TBM穿越破碎带隧道围岩稳定性分析

魏宇宏

重庆交通大学  重庆市  400000

摘要：近年来，全断面隧道掘进机(tunnelboringmachine，TBM)工法以其相对简单的施工组织、较快的掘进速度、节省大量劳动力、施工过程对围岩扰动小的特点，成为岩石地层隧道掘进的首选工法，被广泛应用于地铁隧道工程。然而，该方法仍然存在一些不足，比如刀具磨损率高、驱动成本高、围岩变形容易导致卡盾等等。

关键词：TBM穿越破碎带隧道围岩稳定性分析

引言

近年来我国市政工程建设迅速发展，城市化进程在不断加快，城市地下空间的开发利用成为了解决城市化过程中的发展问题和提升城市竞争力重要途径，其中地铁的建设将极大缓解交通压力并推动城市经济发展。城市地铁的线路规划往往取决于交通功能的需要，因此地铁建设过程中将不可避免的穿越断层破碎带等不良地质体。

一、隧道穿越断层破碎带施工的特点

由于隧道是确定道路运营效率的一个关键环节，因此必须更加注意修建隧道，特别是在穿越断裂带时，使修建隧道变得更加困难和危险。必须将断裂带的地质和水文条件结合起来，以计算兵力隧道施工的另一个特点是隐藏，这使得施工计划难以制定，需要根据具体情况不断进行调整和优化，以消除施工中固有的风险。一般而言，无法迅速查明施工问题的原因，这可能对质量、进度和安全产生不利影响。

二、隧道掘进机的特性

目前，全国总断面隧道类型从直径3米的小型设备到直径15米以上的大型设备，长度数十米，长度100米。在工厂制造完成后到达施工现场后，他们必须按照施工现场的条件进行装配。他们主要要完成拖车和主机装配、开发、出发前验收、发射等程序以实现运行时生产。由于进行挖掘后洞内空间有限，操作环境恶劣，即使出现重大故障，尤其是与地面接触的部分，也无法在洞内处理。因此，对全断面掘进机生产制造的监督质量至关重要。

三、TBM穿越破碎带隧道围岩稳定性分析

（一）隧道穿越断层破碎带开挖工法

隧道建设经常会穿过形式不一的断层破碎带，使隧道施工困难重重，于是隧道建设的研究重点就在于如何快速、安全通过断层破碎带。对隧道开挖掘进过程中采用台阶法和环形开挖预留核心土法进行建模，对隧道围岩的应力、位移以及塑性区大小等进行分析。结果表明，台阶法开挖具有更大的施工断面，有利于隧道开挖掘进过程中采用机械施工而缩短工期；若在隧道开挖掘进过程中遇到围岩破碎区时，采用环形开挖预留核心土法会减小隧道前方掌子面横向位移，提高隧道施工的安全性。对某富水软岩大断面隧道地表塌陷问题，对隧道开挖掘进过程中采用不同开挖工法的隧道围岩位移进行分析，结果发现：中隔壁法、交叉中隔壁法、三台阶法适用于不同的地质条件，采用超前管棚和超前小导管相结合的超前支护方式，从地面向隧道上方进行注浆加固等，可大大提高隧道开挖过程中的隧道围岩稳定性，使隧道安全通过不良地质条件。从隧道围岩竖向位移、水平位移以及塑性区大小等方面进行分析，研究隧道以中隔壁法穿越断层破碎带的施工方案，并对隧道施工的支护情况进行了优化，最终成功穿越断层破碎带。

（二）隧道穿越不同厚度断层破碎带稳定性

随着我国经济的高速发展，山区道路建设大量增加，公路和铁路选线以隧道方式通过山岭地段越来越多，所遇到的地质条件愈加复杂，特别是在断层构造多发区域时，所面临的考验尤为严峻。地下水容易富集在断层破碎带处，因此隧道在断层破碎带处施工时容易诱发塌方、大变形以及突泥突水等灾害，影响施工进度，造成施工安全事。隧道穿越断层破碎带不同宽度时在断层处发生破坏的内部机制，通过对比隧道围岩和支护结构的位移、应变、塑性区变形和主应力大小来判断隧道围岩稳定性，结果表明，隧道围岩的应力应变最大值和位移最大值在10m时变化最大。通过建立三维有限元模型，模拟分析断层破碎带宽度对隧道围岩变形特征和破坏程度的影响情况，得出随断层破碎带宽度增大，断层中心处的隧道围岩变形越来越小。通过数值模拟隧道穿越断层破碎带不同厚度时在断层处发生破坏的施工响应，通过对比隧道围岩的应力、位移和塑性区分布来判断隧道围岩稳定性，结果表明，破碎带厚度越大，隧道围岩位移值越大。

（三）超前小导管施工

在隧道施工中，常采用加固圈施工技术，以穿越断层破碎带，选择水泥浆加固拱的方式来提升围岩结构整体稳定性和受力性能，尽可能消除潜在的安全隐患。施工前，要确定超前小导管参数信息，并通过钢架、小导管施作方式，合理设置小导管搭接长度。具体内容包括：（1）岩面封闭。为了提升注浆施工效果，可以选择C25水泥材料，通过喷射注浆方法施工，控制混凝土喷射厚度在3~5cm。钢花管安装后，使用锚固剂密封处理钢花管周围区域，避免漏浆问题影响到施工质量和安全。（2）钻孔。在钻孔前，应检查相关设备是否可以正常使用，然后匀速进行，尤其是断层破碎带，在发现夹层时，及时调控钻孔速度，采用应对预案，防止夹钻延误施工进度。钻孔时，应加强仪器设备控制，结合钻进形状来控制钻孔质量，发现问题及时处置。（3）清孔。选择高压空气进行孔洞清理，然后使用仪器检测法进行质量检测。（4）安装钢花管。在这一阶段，需要重点把控钢花管的布设间距，钻孔注浆时要注意尾部1m的留置位置，禁止注浆。

（四）提升掌子面稳定性

第一个是确定前小导管的参数。在这一过程中，应充分考虑隧道手掌表面的地质情况，然后将施工要求与设计要求结合起来，确定前照灯微导管的参数。在正常情况下，施工人员应将小导管提前放置在隧道边界线的120范围内，以确定小导管的长度在2米以上，高于顶部台阶的高度；选取25至50 mm小导管的直径：保持内插角度小于10。注射压力从0.5 MPa到1.5 MPa；阵列扩散半径为0.3至0.5米；注射速度300 ~ 100升/分；小导管的复叠长度应保持在1至2公尺之间。第二个是前锚-护道。在使用过程中，主要用于地下水较少、稳定性较低、应力较低的手掌表面，在进行这些隧道工程时，除了最大限度地减少对周围岩石的干扰外，还应使用高级锚固手段进行临时支撑手掌表面 有关人员应沿着开挖隧道的轮廓进行超前锚固铺设，安装时保持外部插入6 ~ 12，在开挖面安装锚固，直至支撑施工成功完成。

（五）其他注意事项

在断层破碎带施工中，必须建立完善的质量保证体系，确定不同施工链的优先事项和困难，以确保施工期间进行有针对性的控制。在钻孔操作之前，必须确定孔的斜度和插入角度等。为了避免在执行过程中出现混乱，必须对孔进行编号。钻孔偏差是影响注塑剂质量的主要因素，需要通过倾斜测量仪器进行全面监测。喷浆液施工是确定穿越断裂带隧道施工整体质量的关键环节，因此需要对喷浆液流量和泵压进行实时监测。在注射压力下降或注射面糊量突然增加的情况下，必须及时分析具体原因，以便采取有效的治疗措施。如果工作计划中出现泥石流问题，应及时密封；如果以上所述情况是由于灰浆问题造成的，则必须审查混合比，并通过间歇注入提高面糊的实施质量。如果有空的问题，应该用泥来弥补。

结束语

综上所述，在隧道穿越断层破碎带施工中，为了提升施工质量，创设安全可靠的作业环境，应收集工程项目相关信息，明确施工技术要点，并制定切实可行的质控措施全方位贯彻落实，为支持施工活动安全有序进行提供坚实保障。

参考文献

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