城市地鐵雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層加固范圍及施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 崗，王利明，周建軍，張 兵，李宏波

(1.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司， 廣東 深圳 518026； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

鑒于雙護(hù)盾TBM高效掘進(jìn)施工優(yōu)勢，越來越多的城市地鐵硬巖隧道工程采用雙護(hù)盾TBM工法施工，在施工中常會(huì)遇到斷層破碎帶等不良地質(zhì)。

斷層破碎帶是隧道工程施工中經(jīng)常遇見的不良地質(zhì)災(zāi)害，斷層對隧道圍巖穩(wěn)定性影響很大[1-5]。斷層對隧道變形破壞方式、邊界條件及破壞范圍等有著決定性作用[3,6-11]。汪煜烽等[12]利用FLAC3D、ANSYS等數(shù)值分析軟件建立注漿施工模型，開展不同注漿工序時(shí)滲水機(jī)理模擬研究；張國[13]結(jié)合厄瓜多爾CCS項(xiàng)目水電站輸水隧洞工程，選取“旁洞+上導(dǎo)洞揭頂開挖”施工方案，使雙護(hù)盾TBM安全高效通過50 m破碎帶，形成雙護(hù)盾TBM快速施工方法；孔祥政[14]以科卡科多水電站引水隧洞TBM掘進(jìn)過程中受多條斷層破碎帶的影響而發(fā)生卡機(jī)故障為研究背景，研究了以GU超細(xì)水泥漿和YDS-40高滲透環(huán)氧化學(xué)材料為灌漿材料的注漿加固技術(shù)，使TBM順利脫困。以上研究主要是針對注漿材料、擴(kuò)挖加固為主，針對城市地鐵雙護(hù)盾TBM超前鉆孔注漿加固及效果分析，確保順利通過斷層不良地質(zhì)研究甚少。

本文以深圳地鐵十號線孖雅區(qū)間隧道工程為背景，利用數(shù)值模擬軟件確定隧道縱徑向斷層加固范圍，研究雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層注漿加固技術(shù)，并對加固效果進(jìn)行試驗(yàn)分析，確保雙護(hù)盾TBM順利通過斷層不良地質(zhì)。

1 工程概況

孖雅區(qū)間隧道工程地處深圳市福田區(qū)，全線長3 874.48 m，隧道埋深16.4 m～232.68 m，隧道開挖直徑為6.5 m，支護(hù)結(jié)構(gòu)為40 cm厚C50混凝土管片，管片與圍巖之間為15 cm厚豆礫石注漿層。

(1) 工程水文地質(zhì)。隧道軸線位置巖石為花崗巖，風(fēng)化程度為微風(fēng)化和中等風(fēng)化。微風(fēng)化花崗巖巖石抗壓強(qiáng)度主要在33.4 MPa～127.3 MPa之間，堅(jiān)硬程度為較硬巖—堅(jiān)硬巖，巖體完整程度為較完整，圍巖級別為Ⅱ級—Ⅲ級。中等風(fēng)化花崗巖巖石抗壓強(qiáng)度主要在20.8 MPa～54.0 MPa之間，堅(jiān)硬程度為較軟巖—較硬巖，巖體完整程度為較破碎，圍巖級別為Ⅳ級。地下水通過巖石裂隙進(jìn)行滲流，大部分分布在強(qiáng)風(fēng)化和中等風(fēng)化巖體以及構(gòu)造裂隙當(dāng)中，承壓性很小。

(2) 斷層不良地質(zhì)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料及本工程地震安評報(bào)告，壓性斷層F1區(qū)域內(nèi)巖石大部分為碎裂石，巖石結(jié)構(gòu)為碎裂結(jié)構(gòu)，構(gòu)造為塊狀構(gòu)造，具有極發(fā)育巖體裂隙，裂隙結(jié)構(gòu)面充填綠泥石化巖體，巖石堅(jiān)硬程度為軟巖，完整程度為破碎，圍巖級別為Ⅴ級。斷層區(qū)域示意圖如圖1所示。

圖1 F1斷層區(qū)域示意圖

2 計(jì)算原理及方法

2.1 計(jì)算模型

采用MIDAS/GTS NX有限元軟件建立雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層施工數(shù)值模型，計(jì)算模型沿X方向取66.5 m，隧道邊緣左右方向各30 m，Y方向取75 m，Z方向取76.5 m，隧道上部圍巖為40 m，如圖2所示。圍巖采用M-C彈塑性模型，隧道結(jié)構(gòu)采用線彈性模型，相關(guān)計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

圖2 三維計(jì)算模型

表2 支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 計(jì)算分析步驟

通過數(shù)值計(jì)算對隧道管片及圍巖進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，確定施工中碎裂石斷層影響范圍，并進(jìn)行碎裂石斷層加固效果進(jìn)行數(shù)值分析，最終確定斷層加固縱徑向范圍；碎裂石斷層影響及加固分析流程圖如圖3所示。

圖3碎裂石斷層影響及加固分析流程圖

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

(1) 縱向影響范圍。隧道管片豎向位移曲線如圖4所示，TBM穿越斷層區(qū)域，管片位移曲線呈“漏斗”狀，拱頂沉降最大值為2.632 mm，水平收斂最大值為5.408 mm。斷層不良地質(zhì)對其前后1.15倍洞徑范圍內(nèi)隧道施工影響較大。

圖4隧道管片位移變化趨勢圖

(2) 徑向影響范圍。隧道周邊圍巖位移曲線如圖5(a)所示，TBM掘進(jìn)至碎裂石斷層區(qū)域時(shí)圍巖位移變化尤為明顯，豎向位移最大為1.289 mm，位移曲線有明顯拐點(diǎn)。碎裂石斷層對圍巖影響范圍在隧道上方10 m～14 m范圍以內(nèi)，約為2.2D范圍以內(nèi)。

隧道上方不同水平斷面處圍巖豎向位移曲線如圖5(b)所示，隧道上方2 m時(shí)圍巖豎向位移最大，最大值為1.495 mm，隧道軸線左右各13 m范圍內(nèi)圍巖豎向位移變化較大，占整個(gè)位移值的95.32%。TBM掘進(jìn)對隧道水平影響范圍主要在軸線左右13 m～15 m范圍內(nèi)，即2.0D～2.3D范圍內(nèi)。

圖5圍巖位移曲線圖

(3) 斷層加固前后對比分析。碎裂石斷層加固前后隧道管片結(jié)構(gòu)位移對比曲線如圖6所示，碎裂石斷層加固后管片位移值均小于加固前，其中拱頂沉降最大值減少了14.93%，水平收斂最大值減少75.31%，碎裂石斷層加固對管片水平位移影響更加顯著。

圖6加固前后管片位移對比曲線圖

通過研究雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)碎裂石斷層對隧道結(jié)構(gòu)影響，同時(shí)對比分析斷層加固前后隧道結(jié)構(gòu)位移變化，建議雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)對斷層加固范圍：隧道縱向?yàn)?.15D范圍之內(nèi)，徑向?yàn)?.3D范圍之內(nèi)，如圖7所示。

圖7碎裂石斷層加固范圍示意圖

3 雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層關(guān)鍵技術(shù)

3.1 碎裂石斷層超前鉆孔技術(shù)

根據(jù)上述雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層分析及建議加固范圍，結(jié)合TBM施工經(jīng)驗(yàn)、綜合防護(hù)效果和施工成本等因素，雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工中對碎裂石斷層進(jìn)行鉆孔注漿超前加固，如圖8所示。

圖8碎裂石斷層鉆孔注漿加固示范圖

利用雙護(hù)盾TBM護(hù)盾預(yù)留孔，采用雙護(hù)盾TBM配置的超前鉆機(jī)對隧道縱徑向圍巖進(jìn)行鉆孔，如圖9所示，其中預(yù)留鉆孔共計(jì)12個(gè)，沿?fù)尉o盾盾殼呈10°～45°分布，鉆機(jī)型號為HC110-MT，鉆孔直徑為48 mm～102 mm，鉆桿長度2 m，采用聯(lián)結(jié)套連接套打，鉆孔深度30 m。鉆孔后可采用大流量水進(jìn)行沖洗，沖洗至回水清凈為止。鉆孔具體實(shí)施步驟如圖10所示。

圖9碎裂石斷層鉆孔注漿加固實(shí)施圖

圖10超前注漿加固施工工藝流程圖

3.2 碎裂石斷層超前注漿加固技術(shù)

鉆孔成型后進(jìn)行分段注漿，每段間隔3 m，注漿管大部分放入鉆孔，為方便注漿管連接需預(yù)留一部分注漿管在外部，注漿時(shí)采用膜袋注漿技術(shù)形成孔內(nèi)栓塞，達(dá)到封堵注漿管與周圍孔隙的目的。為避免鉆孔淺時(shí)跑漿、串漿，孔深小于5 m時(shí)注漿壓力為0.5 MPa～1.0 MPa，孔深5 m～10 m時(shí)注漿壓力為0.8 MPa～1.5 MPa，注漿壓力根據(jù)雙護(hù)盾TBM施工情況適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)隧道縱向前后相鄰注漿管搭接水平投影長度不小于1 m。

注漿施工時(shí)應(yīng)先對上部進(jìn)行注漿，然后再對下部進(jìn)行注漿，采用配比為1.0∶0.8、1.0∶1.0、1.5∶1.0三個(gè)級別的水泥-水玻璃雙漿液。為了確保漿液能順利進(jìn)入細(xì)小的碎裂石縫隙內(nèi)部，先注入較稀的漿液，再逐步注入較濃的漿液，漿液配比達(dá)到1.0∶0.8時(shí)可停止。注漿具體實(shí)施步驟如圖10所示。

3.3 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)建議值

在完成一段超前注漿加固后，雙護(hù)盾TBM采用低轉(zhuǎn)速、大扭矩、小推力、快速掘進(jìn)方法通過，通過統(tǒng)計(jì)大量TBM掘進(jìn)參數(shù)，對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)分析形成掘進(jìn)參數(shù)建議值如表3所示，盡可能不停機(jī)或減少停機(jī)時(shí)間，通過皮帶輸送機(jī)時(shí)刻觀察碴土狀態(tài)，對設(shè)備電機(jī)、扭矩、推力等掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測值出現(xiàn)突變時(shí)應(yīng)停止掘進(jìn)并對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行檢查，同時(shí)雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)通過斷層加固區(qū)時(shí)，以掘進(jìn)完成30環(huán)為一個(gè)循環(huán)單元，每循環(huán)單元完成時(shí)需停止掘進(jìn)對設(shè)備進(jìn)行檢查，確保設(shè)備無異樣。以此循環(huán)施工確保雙護(hù)盾TBM安全穿越碎裂石斷層區(qū)域。

表3 雙護(hù)盾TBM穿越加固區(qū)掘進(jìn)參數(shù)建議值

4 效果分析

4.1 注漿加固體單軸抗壓強(qiáng)度

在完成碎裂石斷層加固后，檢查鉆孔取得加固巖芯，觀察加固體巖芯表面裂隙是否被漿液充填密實(shí)，并制作合適的巖石芯樣，利用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室MTS815巖石力學(xué)性能三軸伺服試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加固體芯樣巖石力學(xué)性能測試。

注漿加固體單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖11所示，注漿加固后碎裂石混合物加固體單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到30.54 MPa，注漿加固系數(shù)(注漿加固體單軸抗壓強(qiáng)度與加固前巖體單軸抗壓強(qiáng)度比值為注漿加固系數(shù))達(dá)到了2.62。雖然注漿加固后碎裂石混合體破壞形式?jīng)]有發(fā)生變化，但其抵抗變形的能力有所加強(qiáng)。

4.2 雙護(hù)盾TBM順利穿越碎裂石斷層

孖雅區(qū)間雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層施工時(shí)采用超前注漿加固技術(shù)，優(yōu)化調(diào)整TBM掘進(jìn)參數(shù)，刀盤前方圍巖穩(wěn)定，設(shè)備順利通過了碎裂石斷層，沒有存在卡機(jī)現(xiàn)象，提前實(shí)現(xiàn)了雙護(hù)盾TBM貫通。

圖11注漿加固體單軸抗壓試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線

5 結(jié)論與建議

雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層時(shí)，運(yùn)用數(shù)值理論計(jì)算方法確定隧道縱徑向斷層區(qū)域加固范圍，研究了雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層關(guān)鍵技術(shù)，并對技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行效果分析。

(1) 建議雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)對斷層加固范圍：隧道縱向?yàn)?.15D范圍之內(nèi)，徑向?yàn)?.3D范圍之內(nèi)。

(2) 結(jié)合雙護(hù)盾TBM護(hù)盾預(yù)留孔，利用配置的超前鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔，調(diào)整優(yōu)化注漿壓力進(jìn)行水泥-水玻璃雙漿液注漿，提出了碎裂石斷層超前注漿加固施工方法，形成了雙護(hù)盾TBM穿越碎裂石斷層超前注漿加固技術(shù)。

(3) 經(jīng)碎裂石混合物加固體單軸抗壓強(qiáng)度室內(nèi)試驗(yàn)分析可知，注漿加固后碎裂石混合物加固體強(qiáng)度提高了2.62倍，抵抗變形的能力得到了加強(qiáng)。