蔚小英

（山西路桥第一工程有限公司,山西 太原 030012）

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+370~K29+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730~1 400 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）。

图1 拱顶塌方

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Ⅳ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]。

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+370~K29+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。

4 TBM 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 cm×20 cm×300 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8@200 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

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。