雙護盾隧道掘進機穿越地鐵區間斷層破碎帶卡機機理及防卡機技術

韓 超 張 柯

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

在TBM(隧道掘進機)各類機型中，雙護盾TBM由于可同時滿足系統推進和管片拼裝的要求，掘進速度快、成洞質量高，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卡機后，處理難度較大，常規的TBM卡機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”)雙護盾TBM穿越斷層破碎帶(以下簡為“斷層”)復雜地質工況，通過對雙護盾TBM和圍巖的相互作用機理進行分析，結合數值模擬方法確定了斷層預處理措施及其加固范圍。通過TBM掘進參數分析及地質統計學方法，得出了TBM穿越斷層前及穿越斷層過程中的掘進參數變化規律及最佳范圍。實踐證明，本文提出的防卡機技術能夠有效地避免雙護盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進被卡，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—沙頭角站區間(以下簡為“梧沙區間”)線路呈東西走向，下穿梧桐山。根據地勘結果可知，梧沙區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°。斷層發育于侏羅系凝灰巖巖體中，與8號線線路呈15°～20°左右的夾角通過，對該線路影響較大。鉆探揭露的構造巖為強、中等風化破碎巖，具有明顯的破碎結構，破碎巖附近鉆孔巖芯較破碎，構造蝕變嚴重，屬于壓扭性斷層。梧沙區間地質縱斷面如圖1所示。

圖1 8號線梧沙區間地質縱斷面示意圖

2 雙護盾TBM卡機機理

2.1 雙護盾TBM介紹

雙護盾TBM也稱伸縮護盾式TBM，由兩節殼體組成，可以保證隧道掘進、襯砌、出碴、運輸等作業完全在護盾的保護下連續一次性完成。如圖2所示，雙護盾TBM主要包括刀盤、前護盾、支撐護盾、主推進系統、附屬推進系統及管片拼裝機等結構。

圖2 雙護盾TBM結構圖Fig.2 Structure diagram of double shield TBM

2.2 雙護盾TBM卡機機理分析

雙護盾TBM卡機可以理解為圍巖與TBM裝備相互作用的結果。圍巖變形與支護力特性曲線如圖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。在應力釋放過程中，當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展到松動變形，導致圍巖發生塌落而出現失穩破壞[5-6]。雙護盾TBM在斷層破碎帶地層中掘進時，由于圍巖穩定性差，以及圍巖塑性滑移變形速率快，極易導致掌子面坍塌卡死刀盤。此外，由于雙護盾TBM盾殼較長，一般長度大于12 m，護盾直徑設計值略小于開挖洞徑5～10 cm。當雙護盾TBM在軟弱斷層破碎帶掘進時，圍巖受到開挖擾動發生快速塑性變形，較短時間內如果雙護盾TBM不能通過梧沙區間，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 圍巖變形與支護力特性曲線圖

3 雙護盾TBM穿越斷層數值模擬分析

3.1 斷層區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。雙護盾TBM施工一旦出現卡機事故，卡機脫困措施少、處理難度大，因此，在工程實際中需要提前做好穿越斷層區域預案，避免卡機事故。為了保障雙護盾TBM順利通過梧沙區間F1斷層破碎帶，在TBM穿越該區域前，通過數值模擬分析法確定斷層區域預先加固范圍及方案。

3.1.1 斷層區域超前注漿加固范圍的確定

梧沙區間隧道段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有限元計算軟件對隧道斷層區域進行建模。考慮隧道開挖的影響，計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)，計算模型尺寸為80 m×70 m×70 m(長度×寬度×高度)。梧沙區間斷層區域數值模型見圖4。

圖4 雙護盾TBM穿越斷層數值模型

提取隧道同一水平斷面上圍巖的豎向位移，見圖5。

a) 斷層區域

b) 非斷層區域圖5 斷層區域和非斷層區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、右兩側各8.5 m范圍內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，故可以認為TBM掘進對隧道圍巖的影響范圍為8.5 m，即1.3D。因此，為了防止卡機事故發生，雙護盾TBM穿越斷層區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

雙護盾TBM在設計中預留了超前灌漿孔，可利用超前鉆機對周邊圍巖進行加固，此外刀盤面上預留的灌漿孔能滿足在富水的地層條件下進行全斷面帷幕灌漿。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到擠壓密實狀態，達到加固巖體的目的。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行止漿，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整漿液凝膠時間。初選灌漿壓力，當鉆孔深度小于30 m時，灌漿壓力選擇0.8～2.0 MPa，實際施工中需進一步調整灌漿壓力，以滿足斷層破碎帶加固區域為1.3D的范圍。

3.2 TBM穿越斷層時的掘進參數分析

由雙護盾TBM卡機機理分析可知，雙護盾TBM卡機是巖機作用的結果，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致刀盤卡死；TBM關鍵參數控制匹配不合理，在較短時間內，如果斷層破碎帶區域的圍巖收斂值一旦大于隧洞開挖輪廓與盾殼的間距，就會導致盾殼卡死。因此，雙護盾TBM穿越斷層破碎帶區域時，選擇合理的掘進參數，可以控制圍巖擾動，有效避免卡機事故。

為了保證雙護盾TBM順利地通過斷層區域，避免因掘進參數波動對圍巖擾動引起卡機事故，對雙護盾TBM進入F1斷層區域前第1 331環—第1 371環共40環的關鍵掘進參數，以及TBM進入F1斷層區域中第1 372環—第1 397環共25環的關鍵掘進參數進行分析，得出如圖8～11所示的結果。

圖8為斷層區域和非斷層區域刀盤扭矩統計圖。由圖8可知，斷層區域刀盤的扭矩波動更大，且扭矩參數具有較大的離散性，說明斷層區域因巖體破碎及圍巖塑性滑移變形快對刀盤沖擊較大，此時需要重點關注刀盤的扭矩，一旦刀盤的扭矩數較大極易引起塌落體卡死刀盤。

a) 非斷層區域

b) 斷層區域圖8 雙護盾TBM穿越斷層、非斷層區域的刀盤扭矩

通過地質分布統計特征圖可見，雙護盾TBM在到達斷層區域前，刀盤扭矩的平均值為1 152.9 kNm，在斷層區域掘進時刀盤扭矩的平均值為946.1 kNm；在非斷層區域刀盤扭矩范圍為1 000～1 300 kNm，在斷層區域刀盤扭矩范圍為900～1 000 kNm。該區間分別包括了斷層區域和非斷層區域92%和87%的扭矩實測統計數據。

圖9為斷層區域和非斷層區域雙護盾TBM系統推力統計圖。由圖9可知，斷層區域相對于非斷層區域巖體破碎、巖石強度低，掘進更加容易。通過地質分布統計特征圖可見，雙護盾TBM在非斷層區域系統推力范圍為6 500～7 500 kN，系統推力的平均值為7 117.2 kN；在斷層區域系統推力范圍為6 000～7 000 kN，系統推力的平均值為6 437.2 kN。該區間包括了斷層區域和非斷層區域85%和89%的系統推力實測統計數據。

a) 非斷層區域

b) 斷層區域圖9 雙護盾TBM穿越斷層、非斷層區域的系統推力

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

圖10 雙護盾TBM穿越非斷層區域的刀盤轉速

圖11 雙護盾TBM穿越斷層區域的推進速度

4 雙護盾TBM穿越斷層防卡機技術

4.1 雙護盾TBM掘進參數控制

通過對梧沙區間雙護盾TBM在斷層和非斷層區域掘進參數的關聯分析，以及對TBM穿越F1斷層時選取的掘進參數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參數，如表1所示。

表1 雙護盾TBM掘進參數推薦值

4.2 雙護盾TBM穿越斷層防卡機技術

雙護盾TBM穿越斷層區間時，規避卡機是工程需要重點關注的問題。合適的隧洞超前預處理措施及TBM掘進參數的設置能夠避免卡機風險。

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

2) 在雙護盾TBM施工階段，可以利用超前地質預報技術，及時探明地質異常，探測掌子面前方異常地質的位置、規模，圍巖的破碎程度，以及含水的可能性，提早發現風險及采取應對預案。

3) 在雙護盾TBM穿越斷層時，針對需要穿越的斷層區域，如果斷層區域規模較小，綜合評估后可以采用直接快速通過的方式來應對圍巖收斂變形導致的卡機風險。如果斷層區域過大，可以預先通過數值模擬分析確定注漿加固范圍及加固方案。在通過斷層區域時，需要適當降低刀盤轉速，加大推進速度，在此過程中還需要重點關注刀盤扭矩波動，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到隧洞開挖輪廓與盾殼的間距時，TBM需迅速通過斷層區域，防止盾殼卡死。

5 結論

1) 雙護盾TBM卡機的原因在于TBM在斷層區間掘進時，圍巖開挖擾動大、穩定性差、滑移變形速率快、掘進參數的地質匹配性差，圍巖收斂值大于隧洞開挖輪廓與盾殼的間距。

2) 雙護盾TBM穿越斷層區域時，需最大限度地降低對破碎圍巖的擾動，預先對斷層區域進行加固，TBM穿越過程中適當降低刀盤轉速，加大推進速度，同時還需重點關注刀盤扭矩波動，迅速通過斷層區域，防止卡機事故。

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