雙護(hù)盾隧道掘進(jìn)機(jī)穿越地鐵區(qū)間斷層破碎帶卡機(jī)機(jī)理及防卡機(jī)技術(shù)

韓 超 張 柯

(1. 河南建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程系， 450064, 鄭州； 2. 中國科學(xué)院武漢巖土所, 430071, 武漢∥第一作者， 講師)

在TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))各類機(jī)型中，雙護(hù)盾TBM由于可同時滿足系統(tǒng)推進(jìn)和管片拼裝的要求，掘進(jìn)速度快、成洞質(zhì)量高，在城市地鐵建造中正在被積極地探索和嘗試[1-3]。

由于隧道及地下工程的復(fù)雜性，且城市軌道交通地處繁華密集城市建筑群，一旦選用的TBM卡機(jī)后，處理難度較大，常規(guī)的TBM卡機(jī)脫困處理方法并不適用于城市地鐵[4]。因此，在城市地鐵施工中避免TBM卡機(jī)就顯得尤為重要。本文針對深圳地鐵8號線(以下簡為“8號線”)雙護(hù)盾TBM穿越斷層破碎帶(以下簡為“斷層”)復(fù)雜地質(zhì)工況，通過對雙護(hù)盾TBM和圍巖的相互作用機(jī)理進(jìn)行分析，結(jié)合數(shù)值模擬方法確定了斷層預(yù)處理措施及其加固范圍。通過TBM掘進(jìn)參數(shù)分析及地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，得出了TBM穿越斷層前及穿越斷層過程中的掘進(jìn)參數(shù)變化規(guī)律及最佳范圍。實(shí)踐證明，本文提出的防卡機(jī)技術(shù)能夠有效地避免雙護(hù)盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進(jìn)被卡，也可為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

8號線梧桐山南站—沙頭角站區(qū)間(以下簡為“梧沙區(qū)間”)線路呈東西走向，下穿梧桐山。根據(jù)地勘結(jié)果可知，梧沙區(qū)間下穿梧桐山隧道段的圍巖為Ⅱ級，局部地段圍巖破碎，為Ⅳ級圍巖。該隧道段存在較大斷層，其中F1斷層位于左線DK41+650—DK41+690和右線DK41+670—DK41+720處。該斷層走向近東西向，傾向南，傾角約為80°。斷層發(fā)育于侏羅系凝灰?guī)r巖體中，與8號線線路呈15°～20°左右的夾角通過，對該線路影響較大。鉆探揭露的構(gòu)造巖為強(qiáng)、中等風(fēng)化破碎巖，具有明顯的破碎結(jié)構(gòu)，破碎巖附近鉆孔巖芯較破碎，構(gòu)造蝕變嚴(yán)重，屬于壓扭性斷層。梧沙區(qū)間地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 8號線梧沙區(qū)間地質(zhì)縱斷面示意圖

2 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)機(jī)理

2.1 雙護(hù)盾TBM介紹

雙護(hù)盾TBM也稱伸縮護(hù)盾式TBM，由兩節(jié)殼體組成，可以保證隧道掘進(jìn)、襯砌、出碴、運(yùn)輸?shù)茸鳂I(yè)完全在護(hù)盾的保護(hù)下連續(xù)一次性完成。如圖2所示，雙護(hù)盾TBM主要包括刀盤、前護(hù)盾、支撐護(hù)盾、主推進(jìn)系統(tǒng)、附屬推進(jìn)系統(tǒng)及管片拼裝機(jī)等結(jié)構(gòu)。

圖2 雙護(hù)盾TBM結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of double shield TBM

2.2 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)機(jī)理分析

雙護(hù)盾TBM卡機(jī)可以理解為圍巖與TBM裝備相互作用的結(jié)果。圍巖變形與支護(hù)力特性曲線如圖3所示。隧洞開挖后圍巖變化可分為彈性段AB、塑性段BC和松動段CD。在應(yīng)力釋放過程中，當(dāng)圍巖收斂變形逐步增大時，塑性段BC的圍巖在自重作用下由塑性滑移變形發(fā)展到松動變形，導(dǎo)致圍巖發(fā)生塌落而出現(xiàn)失穩(wěn)破壞[5-6]。雙護(hù)盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進(jìn)時，由于圍巖穩(wěn)定性差，以及圍巖塑性滑移變形速率快，極易導(dǎo)致掌子面坍塌卡死刀盤。此外，由于雙護(hù)盾TBM盾殼較長，一般長度大于12 m，護(hù)盾直徑設(shè)計(jì)值略小于開挖洞徑5～10 cm。當(dāng)雙護(hù)盾TBM在軟弱斷層破碎帶掘進(jìn)時，圍巖受到開挖擾動發(fā)生快速塑性變形，較短時間內(nèi)如果雙護(hù)盾TBM不能通過梧沙區(qū)間，且圍巖收斂變形一旦大于隧洞開挖輪廓與盾殼間距，就會將盾殼抱死。

圖3 圍巖變形與支護(hù)力特性曲線圖

3 雙護(hù)盾TBM穿越斷層數(shù)值模擬分析

3.1 斷層區(qū)域隧道段超前注漿加固范圍及加固措施

同山嶺隧道相比，城市軌道交通隧道位置更具特殊性。雙護(hù)盾TBM施工一旦出現(xiàn)卡機(jī)事故，卡機(jī)脫困措施少、處理難度大，因此，在工程實(shí)際中需要提前做好穿越斷層區(qū)域預(yù)案，避免卡機(jī)事故。為了保障雙護(hù)盾TBM順利通過梧沙區(qū)間F1斷層破碎帶，在TBM穿越該區(qū)域前，通過數(shù)值模擬分析法確定斷層區(qū)域預(yù)先加固范圍及方案。

3.1.1 斷層區(qū)域超前注漿加固范圍的確定

梧沙區(qū)間隧道段F1斷層寬度約32 m，屬壓扭性斷裂，傾角為80°，隧道埋深為180 m。采用MIDAS有限元計(jì)算軟件對隧道斷層區(qū)域進(jìn)行建模?？紤]隧道開挖的影響，計(jì)算模型的寬度和高度均取4～5倍隧道開挖直徑D(D為6.5 m)，計(jì)算模型尺寸為80 m×70 m×70 m(長度×寬度×高度)。梧沙區(qū)間斷層區(qū)域數(shù)值模型見圖4。

圖4 雙護(hù)盾TBM穿越斷層數(shù)值模型

提取隧道同一水平斷面上圍巖的豎向位移，見圖5。

a) 斷層區(qū)域

b) 非斷層區(qū)域圖5 斷層區(qū)域和非斷層區(qū)域隧道圍巖的豎向位移

由圖5可見，隧道圍巖位移整體呈“漏斗”狀；隧道軸線左、右兩側(cè)各8.5 m范圍內(nèi)圍巖豎向位移變化較大，占總位移值的85.63%。隧道開挖洞徑D為6.5 m，故可以認(rèn)為TBM掘進(jìn)對隧道圍巖的影響范圍為8.5 m，即1.3D。因此，為了防止卡機(jī)事故發(fā)生，雙護(hù)盾TBM穿越斷層區(qū)域時最小處理范圍建議為1.3D。

3.1.2 隧洞超前注漿加固措施

雙護(hù)盾TBM在設(shè)計(jì)中預(yù)留了超前灌漿孔，可利用超前鉆機(jī)對周邊圍巖進(jìn)行加固，此外刀盤面上預(yù)留的灌漿孔能滿足在富水的地層條件下進(jìn)行全斷面帷幕灌漿。通過超前注漿將漿液壓入破碎巖體，填充巖體空隙使松散巖體達(dá)到擠壓密實(shí)狀態(tài)，達(dá)到加固巖體的目的。隧洞超前注漿如圖6所示。超前注漿采用前進(jìn)式分段注漿，即在施工中采取“鉆一段、注一段，再鉆一段、再注一段”的交替式鉆孔注漿施工方式。每次鉆孔注漿的分段長度為10～15 m，采用孔口管法蘭盤進(jìn)行止?jié){，如圖7所示。

圖6 隧洞超前注漿示意圖Fig.6 Schematic diagram of advance grouting in tunnel hole

圖7 孔口管灌漿示意圖Fig.7 Schematic diagram of orifice pipe grouting

漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，配合比為1∶1；水泥為P.O42.5R水泥，水玻璃濃度為35 Be′。漿液凝膠時間為38 s左右，必要時可摻加緩凝劑調(diào)整漿液凝膠時間。初選灌漿壓力，當(dāng)鉆孔深度小于30 m時，灌漿壓力選擇0.8～2.0 MPa，實(shí)際施工中需進(jìn)一步調(diào)整灌漿壓力，以滿足斷層破碎帶加固區(qū)域?yàn)?.3D的范圍。

3.2 TBM穿越斷層時的掘進(jìn)參數(shù)分析

由雙護(hù)盾TBM卡機(jī)機(jī)理分析可知，雙護(hù)盾TBM卡機(jī)是巖機(jī)作用的結(jié)果，即刀盤對巖體擾動較大，圍巖塑性滑移變形速率快，破碎圍巖在掌子面匯集極易導(dǎo)致刀盤卡死；TBM關(guān)鍵參數(shù)控制匹配不合理，在較短時間內(nèi)，如果斷層破碎帶區(qū)域的圍巖收斂值一旦大于隧洞開挖輪廓與盾殼的間距，就會導(dǎo)致盾殼卡死。因此，雙護(hù)盾TBM穿越斷層破碎帶區(qū)域時，選擇合理的掘進(jìn)參數(shù)，可以控制圍巖擾動，有效避免卡機(jī)事故。

為了保證雙護(hù)盾TBM順利地通過斷層區(qū)域，避免因掘進(jìn)參數(shù)波動對圍巖擾動引起卡機(jī)事故，對雙護(hù)盾TBM進(jìn)入F1斷層區(qū)域前第1 331環(huán)—第1 371環(huán)共40環(huán)的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)，以及TBM進(jìn)入F1斷層區(qū)域中第1 372環(huán)—第1 397環(huán)共25環(huán)的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行分析，得出如圖8～11所示的結(jié)果。

圖8為斷層區(qū)域和非斷層區(qū)域刀盤扭矩統(tǒng)計(jì)圖。由圖8可知，斷層區(qū)域刀盤的扭矩波動更大，且扭矩參數(shù)具有較大的離散性，說明斷層區(qū)域因巖體破碎及圍巖塑性滑移變形快對刀盤沖擊較大，此時需要重點(diǎn)關(guān)注刀盤的扭矩，一旦刀盤的扭矩?cái)?shù)較大極易引起塌落體卡死刀盤。

a) 非斷層區(qū)域

b) 斷層區(qū)域圖8 雙護(hù)盾TBM穿越斷層、非斷層區(qū)域的刀盤扭矩

通過地質(zhì)分布統(tǒng)計(jì)特征圖可見，雙護(hù)盾TBM在到達(dá)斷層區(qū)域前，刀盤扭矩的平均值為1 152.9 kNm，在斷層區(qū)域掘進(jìn)時刀盤扭矩的平均值為946.1 kNm；在非斷層區(qū)域刀盤扭矩范圍為1 000～1 300 kNm，在斷層區(qū)域刀盤扭矩范圍為900～1 000 kNm。該區(qū)間分別包括了斷層區(qū)域和非斷層區(qū)域92%和87%的扭矩實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖9為斷層區(qū)域和非斷層區(qū)域雙護(hù)盾TBM系統(tǒng)推力統(tǒng)計(jì)圖。由圖9可知，斷層區(qū)域相對于非斷層區(qū)域巖體破碎、巖石強(qiáng)度低，掘進(jìn)更加容易。通過地質(zhì)分布統(tǒng)計(jì)特征圖可見，雙護(hù)盾TBM在非斷層區(qū)域系統(tǒng)推力范圍為6 500～7 500 kN，系統(tǒng)推力的平均值為7 117.2 kN；在斷層區(qū)域系統(tǒng)推力范圍為6 000～7 000 kN，系統(tǒng)推力的平均值為6 437.2 kN。該區(qū)間包括了斷層區(qū)域和非斷層區(qū)域85%和89%的系統(tǒng)推力實(shí)測統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

a) 非斷層區(qū)域

b) 斷層區(qū)域圖9 雙護(hù)盾TBM穿越斷層、非斷層區(qū)域的系統(tǒng)推力

圖10和圖11分別為雙護(hù)盾TBM通過斷層破碎帶區(qū)域和非斷層破碎帶區(qū)域主驅(qū)動系統(tǒng)推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)置圖。由圖10～11可知，TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域前，刀盤的轉(zhuǎn)速平均值為7.63 r/min；TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域后，刀盤的轉(zhuǎn)速平均值為7.51 r/min；TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域前，刀盤推進(jìn)速度的平均值為55.82 r/min；TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域后，刀盤推進(jìn)速度的平均值為57.26 r/min。由此可見，雙護(hù)盾TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域時，通過降低刀盤轉(zhuǎn)速以減少對掌子面巖體的擾動；通過增加刀盤推進(jìn)速度，在圍巖收斂尚未達(dá)到隧洞開挖輪廓與盾殼間距時，快速通過斷層破碎帶區(qū)域。

圖10 雙護(hù)盾TBM穿越非斷層區(qū)域的刀盤轉(zhuǎn)速

圖11 雙護(hù)盾TBM穿越斷層區(qū)域的推進(jìn)速度

4 雙護(hù)盾TBM穿越斷層防卡機(jī)技術(shù)

4.1 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)控制

通過對梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM在斷層和非斷層區(qū)域掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)聯(lián)分析，以及對TBM穿越F1斷層時選取的掘進(jìn)參數(shù)對隧洞變形的控制效果分析，可以得出TBM穿越此類斷層的掘進(jìn)參數(shù)，如表1所示。

表1 雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)參數(shù)推薦值

4.2 雙護(hù)盾TBM穿越斷層防卡機(jī)技術(shù)

雙護(hù)盾TBM穿越斷層區(qū)間時，規(guī)避卡機(jī)是工程需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。合適的隧洞超前預(yù)處理措施及TBM掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置能夠避免卡機(jī)風(fēng)險。

1) 在雙護(hù)盾TBM選型階段，確保裝備對斷層區(qū)域的適應(yīng)性。可配備超前鉆機(jī)，通過鉆探探明斷層規(guī)模及其具體情況。TBM刀盤采用偏心設(shè)計(jì)，保證在斷層區(qū)域拱部有一定的預(yù)留變形量，以防刀盤被卡。TBM預(yù)留超前灌漿孔，利用超前鉆機(jī)對圍巖加固，刀盤面上預(yù)留的灌漿孔可滿足富水地層條件下的全斷面帷幕灌漿。

2) 在雙護(hù)盾TBM施工階段，可以利用超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)，及時探明地質(zhì)異常，探測掌子面前方異常地質(zhì)的位置、規(guī)模，圍巖的破碎程度，以及含水的可能性，提早發(fā)現(xiàn)風(fēng)險及采取應(yīng)對預(yù)案。

3) 在雙護(hù)盾TBM穿越斷層時，針對需要穿越的斷層區(qū)域，如果斷層區(qū)域規(guī)模較小，綜合評估后可以采用直接快速通過的方式來應(yīng)對圍巖收斂變形導(dǎo)致的卡機(jī)風(fēng)險。如果斷層區(qū)域過大，可以預(yù)先通過數(shù)值模擬分析確定注漿加固范圍及加固方案。在通過斷層區(qū)域時，需要適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，加大推進(jìn)速度，在此過程中還需要重點(diǎn)關(guān)注刀盤扭矩波動，間接判斷掌子面是否有塌落體防止刀盤卡死。在圍巖收斂值尚未達(dá)到隧洞開挖輪廓與盾殼的間距時，TBM需迅速通過斷層區(qū)域，防止盾殼卡死。

5 結(jié)論

1) 雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的原因在于TBM在斷層區(qū)間掘進(jìn)時，圍巖開挖擾動大、穩(wěn)定性差、滑移變形速率快、掘進(jìn)參數(shù)的地質(zhì)匹配性差，圍巖收斂值大于隧洞開挖輪廓與盾殼的間距。

2) 雙護(hù)盾TBM穿越斷層區(qū)域時，需最大限度地降低對破碎圍巖的擾動，預(yù)先對斷層區(qū)域進(jìn)行加固，TBM穿越過程中適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，加大推進(jìn)速度，同時還需重點(diǎn)關(guān)注刀盤扭矩波動，迅速通過斷層區(qū)域，防止卡機(jī)事故。

3) 8號線梧沙區(qū)間雙護(hù)盾TBM順利通過斷層區(qū)域，充分說明了本文所述的方法能夠有效規(guī)避卡機(jī)事故，可為其他類似工程提供參考。