TBM穿越断层破碎带处理大规模塌方的施工方法.pdf

158交通科技与管理工程技术0引言隧道掘进机（TBM）穿越断层破碎带是地下工程领域的一项重要挑战，其复杂性在于断层破碎带的复杂地质特征和不稳定性。当前的研究和实践在 TBM 穿越断层破碎带的处理方面已取得一些进展，但仍存在一些不足之处。一方面，随着城市化进程的加速和地下空间的广泛利用，地下隧道工程越来越频繁，因此对 TBM 在穿越断层破碎带时的施工技术提出了更高的要求。然而，目前的研究多集中在 TBM 的基本原理和一般应用上，对于特定地质条件下的断层破碎带处理技术的深入研究相对不足。另一方面，现有的断层破碎带处理技术仍存在一些问题，如大规模塌方的防控、施工安全、环境保护等问题。因此，有必要进一步研究和改进 TBM 穿越断层破碎带的施工技术，以提高地下工程的质量和安全性，降低施工风险。该研究旨在深入探讨 TBM 穿越断层破碎带的处理技术，特别关注大规模塌方施工技术，以填补现有研究的空白，提供更多实用性的指导，为地下工程建设提供有力支持。1项目概况某引水隧洞位于地理位置复杂的地区，总长度达26 717 m，线路桩号 K2+370K29+187 m。该隧洞划分为不同段，其中 TBM 段的长度为 23.737 km，开挖直径为7 730 mm，隧道走向由西北向东南延伸。地势总体上东北较高，西南较低。地貌为低山丘陵，海拔高程 7301 400 m，高差达 670 m。然而，项目现场的地形条件发生明显变化，区域内冲沟发育严重，最深的洞室深度高达 667 m（见图 1）。在 2018 年 7 月 13 日，隧洞掘进进展到 K6+842.3 时，出现一个十分严重的问题，即 TBM 护盾上方的 10 点钟到 2 点钟方向发生塌腔。这一塌腔问题导致护盾尾端塌腔高度达 0.7 m，并向掌子面方向扩大延伸，纵向塌方长度约为 9 m，而掌子面位置的塌方高度约为 8 m，还伴随碎块的掉落（见图 2）。为避免更严重的问题发生，现场立即进行混凝土喷射施工，同时继续掘进以形成更稳定的地质环境，支护等级也被调整为类围岩。然后，次日 11 时 26 分，隧洞进展至 K6+843，塌方问题变得更加严重，迫使必须紧急进行拱架加固处理1。（a）（b）图 1拱顶塌方图 2塌腔规模示意图在这一工程中，TBM 的正常运行对围岩造成较大扰动，导致围岩出现脱落问题，塌方体积达 1 246 m3。为应对这一情况，采用一种创新的工法，即在空腔中设置“保护壳”的 TBM 塌方处理方式。通过优化施工工艺方案，有效解决结构复杂、安全性不足的问题。这一工法的成收稿日期：2023-08-29作者简介：蔚小英（1975）,男,本科,高级工程师,研究方向：公路与桥梁。TBM 穿越断层破碎带处理大规模塌方的施工方法蔚小英（山西路桥第一工程有限公司,山西 太原 030012）摘要为解决 TBM 穿越断层破碎带处理大规模塌方问题，避免安全事故出现，文章以 TBM 技术结合项目实例进行分析，提出超前地质预报、松散岩体初步加固以及初期支护体系等施工方法。研究表明，施工时通过合理的工程设计、严密的监测手段以及高效的施工措施，可成功控制塌方风险，确保隧道工程的安全、稳定和顺利推进。该方法的成功应用为今后类似工程提供宝贵经验。关键词TBM；穿越断层；破碎带；大规模塌方中图分类号U455.49文献标识码A文章编号2096-8949（2023）20-0158-032023 年第 4 卷第 20 期159交通科技与管理工程技术功应用，不仅使项目达到预期的建设目标，还得到各方单位的高度认可和好评。同时，项目的施工经验也为今后类似类型的项目提供有价值的参考和借鉴。2工法特点结合引水隧洞 K2+370K29+187 工程实际，分析工法特点。2.1安全系数高该方法在引水隧洞隧道塌方空腔之中设置一层保护壳结构，并在内部喷射混凝土，掌子面上部松散岩体有足够的支撑体系，达到稳定的效果。在现场施工推进的环节，减小设备对掌子面的影响，提高工程的安全性。2.2有效控制成本该方法应用钢管作为塌方空腔内填充材料，尽量地降低外部荷载产生的作用，还能节约常规塌腔填充成本2。2.3缩短施工时间该方法可以实现内部空间充分利用，解决 TBM 施工时不能进入塌腔的问题，促进保护壳施工效率的提升，缩短施工时间，提高工程效率。3工艺原理在K2+370到K29+187工程段，采用TBM进行施工，TBM 的工作原理是通过在地下进行机械化隧道掘进，从而避免传统的手工爆破挖掘和采用支护结构的复杂工序。TBM 的主要组成部分包括刀盘、推进系统、支撑系统、排土系统等。其中，刀盘是 TBM 的核心部件，由一系列刀具组成，用于削减地下岩石或土壤。推进系统通过液压或螺杆等方式将 TBM 推进到前进方向，支撑系统则提供对地下隧道的稳定支撑，防止塌方和坍塌。排土系统则将挖掘出的岩土通过输送带或其他方式从隧道中运出。4TBM 穿越断层破碎带处理大规模塌方施工方法应用4.1施工工艺施工工艺流程图见图 3。图 3施工工艺流程图4.2操作要点4.2.1超前地质预报结合该工程区域情况，需要开展超前地质预报分析，为后续正常施工奠定基础。（1）超前预报能够准确地判定塌方之前一个阶段的地质条件，掌握节理裂隙发育、强度等情况，掌握变化规模，掌握形成塌方的主要原因。（2）超前预报确定未来施工区域内的地下水条件，确定是否要进行排水处理。4.2.2松散岩体初步加固因为该工程的地质比较特殊，加上拱顶结构发生的塌方问题会逐步地延伸、扩大，TBM 掘进作业时会产生严重影响，造成塌方速度过快。为确保人员、设备运行安全，避免发生严重扩展的情况，在松散部位进行处理。针对塌方高度不足 2 m 位置，应进行及时加固处理，达到结构稳定的标准。4.2.3强化初期支护体系该工程根据地质勘察结果，确认围岩特性后，对地下工程进行合理的等级分类，并对设计参数进行必要的加固。在盾构机后部的 6 m 区间内，采用 HW150 型钢拱架进行安装，以提升结构稳定性。钢拱架的布置按照45 cm 的间隔进行，采用 12#槽钢进行连接，全方位 360布置，相邻拱架间距为 1 m，同时采用 H 型钢进行连接，连接过程采用焊接工艺。根据实际情况，根据工程需求进行拱架的设置，通过人工布置方式，形成环状结构，然后进行 C30 混凝土的喷射，确保形成厚度 20 cm 的保护层。在考虑现场情况的基础上，在没有发生塌陷的前提下，对锚杆的布置进行安排3。4.2.4建立喷射混凝土作业平台该工程开展时，在护盾机顶部，采取 20 cm20 cm300 cm 的方木进行满铺，以提供稳定的支撑。在上部设置 I16 工字钢，以 30 cm 的环向间隔进行布置，并采用12#槽钢进行连接，随后铺设 0.5 mm 厚的钢板。在护盾机的空腔内部，引入腹拱支撑结构，以保持与岩面的紧密贴合。在底部，使用 I16 工字钢进行连接，以确保支撑结构的性能达到所需标准，从而有效避免进一步的塌方风险。整体结构达到稳定状态，将开始进行喷射作业施工，并为施工提供合格的工作平台。这种技术方案的实施，不仅可以保障工程的安全性，同时也能提供稳定的施工环境，确保施工过程的连续性和高效性。4.2.5建立刀盘覆盖层在项目实践阶段，为防止细砂、水泥等杂质进入刀盘从而引发损坏问题，在现场施工前，采取预防措施。首先，对刀盘进行覆盖处理，以阻挡杂质的进入。在刀盘的前部 1 m 范围内，喷射细砂，以创造一个阻隔层，从而有效隔离杂质。此外，其他区域采用 C30 混凝土进行喷射填充，以确保整个结构的稳固性。4.2.6形成拱架上方的“保护壳”具体项目实施环节，在塌方结构内部，首先在结构内铺设厚度超过 10 cm 的 C30 混凝土，以增强结构的稳固性。在填充细砂和方木结构部位，选择采用喷射 C30 混凝土的方式，每次喷射 20 cm，厚度达到 200 cm，并在这些区域铺设钢筋网片（规格为 8200 mm*200 mm）。在施工过程中，当混凝土厚度达到 50 cm 时，横向设置 I16工字钢，纵向间距为 50 cm，同时在两侧设置 25 mm 的间隔，将长度为 2.5 m 的锚杆与工字钢连接，以形成一个具有保护功能的“保护壳”结构。这种结构能够有效支撑塌方区域，增加整体的稳定性。在施工的逐步推进过160交通科技与管理工程技术程中，非常重视掌子面围岩的稳定性，因此避免设备对其产生过大的扰动，以确保施工的安全性和稳定性达到标准。同时，在现场进行混凝土喷射施工时，还预留人孔，为后续的填充和灌浆工作提供基础4。4.2.7空腔回填为保证空腔回填的施工效果，在该工程施工时，应用混凝土泵车进行材料输送处理，填充 C30 混凝土，回填超过拱顶部位，每次施工高度在 1 m 以内，逐步填充整个结构。2 m 以上采用轻型材料（容重小于 1.5 t/m3）开展施工，应用泵管填充作业，全部施工结束后，应用水泥砂浆灌入到缝隙内，符合密实度标准。4.2.8调整 TBM 掘进、支护参数结合项目实际，经过详细分析地质勘察结果，能够准确判断掌子面围岩是否达到安全稳定的标准。如果勘察结果显示存在围岩不稳定的情况，将会采取超前加固的措施，以确保工程达到严格的安全性标准。在这种情况下，施工人员有责任将加固方案详细上报监理单位和业主单位，经过审批后方可进行施工。反之，如果地质勘察结果表明围岩已经稳定，将会进行 TBM 上部混凝土喷射施工。在进行混凝土喷射施工之前，首先降低TBM的转速，然后采取小推力、大贯入的方式进行推进。为确保结构的稳定性，采用钢筋制作支护排结构，并按照环向安装的原则进行布置。在安装 HW150 型钢拱架时，控制每两个拱架之间的间隔为 45 cm，并在适当位置安装灌浆管部件，以便进行后续的灌浆作业5。在进行掘进作业的同时，及时进行现场混凝土喷射施工，以确保施工进度和结构的稳定性。对于可能发生的撑靴塌腔情况，立即进行应急处理。一种方法是裸露的护盾后喷射 C30 混凝土，另一种方法是在拱架内焊接钢板，然后进行混凝土喷射，以达到有效加固的目的，确保结构的稳定性。材料配置表见表 1。表 1材料配置表序号名称型号单位备注1圆木150 cm方2方木20 cm20 cm300 cm根3工字钢I16t4薄钢板1 mm/2 mm/3 mm张6槽钢12/10t7钢筋20/16t8注浆管m9型钢拱架HW150榀10彩条布捆 5质量控制措施5.1塌方处理前的质量控制措施在开展施工前，应充分进行地质勘察和分析，确定断层破碎带的性质、范围和稳定性，并根据实际情况制定相应的施工方案。同时，进行现场勘查，掌握地质情况，包括地层、构造、水文地质等，以便针对性地选择施工工艺和支护措施。在施工前期，要严格按照设计要求进行材料的选用和预制，确保材料的质量达到标准，并经过必要的试验验证。此外，制定详细的作业指导书，明确施工流程和操作要点，保证施工人员严格按照规范进行作业，从而在塌方处理前确保施工质量和安全。5.2塌方处理过程中的质量控制措施在实际施工中，应密切监测塌方范围和变化趋势，采用现场测量、监控设备等手段进行实时数据采集，以确保及时掌握塌方动态。同时，严格遵循施工工艺，采用合适的支护措施，如设置“保护壳”、喷射混凝土等，保证施工过程中的结构稳定和安全性。施工人员需严格按照操作规程进行作业，确保每个环节的质量符合设计和规范要求。在塌方处理过程中，要定期进行质量检查和验收，对关键部位和关键环节进行重点监测，及时发现和处理施工中的问题，确保施工质量和安全，以达到预期的工程目标。5.3塌方处理完成后的质量控制措施首先，应进行全面的质量检查和评估，确保处理后的围岩结构稳定，没有存在裂缝、松动等安全隐患。其次，要进行实时监测，利用先进的监测设备跟踪塌方区域的变化情况，及时掌握动态信息，以确保塌方处理效果持续稳定。此外，还需进行定期维护和巡查，及时修复和处理任何新出现的问题，保持处理后区域的完整性和稳定性。最后，要进行相关数据的记录和分析，形成详细的施工报告，为类似工程提供宝贵的经验和教训，为今后类似施工项目的质量控制提供有力支持。6结语总之，TBM 穿越断层破碎带处理大规模塌方的施工方法，为解决地下工程施工中的复杂地质条件和安全风险提供有效的手段。通过合理的方案设计、监测手段和质量控制措施，成功处理塌方问题，确保隧道的稳定推进和安全施工。但是，需要强调的是，不同工程情境可能需要定制化的施工方案，对地质条件的精准判断和科学分析至关重要。因此，需要重视技术的研究与创新，为项目实施提供更多帮助。参考文献1 龚秋明,王瑜,卢建炜,等.基于对 TBM 隧道施工影响的断层带初步分级 J.铁道学报,2021(9):153-159.2 阳争荣,甘宇程,王松茂,等.TBM 穿越超长距离断层破碎带施工技术研究 J.广西水利水电,2021(3):50-55.3 韩强.引水隧洞 TBM 施工穿越断层破碎带卡机原因及脱困技术 J.陕西水利,2021(1):144-146.4 程庭.地铁隧道穿越断层破碎带的工法选择及辅助施工措施分析 J.市政技术,2018(6):78-81.5 丁银剑.某隧洞穿越断层破碎带施工期支护方案分析研究 J.水利科技与经济,2020(9):96-100.