淺析燃氣管線盾構隧道穿越斷層破碎帶處理措施

張博

（北京燃氣集團有限責任公司工程建設分公司，北京 100035）

北京市西六環燃氣盾構工程是北京市六環路中段天然氣隧道工程的一部分，隧道位于門頭溝區西六環路的東側，軍莊鎮的西南西山林場范圍內，有林場防火公路沿隧道地表通過，交通條件較便利，穿行于丘陵區，地形起伏大，海拔高程135～220m，相對高差15～80m，山坡坡角20°～40°，山坡處多基巖裸露，山間谷地內覆蓋碎石土，植被茂密。北隧道全長1678.541m，隧道采取盾構法施工。盾構法屬于暗挖法施工中的一種。首先將盾構機械在隧道或地底中推進，通過盾構機的外殼和在隧道內鋪設的管片支承四周防止隧道內的坍塌，同時在開挖作業面前方用盾構機刀盤旋轉、切削進行土體開挖。從土倉通運用機械裝置將土運出洞外，依靠頂緊裝置在后部進行加壓頂進，同時拼裝預制混凝土管片，形成盾構隧道的一種全機械化施工方法。從1897～1980年，在世界范圍內用盾構法修建的地下隧道已有20余條。日、德、法等國很早就把盾構法廣泛使用于各類大型地下隧道的施工。本文針對該工程，分析工程地質構造及水文條件，對其施工管理提出有效的預防措施。

1 工程地質構造、水文介紹及分析

1.1 工程地質構造

北段隧道工程地處門頭溝區軍莊鎮，其位于北京西山褶皺隆起區。該段隧址區地層巖性主要為：粉質粘土、碎石土，侏羅系中統凝灰質砂巖、凝灰質礫巖，侏羅系下統凝灰巖及玄武巖等；二疊系上統砂巖、礫巖等。擬建隧道位于香峪大梁向斜北西翼，具體位置如圖1所示。

圖1 工程位置圖

1.2 工程水文條件

（1）地表水。區域內地表水系主要為永定河。未見常年性地表水，僅在雨季地表水在低洼溝槽內匯集通過，隧道進出口及淺埋段在集中降雨、融雪時容易形成季節性漫流。

（2）地下水。地下水主要為基巖裂隙水，賦存于基巖節理裂隙內，本區域大氣降水多，以地表徑流排向區外，地下水補給來源貧乏，基巖裂隙水量較小，在斷層帶、節理密集帶、接觸帶等段落水量較大。隧道洞身部分處于淺埋及土巖變化帶內，由于地表水下滲，易局部富集，易塌方、滑塌。

1.3 斷層的定義及分類

（1）概念。巖體或巖層在地殼的運動影響下發生了相對較大位移，可稱為斷層。通常巖體在地質綜合作用力下，可能出現上、下、左、右的位移。斷層破壞了巖體的連續完整性，對巖體的穩定性、滲透性、都有重大影響。

（2）組成斷層的要素。大體分為：斷層面、斷層線、斷盤、斷距。

斷層面：在綜合力的作用下使兩個巖體發生相對位移的面。

斷層線：地面與斷層面的交線。

斷盤：斷盤可分為上盤（hanging wall）和下盤（foot wall），在綜合力的作用下斷開的兩側的巖體，其中位于斷層面以上的為上盤，位于斷層面以下為下盤。

斷距：斷層兩盤中對應層因斷裂產生出的相對距離。

工程中的斷層相關風險源如表1所示。

表1 風險源分析

2 盾構隧道穿越斷裂帶危險性及措施

2.1 隧道斷裂帶危險性分析

受斷裂帶影響的區域一般埋深在20～50m內，巖體的強度大，但強度不均勻導致穩定性不好。盾構機在通過破碎帶時易出現以下風險：（1）隧道坍塌事故；（2）盾構機遇較大碎石刀具磨損嚴重，前進速度慢、難度大；（3）渣土改良不好，容易發生刀盤結泥餅現象及噴涌；（4）長時間停機掌子面遇水軟化崩解，施工風險大。

2.2 預防措施

2.2.1 施工準備

施工人員準備。盾構機在經過破碎帶的時候容易出現滲水等情況，為了防止管片沉降或坍塌，施工時成立監測小組，對隧道內進行監測、檢查。

機械材料準備。檢查盾構機各系統，對盾構機各系統，特別是液壓推進系統、各泵站的葉輪泵殼進行檢查，確保盾構機的工作狀態，同時對泥水處理系統、空壓機、行吊、電瓶車、裝載機、叉車等關系到盾構機掘進的機械設備加強檢查，以減少因設備故障造成的盾構機停機時間，確保盾構安全、連續、快速的通過破碎帶。技術準備。各種方案、交底、預案制定并完善，斷層破碎帶隧道上方監控點布置完成。

施工過程中的準備。盾構機經過破碎帶前進時，按照“持續、迅速、安全”的施工原則，通過該破碎帶區域。

2.2.2 監測布置

（1）施工監測點布置。地面沉降監測點：地面沉降監測點間距：每5m設置1個監測點。監測范圍：斷層破碎帶及影響區范圍。埋設方法：采用全站儀沿隧道沿線的地面導線點為依照精準定位，再用沖擊鉆與水鉆一起鉆孔φ100～150mm。并在孔中放入φ18mm長約800mm的鋼筋，鋼筋頂端為圓面且低于地面5～10mm，周圍需用細沙填補。在監測孔里面埋入與之匹配的套管，并用管帽將監測孔蓋好，保護好監測點。為確保斷層破碎帶及影響區盾構隧道施工期間結構及各重要風險源的安全，根據設計要求結合隧道通過的地質條件，施工方法等特點，在正常段隧道監控項目和監測頻率的基礎上，在地面增設必要的地面沉降監測點并加大監測頻次。將沉降值、過程中安全狀況、相關數據信息反饋給監理工程師。

（2）監測管理體系（如圖2所示）。

圖2 監測組織機構圖

2.2.3 斷裂帶遇水措施

（1）控制掘進速度。根據前期施工總結掘進參數及本工程斷層破碎帶狀況，在進行穿越斷層破碎帶掘進施工時，擬采用如表2掘進參數。

表2 掘進參數

（2）渣土改良。在本段構造破碎帶地層中，為降低對盾構機刀具的磨損，采用向刀盤注入含水量較多的泡沫，這樣不僅可以使盾構機刀具冷卻，同時又可以使渣土具有不錯的流動性。

（3）支護及噴錨。在破碎帶地層中，為防止碎石坍塌，給破碎帶提供部分支撐力，在這段區域內進行簡單的木樁支護及水泥漿噴錨。

2.3 險情措施

施工前成立應急指揮小組，當發生坍塌事故時：（1）盾構應急指揮領導小組立即趕赴坍塌現場，停止盾構掘進，保持土倉壓力。（2）應急小組成員須立即上報險情給監理方、建設方及相關方。（3）在塌陷區域周圍設置警戒線及標識，疏散周圍群眾，安排相關人員維持現場秩序，組織搶險隊成員按照應急預案進行搶險。（4）對已經發生塌陷處回填粉質粘土，利用潛水泵抽出坍塌內積水。（5）對已回填完塌陷處的四周進行加固，可采用旋噴樁法。（6）對已回填完塌陷處進行沉降監測，及時向相關部門反饋監測的數據。（7）塌陷體或掌子面加固密實后，滿足開倉條件時，開倉檢查刀具，更換磨損刀具及處理刀盤泥餅。（8）為保持盾尾的密封性須加足量的油脂，以防止產生涌沙、滲水等現象。

在最短時間內與相關部門及時取得聯系（如消防隊119、急救120）救助，并按法定程序上報政府主管部門。

3 結語

本文針對北京西六環盾構隧道工程，闡述了盾構隧道穿越斷裂帶的危險性，分析了地質構造及水文條件，對盾構隧道穿越斷裂帶提出有效的預防措施，包括：施工準備、監測布置、斷裂帶遇水措施等，確保工程的安全開展。