TBM穿越断层破裂带施工技术

TBM穿越断层破裂带施工技术

摘 要 ：TBM掘进机由于其高效、安全的优越性能，在超长隧洞施工中得到越来越多的应用，但其对地质条件差的围岩较钻爆法适应能力差，遇到不良地质段时难以顺利穿越，容易发生TBM卡机事故, TBM卡机处理费时、费工成为制约 TBM快速掘进的主要因素之一。本文以新疆TBM项目部的引水工程为背景，详细介绍了TBM穿越断层破裂带带施工。

关键词：TBM 断层破裂带 卡机 脱困处理

引言

TBM掘进速度较快，但是目前超长隧洞前期地质勘探不准确，在遭遇较大断层破碎带容易发生TBM卡机事故。一旦发生TBM卡机事故,采取合适的处理措施与技术使TBM尽快脱困，穿越断层破裂带施工就成为一项重要的工作。本文总结中铁十六局新疆TBM项目的一次TBM穿越断层破裂带的施工经验，供类似事故处理时参考。

1 工程概况

TBM5-1掘进段施工里程146+646-137+840，全长8806m，该段位于阿尔泰山南坡低山丘陵区，地形略起伏、开阔，分布高程678-770m，相对高差约100m，地形为剥蚀丘陵地貌，地形略起伏。岩性主要为华力西期花岗岩、黑云母角闪斜长岩，次块状-块状构造，岩石中石英含量一般15-25%，岩石坚硬，较完整。洞内出水主要以裂隙水为主，个别地段存在少量涌水，设计最大出水量约540m³/h。

目前已掘进至138+207.7，剩余363.7m，该段设计岩性为华力西期花岗岩，Ⅱ类围岩，未显示为断层带。实际揭示围岩为华力西期粗粒花岗岩，肉红色，块状结构，坚硬岩。桩号138+220至上游处发育一条与洞轴线小角度相交的断层，产状10～15°NW∠60～70°，带宽3.0～5.0m，带内主要为断层角砾岩和碎裂岩，夹少量断层泥，结构松散，影响带宽20～30m，地下水发育，围岩遇水软化作用明显。断层出现在水流方向右侧边墙撑靴部位，向掌子面方向延伸，此段地下水发育，呈线状流水状态，约10～20m³/h。

2 TBM卡机情况及原因分析 2.1 卡机过程

TBM掘进至桩号138+207.7处，掘进参数突然发生变化：推力5000KN-8000KN、贯入度7-14mm/r、扭矩5000-6500kN·m，皮带出渣增大，洞渣为肉红色泥沙，粘性较大，随后刀盘被卡死，无法继续运转。出现此状况后，我部相关人员立即到主机位置并进入刀盘查看，刀盘已进入断裂带，护盾底部、刀盘刀仓及刀盘内出渣口均被泥沙堵死。项目部马上组织TBM专家及TBM技术人员对设备目前的状态进行分析，并制定出脱困方案。首先采用人工对刀盘内的洞渣进行清理，然后采用刀盘前方加护盾上方进行化学灌浆的方式对破碎岩石进行固结，最后TBM尝试进行脱困。

按照上述制定方案实施完成后，TBM刀盘顺利脱困，开始掘进施工，掘进2.3m后，皮带压力突然增大，扭矩报警，电机电流报警。我部相关人员立即到主机位置并进入刀盘查看，刀盘已经完全被塌方石渣堆积，松散渣体已经充盈铲斗，刀盘前方和侧向不同程度被塌落石渣的大块体楔嵌，前方塌方情况和空腔大小不明。随后我部采取不同措施多次脱困尝试，均未成功，最终判定TBM被卡。

2.2 卡机原因分析

由于隧洞穿越断层及较大的断层破碎带时，围岩稳定性差，常伴有断层泥、糜棱岩、基岩裂隙水等，岩石节理发育。这种围岩隧洞掌子面容易失稳,出现坍塌现象，加上断层内基岩裂隙水的“催化剂”作用，塌腔越来越大，坍塌渣体在刀盘上方越积越多，最后导致刀盘正向压力大，塌方破碎岩石挤压抱死刀盘，产生的摩擦阻力大于TBM刀盘驱动旋转扭矩使刀盘无法转动。随着监控面后移,护盾部分也被下落的坍塌碎石压死，从而发展为卡机。

3 TBM脱困处理

3.1 超前地质情况

为了摸清138+207.7前进方向的地质情况，为后续施工提供指导，在隧洞内塌方洞段掌子面采用地震波法对围岩破碎段进行了超前地质预测预报。探测范围138+210～138+110m，探测距离100m，综合预测、预报结论如下表3-1。

表3-1 138+210～138+110段地质预报结论

序桩号（m） 长度推 断 结 果 号 （m）

1 138+207.7～138+176 34 在反射图像上，出现明显的正负反射，推断该段落围岩较破碎，节理裂隙发育，易发生掉块或塌腔，应加强支护。

2 138+176～138+158 18 在反射图像上，出现零星的正负反射，推断该段落围岩完整性差，节理裂隙较发育，局部可能发生掉块或蹋腔，应及时支护。

3 138+158～138+110 48 在反射图像上，未出现明显的正负反射，推断该段落围岩较完整，局部可能发生掉块，应及时支护。

详见图3-1地震波成像图和图3-2地震波俯视图。

图3-1地震波成像图图3-2地震波俯视图

3.2 脱困总体措施

3.2.1护盾后方、尾部、护盾顶部，刀盘前方加固

（1）护盾后方加固：

对护盾后方已安装钢拱架段，在钢拱架间增加HWl50型钢的纵向连接，使拱架连成为整体。同时，施作锁脚锚杆，形成稳定的受力结构。喷射混凝土封闭后，打设φ32玻璃钢自进式中空锚杆，进行化学灌浆。 （2）护盾尾部加固：

用YT-28手风钻打φ32自进式中空注浆锚杆对护盾尾部至桩号138+207.7的部分用高强注浆材料对拱顶180°范围进行注浆加固。

（3）护盾顶部固结注浆：

在尾护盾朝掌子面方向，用YT-28手风钻打φ32自进式中空注浆锚杆，进行固结注浆，锚杆长度9-11m，打设范围拱顶240°，注浆孔与岩面角度为3°～7°，环向间距1.0m，实施过程中根据实际情况灵活布置，锚杆尾部3m范围开设注浆孔，孔径6mm，间距30cm。

图3-3 护盾后5m范围拱顶固结灌浆图3-4护盾体顶部240°固结灌浆

（4）刀盘前方加固：

根据刀盘前面围岩破碎情况，利用面刀、边刀、铲齿等空间，打设φ32玻璃钢自进式中空锚杆，进行化学灌浆。锚杆长度3m～3.5m，锚杆中部开设注浆孔，锚杆顶部和尾部各预留1m的长度不开设注浆孔，注浆孔孔径6mm，间距30cm，打设范围及角度根据现场实际情况确定，固结厚度约2m。

3.2.2 超前管棚及塌腔回填

（1）扩挖施工创造工作间：

经现场勘查，距护盾5m范围外围岩为花岗岩整体较完整，扩挖钻机工作间安全风险小。采用无声爆破炸药配合风镐人工对围岩进行扩挖，扩挖范围为124°，扩挖半径为4.9m，扩挖长度为3.5m，具体尺寸如图3-5所示。 图3-5扩挖段断面

（2）管棚钻机安装：

护盾周围固结灌浆完成后，安装管棚钻机台架与90A管棚钻机，管棚钻机通过托板及U型螺栓固定在前后两个弧形梁上。移动式钻机前部脱离前部弧形梁1，固定在悬臂梁上面，通过拱架拼装器旋转悬臂梁，带动钻机旋转，完成洞室上部120°范围内钻孔作业。钻机安装如图3-6所示。

图3-6钻机安装示意图

（3）管棚施工：

90A管棚钻机安装完成后进行管棚施工，管棚施工时采用YT-28钻机钻进1米，通过钻头反复冲击岩体形成孔洞，安装Φ127导向管，导向管长度为1米，外倾角4°，环向间距为40cm，安装完成后采用模具复核，无误后采用锚固剂对孔壁与岩体周围的间隙进行充填。导向管与岩壁间充填物终凝后采用90A管棚钻机进行安设管棚，管棚布置范围为顶拱120°，管棚材料为外径Φ108热处理调质管，单根长度为30m，环向间距为40cm。管棚内设置φ20小钢管+3*φ25钢筋束进行加强，详见图3-7管棚钢筋束布置图。

图3-7管棚钢筋束布置图图3-8管棚施工剖面图 （4）管棚注浆

考虑到注浆位置距护盾较近, 注普通水泥待凝时间长, 容易扩散到护盾上, 将护盾与岩体固结在一起。施工时注浆液选用水泥—水玻璃双液浆。因注浆体为松散岩体,不再进行注水试验, 防止松散体泥化。为防止注浆时漏浆注浆前用锚固剂将管棚和孔口之间缝隙堵塞牢固,管棚口与闸阀焊接牢固,注浆终结时关闭, 防止漏浆。注浆结束标准为：注浆终压达到2MPa，并稳压10min，在吸浆量小于3L/min时方可停止注浆。

3.2.3 塌方空腔回填

塌腔预估范围为TBM刀盘顶部上方9m，刀盘前方7m，拟采用轻型混凝土（珍珠岩）对塌腔进行回填。采用90A管棚钻机，钻头直径为Φ108，从护盾尾部向前方塌腔施钻回填孔。初始钻孔外倾角为30°，二次钻孔外倾角为45°，孔内埋设Φ108回填管，回填管内埋设Φ42排气管。详见图3-9塌腔回填示意图。

图3-9塌腔回填示意图

3.2.4 小导洞施工

（1）在护盾尾部选择合适位置开设小导洞清除刀盘及护盾周围石渣，本工程导洞尺寸详见图3-10。（条件允许可两侧同时开小导洞）

图3-10 小导洞布置断面图

（2）小导洞采用HW150型回形钢拱架进行支护，拱架间距0.3m-0.5m，围岩破碎情况下，及时进行加密设置。

（3）拱架左侧和上方安装3mm厚铁板，铁板与门架进行焊接，以防止碎石掉落。

（4）小导洞开挖时，在顶部及左侧打设超前自进式中空锚杆，间距0.1-0.3m，锚杆长1m，锚杆内注射CG-P106型双液浆。 （5）小导洞开挖至刀盘前方0.5m处，停止向前施工。根据现场围岩情况，在刀盘位置开始沿护盾方向进行环形开挖，开挖宽度1.2m，保证刀盘及刀盘与护盾连接处碎石清理干净。开挖过程中，两边支立两榀HW150环形拱架，一次开挖长度不超过0.3m，两榀拱架间通过HW150型钢进行连接，间距0.3m，并在拱架外侧安装3mm厚铁板，铁板与拱架进行焊接，以防止碎石掉落。详见图3-11导洞环形开挖示意图和3-12环形开挖拱架布置示意图。

图3-11导洞环形开挖示意图图3-12环形开挖拱架布置示意图

4 断层破裂带掘进

断层段后续施工需持续进行超前管棚及超前纤维锚杆系统固结灌浆完成后，方可进入TBM开挖阶

段，施做距离结合超前地质预报及现场围岩揭露情况确定。TBM掘进时，由于地质条件不明朗，需采用低扭矩、低转速缓慢通过，刀盘转速≯1r/min，贯入度≯5 mm/r；掘进时需时刻关注刀盘扭矩的变化幅度，变化幅度需控制在10%以内，防止出现刀具偏磨和刀刃崩裂。待掌子面磨平后，逐步提高刀盘转速和推进力。撑靴的撑紧力控制在12000 kN以内，推进力控制在8000 kN以内。在掘进过程中，撑靴通过密排钢拱架支护段之前，采用模筑混凝土对撑靴区域进行换填。

5 结论

（1）TBM通过断层破裂带时施工方案要求统筹规划，根据反馈的现场地质情况和围岩量测情况实时更新，做到“方案准确、动态设计、安全施工”。

（2）TBM刀盘脱困后对断层破裂带开挖前，应根据地质情况持续采用管棚支护结合化学灌浆对塌方体的加固提高其稳定性，但同时注意防止刀盘被水泥浆筑死。