刀盤扭矩增大，從而及時調整TBM的掘進參數或采用其它措施,使TBM安全通過。

（3）TBM出渣情況。當TBM掘進進入斷層破碎帶、軟弱夾層時，TBM 輸送機皮帶的渣量會極速增多的同時，渣粒的大小直徑都會超過20cm。結合圍巖出露特征、皮帶出碴量的情況和掘進時的異常情況對前方地質情況進行了綜合判斷,較好地探明了前方破碎帶的情況。

4.3 施工支護流程及技術要點

（1）提前預加固。掘進時地質災害主要發生在斷層破碎帶、斷層影響帶、軟弱結構面及節理密集帶發育段。刀盤前面圍巖破碎時，塌腔一般會在刀盤前方掌子面及護盾頂部發生，TBM掘進的情況下，出碴量很大。此時刀盤脫離掌子面，極有可能形成更大的塌腔。此時停機，護盾上方破碎圍巖會把護盾壓死或卡死刀盤。

預加固目的是通過注漿有效阻斷斷層破碎帶裂隙水的貫通性,同時使破碎帶破碎圍巖通過漿液固結形成相對整體,達到一定強度，避免出現涌水、卡機現象。

結合TBM所配備的超前鉆機、鉆注一體機。根據超前鉆孔成果,判斷前方的地質情況是否適合TBM掘進,若適合,則繼續向前掘進;反之,則需對前方不良地質地段進行預加固。結合注漿設備,對隧道前方斷層破碎帶的圍巖進行超前預注漿和超前管棚注漿加固。注漿前,為防止掌子面出現圍巖坍塌和漏漿,可利用TBM自身配備的噴射系統在刀盤開挖后噴射一層混凝土。在進行注漿前,先用水沖洗鉆孔,注漿時,為防止串漿和漏注,可先從兩側的鉆孔向拱頂對稱注漿。

（2）調整合理TBM掘進參數掘進。TBM掘進參數是控制掘進速度的重要因素，掘進參數指標隨圍巖條件的變化而不斷變化。掘進參數選擇得當、合理匹配，才能有效提高TBM掘進效率。當TBM參數突然變化時，要及時調整TBM的掘進參數，掘進參數的選擇主要根據出渣情況確定刀盤的轉速，在無大塊石渣出現，掘進過程中無塌落時，一般選擇高速掘進。若有大塊石出現并伴有圍巖塌落，一般選擇低速掘進。這樣做，一方面是減少刀盤對周圍圍巖體的擾動，另一方面是控制皮帶機的出渣量，避免因出渣過快，石塊過大，造成皮帶機故障。必須時采用人工清除大量的底碴。

繼續向前掘進。首先采用短進尺、較低轉速、低扭矩、小推力、大貫入度掘進。掘進控制。通過階段保持勻速、不停機策略,嚴格控制出土量,關注出渣情況,合理分配掘進分區壓力,控制掘進姿態,破碎帶界面存在巖面強度不均情況，出現姿態偏離時遵循多次少量糾偏的原則。該段TBM掘進參數如表1所示。

表1 TBM掘進Ⅲb、Ⅳ 圍巖時參數

（3）及時加強支護。破碎圍巖露出后，自穩時間很短。受斷層及裂隙結構面組合切割極易引起大的掉塊及塌腔，掉塊及塌腔位置在拱肩及拱頂最常見。錨桿、網片、噴護等支護措施往往無法起到有效支撐作用。

圍巖漏出護盾第一時間采用增設鋼支撐和加強支護能力等方式,保證已支護段圍巖穩定，減少已支護段變形。

一般斷層破碎帶洞段,漏出護盾拱頂圍巖部位，及時打錨桿、掛網片及噴射混凝土等支護措施。

嚴重斷層破碎帶洞段,漏出護盾圍巖采用加密HW150型鋼拱架，中心間距控制在45cm安裝，拱架間采用12槽鋼焊接，環向360°布設，間距1米，與HW150型鋼連接為滿焊，鋼筋排采用φ20mm單槽4根進行支護。

（4）撐靴位置支撐力不足的解決方法。在斷層破碎帶、斷層影響帶、軟弱結構面及節理密集帶發育段掘進時，由于巖體的自穩能力差，巖體破碎、強度低，受TBM設備掘進時的振動，使得撐靴位置圍巖引起松動，導致撐靴位置圍巖出現塌腔、掉塊、造成撐靴部位圍巖失穩，圍巖失穩會導致對圍巖的二次擾動，造成塌穴，不能給TBM撐靴提供有效的支撐力、嚴重時會引起更大范圍的塌腔等災害。

依靠撐靴對隧道反力而獲得向前的推力，撐靴部位圍巖軟弱、松散時，受撐靴擠壓而發生滑塌。但必須對滑塌的撐靴部位進行換填、打錨桿注漿，以提高圍巖的強度。

（5）快速噴射混凝土封閉。斷層破碎帶、軟弱夾層的噴射混凝土非常重要。支護穩定后，并施作注漿管，立即進行拱架間混凝土噴射作業，成環后立即噴射C30混凝土，厚度為20cm。噴射混凝土必須填充巖面空洞、裂縫,在鋼拱架地段,鋼架與圍巖之間空隙必須用噴射混凝土填充密實。對塌腔部位，填滿空腔,穩定圍巖。

（6）加強圍巖觀測。圍巖漏出護盾后已掘進段，由于斷層破碎帶及軟弱圍巖的自穩能力差，圍巖的松弛變形積累達到足夠大時，初期支護無法支持圍巖的壓力，導致支護體系發生變形甚至破壞。其主要表現為噴混凝土開裂，鋼拱架扭曲，拱架下沉等。已掘進破碎段及軟弱圍巖段，加強圍巖觀測。

出露護盾尾端5米的加固范圍埋設變形監測點，隨著設備不斷向前掘進，每掘進5米增設監測點，每天觀測3-4次數據，及時匯總分析，確定支護系統是否穩定。并設專人觀測掌子面掉塊位置及頻次，分析刀盤轉動對巖體的影響程度。

通過對圍巖面變形的及時觀測，獲得圍巖變形的動態信息，再通過觀測數據分析，提出正確的支護方式指導工程施工。

5.結論

通過開展超前地質預報預測、預先加固圍巖、選用合理TBM掘進參數掘進、及時加強支護，降低對圍巖的擾動；及時噴射混凝土封閉圍巖，提高圍巖表面強度，保障圍巖穩定性；以上方法組合，很大程度上減少了TBM穿越斷層破碎帶施工期間的風險。此外，在隧道開挖過程中，開展圍巖收斂觀測，關注圍巖沉降和變形，保障施工安全性。