TBM 穿越斷層破碎帶處理大規(guī)模塌方的施工方法

蔚小英

（山西路橋第一工程有限公司,山西 太原 030012）

0 引言

隧道掘進機（TBM）穿越斷層破碎帶是地下工程領(lǐng)域的一項重要挑戰(zhàn)，其復(fù)雜性在于斷層破碎帶的復(fù)雜地質(zhì)特征和不穩(wěn)定性。當(dāng)前的研究和實踐在TBM 穿越斷層破碎帶的處理方面已取得一些進展，但仍存在一些不足之處。一方面，隨著城市化進程的加速和地下空間的廣泛利用，地下隧道工程越來越頻繁，因此對TBM 在穿越斷層破碎帶時的施工技術(shù)提出了更高的要求。然而，目前的研究多集中在TBM 的基本原理和一般應(yīng)用上，對于特定地質(zhì)條件下的斷層破碎帶處理技術(shù)的深入研究相對不足。另一方面，現(xiàn)有的斷層破碎帶處理技術(shù)仍存在一些問題，如大規(guī)模塌方的防控、施工安全、環(huán)境保護等問題。因此，有必要進一步研究和改進TBM 穿越斷層破碎帶的施工技術(shù)，以提高地下工程的質(zhì)量和安全性，降低施工風(fēng)險。該研究旨在深入探討TBM 穿越斷層破碎帶的處理技術(shù)，特別關(guān)注大規(guī)模塌方施工技術(shù)，以填補現(xiàn)有研究的空白，提供更多實用性的指導(dǎo)，為地下工程建設(shè)提供有力支持。

1 項目概況

某引水隧洞位于地理位置復(fù)雜的地區(qū)，總長度達26 717 m，線路樁號K2+370~K29+187 m。該隧洞劃分為不同段，其中TBM 段的長度為23.737 km，開挖直徑為7 730 mm，隧道走向由西北向東南延伸。地勢總體上東北較高，西南較低。地貌為低山丘陵，海拔高程730~1 400 m，高差達670 m。然而，項目現(xiàn)場的地形條件發(fā)生明顯變化，區(qū)域內(nèi)沖溝發(fā)育嚴重，最深的洞室深度高達667 m（見圖1）。

圖1 拱頂塌方

在2018 年7 月13 日，隧洞掘進進展到K6+842.3 時，出現(xiàn)一個十分嚴重的問題，即TBM 護盾上方的10 點鐘到2 點鐘方向發(fā)生塌腔。這一塌腔問題導(dǎo)致護盾尾端塌腔高度達0.7 m，并向掌子面方向擴大延伸，縱向塌方長度約為9 m，而掌子面位置的塌方高度約為8 m，還伴隨碎塊的掉落（見圖2）。為避免更嚴重的問題發(fā)生，現(xiàn)場立即進行混凝土噴射施工，同時繼續(xù)掘進以形成更穩(wěn)定的地質(zhì)環(huán)境，支護等級也被調(diào)整為Ⅳ類圍巖。然后，次日11 時26 分，隧洞進展至K6+843，塌方問題變得更加嚴重，迫使必須緊急進行拱架加固處理[1]。

圖2 塌腔規(guī)模示意圖

在這一工程中，TBM 的正常運行對圍巖造成較大擾動，導(dǎo)致圍巖出現(xiàn)脫落問題，塌方體積達1 246 m3。為應(yīng)對這一情況，采用一種創(chuàng)新的工法，即在空腔中設(shè)置“保護殼”的TBM 塌方處理方式。通過優(yōu)化施工工藝方案，有效解決結(jié)構(gòu)復(fù)雜、安全性不足的問題。這一工法的成功應(yīng)用，不僅使項目達到預(yù)期的建設(shè)目標，還得到各方單位的高度認可和好評。同時，項目的施工經(jīng)驗也為今后類似類型的項目提供有價值的參考和借鑒。

2 工法特點

結(jié)合引水隧洞K2+370~K29+187 工程實際，分析工法特點。

2.1 安全系數(shù)高

該方法在引水隧洞隧道塌方空腔之中設(shè)置一層保護殼結(jié)構(gòu)，并在內(nèi)部噴射混凝土，掌子面上部松散巖體有足夠的支撐體系，達到穩(wěn)定的效果。在現(xiàn)場施工推進的環(huán)節(jié)，減小設(shè)備對掌子面的影響，提高工程的安全性。

2.2 有效控制成本

該方法應(yīng)用鋼管作為塌方空腔內(nèi)填充材料，盡量地降低外部荷載產(chǎn)生的作用，還能節(jié)約常規(guī)塌腔填充成本[2]。

2.3 縮短施工時間

該方法可以實現(xiàn)內(nèi)部空間充分利用，解決TBM 施工時不能進入塌腔的問題，促進保護殼施工效率的提升，縮短施工時間，提高工程效率。

3 工藝原理

在K2+370 到K29+187 工程段，采用TBM 進行施工，TBM 的工作原理是通過在地下進行機械化隧道掘進，從而避免傳統(tǒng)的手工爆破挖掘和采用支護結(jié)構(gòu)的復(fù)雜工序。TBM 的主要組成部分包括刀盤、推進系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、排土系統(tǒng)等。其中，刀盤是TBM 的核心部件，由一系列刀具組成，用于削減地下巖石或土壤。推進系統(tǒng)通過液壓或螺桿等方式將TBM 推進到前進方向，支撐系統(tǒng)則提供對地下隧道的穩(wěn)定支撐，防止塌方和坍塌。排土系統(tǒng)則將挖掘出的巖土通過輸送帶或其他方式從隧道中運出。

4 TBM 穿越斷層破碎帶處理大規(guī)模塌方施工方法應(yīng)用

4.1 施工工藝

施工工藝流程圖見圖3。

圖3 施工工藝流程圖

4.2 操作要點

4.2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

結(jié)合該工程區(qū)域情況，需要開展超前地質(zhì)預(yù)報分析，為后續(xù)正常施工奠定基礎(chǔ)。

（1）超前預(yù)報能夠準確地判定塌方之前一個階段的地質(zhì)條件，掌握節(jié)理裂隙發(fā)育、強度等情況，掌握變化規(guī)模，掌握形成塌方的主要原因。

（2）超前預(yù)報確定未來施工區(qū)域內(nèi)的地下水條件，確定是否要進行排水處理。

4.2.2 松散巖體初步加固

因為該工程的地質(zhì)比較特殊，加上拱頂結(jié)構(gòu)發(fā)生的塌方問題會逐步地延伸、擴大，TBM 掘進作業(yè)時會產(chǎn)生嚴重影響，造成塌方速度過快。為確保人員、設(shè)備運行安全，避免發(fā)生嚴重擴展的情況，在松散部位進行處理。針對塌方高度不足2 m 位置，應(yīng)進行及時加固處理，達到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的標準。

4.2.3 強化初期支護體系

該工程根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，確認圍巖特性后，對地下工程進行合理的等級分類，并對設(shè)計參數(shù)進行必要的加固。在盾構(gòu)機后部的6 m 區(qū)間內(nèi)，采用HW150 型鋼拱架進行安裝，以提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。鋼拱架的布置按照45 cm 的間隔進行，采用12#槽鋼進行連接，全方位360°布置，相鄰拱架間距為1 m，同時采用H 型鋼進行連接，連接過程采用焊接工藝。根據(jù)實際情況，根據(jù)工程需求進行拱架的設(shè)置，通過人工布置方式，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，然后進行C30 混凝土的噴射，確保形成厚度20 cm 的保護層。在考慮現(xiàn)場情況的基礎(chǔ)上，在沒有發(fā)生塌陷的前提下，對錨桿的布置進行安排[3]。

4.2.4 建立噴射混凝土作業(yè)平臺

該工程開展時，在護盾機頂部，采取20 cm×20 cm×300 cm 的方木進行滿鋪，以提供穩(wěn)定的支撐。在上部設(shè)置I16 工字鋼，以30 cm 的環(huán)向間隔進行布置，并采用12#槽鋼進行連接，隨后鋪設(shè)0.5 mm 厚的鋼板。在護盾機的空腔內(nèi)部，引入腹拱支撐結(jié)構(gòu)，以保持與巖面的緊密貼合。在底部，使用I16 工字鋼進行連接，以確保支撐結(jié)構(gòu)的性能達到所需標準，從而有效避免進一步的塌方風(fēng)險。整體結(jié)構(gòu)達到穩(wěn)定狀態(tài)，將開始進行噴射作業(yè)施工，并為施工提供合格的工作平臺。這種技術(shù)方案的實施，不僅可以保障工程的安全性，同時也能提供穩(wěn)定的施工環(huán)境，確保施工過程的連續(xù)性和高效性。

4.2.5 建立刀盤覆蓋層

在項目實踐階段，為防止細砂、水泥等雜質(zhì)進入刀盤從而引發(fā)損壞問題，在現(xiàn)場施工前，采取預(yù)防措施。首先，對刀盤進行覆蓋處理，以阻擋雜質(zhì)的進入。在刀盤的前部1 m 范圍內(nèi)，噴射細砂，以創(chuàng)造一個阻隔層，從而有效隔離雜質(zhì)。此外，其他區(qū)域采用C30 混凝土進行噴射填充，以確保整個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。

4.2.6 形成拱架上方的“保護殼”

具體項目實施環(huán)節(jié)，在塌方結(jié)構(gòu)內(nèi)部，首先在結(jié)構(gòu)內(nèi)鋪設(shè)厚度超過10 cm 的C30 混凝土，以增強結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性。在填充細砂和方木結(jié)構(gòu)部位，選擇采用噴射C30 混凝土的方式，每次噴射20 cm，厚度達到200 cm，并在這些區(qū)域鋪設(shè)鋼筋網(wǎng)片（規(guī)格為8@200 mm*200 mm）。在施工過程中，當(dāng)混凝土厚度達到50 cm 時，橫向設(shè)置I16工字鋼，縱向間距為50 cm，同時在兩側(cè)設(shè)置25 mm 的間隔，將長度為2.5 m 的錨桿與工字鋼連接，以形成一個具有保護功能的“保護殼”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能夠有效支撐塌方區(qū)域，增加整體的穩(wěn)定性。在施工的逐步推進過程中，非常重視掌子面圍巖的穩(wěn)定性，因此避免設(shè)備對其產(chǎn)生過大的擾動，以確保施工的安全性和穩(wěn)定性達到標準。同時，在現(xiàn)場進行混凝土噴射施工時，還預(yù)留人孔，為后續(xù)的填充和灌漿工作提供基礎(chǔ)[4]。

4.2.7 空腔回填

為保證空腔回填的施工效果，在該工程施工時，應(yīng)用混凝土泵車進行材料輸送處理，填充C30 混凝土，回填超過拱頂部位，每次施工高度在1 m 以內(nèi)，逐步填充整個結(jié)構(gòu)。2 m 以上采用輕型材料（容重小于1.5 t/m3）開展施工，應(yīng)用泵管填充作業(yè)，全部施工結(jié)束后，應(yīng)用水泥砂漿灌入到縫隙內(nèi)，符合密實度標準。

4.2.8 調(diào)整TBM 掘進、支護參數(shù)

結(jié)合項目實際，經(jīng)過詳細分析地質(zhì)勘察結(jié)果，能夠準確判斷掌子面圍巖是否達到安全穩(wěn)定的標準。如果勘察結(jié)果顯示存在圍巖不穩(wěn)定的情況，將會采取超前加固的措施，以確保工程達到嚴格的安全性標準。在這種情況下，施工人員有責(zé)任將加固方案詳細上報監(jiān)理單位和業(yè)主單位，經(jīng)過審批后方可進行施工。反之，如果地質(zhì)勘察結(jié)果表明圍巖已經(jīng)穩(wěn)定，將會進行TBM 上部混凝土噴射施工。

在進行混凝土噴射施工之前，首先降低TBM 的轉(zhuǎn)速，然后采取小推力、大貫入的方式進行推進。為確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，采用鋼筋制作支護排結(jié)構(gòu)，并按照環(huán)向安裝的原則進行布置。在安裝HW150 型鋼拱架時，控制每兩個拱架之間的間隔為45 cm，并在適當(dāng)位置安裝灌漿管部件，以便進行后續(xù)的灌漿作業(yè)[5]。

在進行掘進作業(yè)的同時，及時進行現(xiàn)場混凝土噴射施工，以確保施工進度和結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。對于可能發(fā)生的撐靴塌腔情況，立即進行應(yīng)急處理。一種方法是裸露的護盾后噴射C30 混凝土，另一種方法是在拱架內(nèi)焊接鋼板，然后進行混凝土噴射，以達到有效加固的目的，確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。材料配置表見表1。

表1 材料配置表

5 質(zhì)量控制措施

5.1 塌方處理前的質(zhì)量控制措施

在開展施工前，應(yīng)充分進行地質(zhì)勘察和分析，確定斷層破碎帶的性質(zhì)、范圍和穩(wěn)定性，并根據(jù)實際情況制定相應(yīng)的施工方案。同時，進行現(xiàn)場勘查，掌握地質(zhì)情況，包括地層、構(gòu)造、水文地質(zhì)等，以便針對性地選擇施工工藝和支護措施。在施工前期，要嚴格按照設(shè)計要求進行材料的選用和預(yù)制，確保材料的質(zhì)量達到標準，并經(jīng)過必要的試驗驗證。此外，制定詳細的作業(yè)指導(dǎo)書，明確施工流程和操作要點，保證施工人員嚴格按照規(guī)范進行作業(yè)，從而在塌方處理前確保施工質(zhì)量和安全。

5.2 塌方處理過程中的質(zhì)量控制措施

在實際施工中，應(yīng)密切監(jiān)測塌方范圍和變化趨勢，采用現(xiàn)場測量、監(jiān)控設(shè)備等手段進行實時數(shù)據(jù)采集，以確保及時掌握塌方動態(tài)。同時，嚴格遵循施工工藝，采用合適的支護措施，如設(shè)置“保護殼”、噴射混凝土等，保證施工過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和安全性。施工人員需嚴格按照操作規(guī)程進行作業(yè)，確保每個環(huán)節(jié)的質(zhì)量符合設(shè)計和規(guī)范要求。在塌方處理過程中，要定期進行質(zhì)量檢查和驗收，對關(guān)鍵部位和關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行重點監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)和處理施工中的問題，確保施工質(zhì)量和安全，以達到預(yù)期的工程目標。

5.3 塌方處理完成后的質(zhì)量控制措施

首先，應(yīng)進行全面的質(zhì)量檢查和評估，確保處理后的圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沒有存在裂縫、松動等安全隱患。其次，要進行實時監(jiān)測，利用先進的監(jiān)測設(shè)備跟蹤塌方區(qū)域的變化情況，及時掌握動態(tài)信息，以確保塌方處理效果持續(xù)穩(wěn)定。此外，還需進行定期維護和巡查，及時修復(fù)和處理任何新出現(xiàn)的問題，保持處理后區(qū)域的完整性和穩(wěn)定性。最后，要進行相關(guān)數(shù)據(jù)的記錄和分析，形成詳細的施工報告，為類似工程提供寶貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)，為今后類似施工項目的質(zhì)量控制提供有力支持。

6 結(jié)語

總之，TBM 穿越斷層破碎帶處理大規(guī)模塌方的施工方法，為解決地下工程施工中的復(fù)雜地質(zhì)條件和安全風(fēng)險提供有效的手段。通過合理的方案設(shè)計、監(jiān)測手段和質(zhì)量控制措施，成功處理塌方問題，確保隧道的穩(wěn)定推進和安全施工。但是，需要強調(diào)的是，不同工程情境可能需要定制化的施工方案，對地質(zhì)條件的精準判斷和科學(xué)分析至關(guān)重要。因此，需要重視技術(shù)的研究與創(chuàng)新，為項目實施提供更多幫助。