浅析燃气管线盾构隧道穿越断层破碎带处理措施

张博

（北京燃气集团有限责任公司工程建设分公司，北京 100035）

北京市西六环燃气盾构工程是北京市六环路中段天然气隧道工程的一部分，隧道位于门头沟区西六环路的东侧，军庄镇的西南西山林场范围内，有林场防火公路沿隧道地表通过，交通条件较便利，穿行于丘陵区，地形起伏大，海拔高程135～220m，相对高差15～80m，山坡坡角20°～40°，山坡处多基岩裸露，山间谷地内覆盖碎石土，植被茂密。北隧道全长1678.541m，隧道采取盾构法施工。盾构法属于暗挖法施工中的一种。首先将盾构机械在隧道或地底中推进，通过盾构机的外壳和在隧道内铺设的管片支承四周防止隧道内的坍塌，同时在开挖作业面前方用盾构机刀盘旋转、切削进行土体开挖。从土仓通运用机械装置将土运出洞外，依靠顶紧装置在后部进行加压顶进，同时拼装预制混凝土管片，形成盾构隧道的一种全机械化施工方法。从1897～1980年，在世界范围内用盾构法修建的地下隧道已有20余条。日、德、法等国很早就把盾构法广泛使用于各类大型地下隧道的施工。本文针对该工程，分析工程地质构造及水文条件，对其施工管理提出有效的预防措施。

1 工程地质构造、水文介绍及分析

1.1 工程地质构造

北段隧道工程地处门头沟区军庄镇，其位于北京西山褶皱隆起区。该段隧址区地层岩性主要为：粉质粘土、碎石土，侏罗系中统凝灰质砂岩、凝灰质砾岩，侏罗系下统凝灰岩及玄武岩等；二叠系上统砂岩、砾岩等。拟建隧道位于香峪大梁向斜北西翼，具体位置如图1所示。

图1 工程位置图

1.2 工程水文条件

（1）地表水。区域内地表水系主要为永定河。未见常年性地表水，仅在雨季地表水在低洼沟槽内汇集通过，隧道进出口及浅埋段在集中降雨、融雪时容易形成季节性漫流。

（2）地下水。地下水主要为基岩裂隙水，赋存于基岩节理裂隙内，本区域大气降水多，以地表径流排向区外，地下水补给来源贫乏，基岩裂隙水量较小，在断层带、节理密集带、接触带等段落水量较大。隧道洞身部分处于浅埋及土岩变化带内，由于地表水下渗，易局部富集，易塌方、滑塌。

1.3 断层的定义及分类

（1）概念。岩体或岩层在地壳的运动影响下发生了相对较大位移，可称为断层。通常岩体在地质综合作用力下，可能出现上、下、左、右的位移。断层破坏了岩体的连续完整性，对岩体的稳定性、渗透性、都有重大影响。

（2）组成断层的要素。大体分为：断层面、断层线、断盘、断距。

断层面：在综合力的作用下使两个岩体发生相对位移的面。

断层线：地面与断层面的交线。

断盘：断盘可分为上盘（hanging wall）和下盘（foot wall），在综合力的作用下断开的两侧的岩体，其中位于断层面以上的为上盘，位于断层面以下为下盘。

断距：断层两盘中对应层因断裂产生出的相对距离。

工程中的断层相关风险源如表1所示。

表1 风险源分析

2 盾构隧道穿越断裂带危险性及措施

2.1 隧道断裂带危险性分析

受断裂带影响的区域一般埋深在20～50m内，岩体的强度大，但强度不均匀导致稳定性不好。盾构机在通过破碎带时易出现以下风险：（1）隧道坍塌事故；（2）盾构机遇较大碎石刀具磨损严重，前进速度慢、难度大；（3）渣土改良不好，容易发生刀盘结泥饼现象及喷涌；（4）长时间停机掌子面遇水软化崩解，施工风险大。

2.2 预防措施

2.2.1 施工准备

施工人员准备。盾构机在经过破碎带的时候容易出现渗水等情况，为了防止管片沉降或坍塌，施工时成立监测小组，对隧道内进行监测、检查。

机械材料准备。检查盾构机各系统，对盾构机各系统，特别是液压推进系统、各泵站的叶轮泵壳进行检查，确保盾构机的工作状态，同时对泥水处理系统、空压机、行吊、电瓶车、装载机、叉车等关系到盾构机掘进的机械设备加强检查，以减少因设备故障造成的盾构机停机时间，确保盾构安全、连续、快速的通过破碎带。技术准备。各种方案、交底、预案制定并完善，断层破碎带隧道上方监控点布置完成。

施工过程中的准备。盾构机经过破碎带前进时，按照“持续、迅速、安全”的施工原则，通过该破碎带区域。

2.2.2 监测布置

（1）施工监测点布置。地面沉降监测点：地面沉降监测点间距：每5m设置1个监测点。监测范围：断层破碎带及影响区范围。埋设方法：采用全站仪沿隧道沿线的地面导线点为依照精准定位，再用冲击钻与水钻一起钻孔φ100～150mm。并在孔中放入φ18mm长约800mm的钢筋，钢筋顶端为圆面且低于地面5～10mm，周围需用细沙填补。在监测孔里面埋入与之匹配的套管，并用管帽将监测孔盖好，保护好监测点。为确保断层破碎带及影响区盾构隧道施工期间结构及各重要风险源的安全，根据设计要求结合隧道通过的地质条件，施工方法等特点，在正常段隧道监控项目和监测频率的基础上，在地面增设必要的地面沉降监测点并加大监测频次。将沉降值、过程中安全状况、相关数据信息反馈给监理工程师。

（2）监测管理体系（如图2所示）。

图2 监测组织机构图

2.2.3 断裂带遇水措施

（1）控制掘进速度。根据前期施工总结掘进参数及本工程断层破碎带状况，在进行穿越断层破碎带掘进施工时，拟采用如表2掘进参数。

表2 掘进参数

（2）渣土改良。在本段构造破碎带地层中，为降低对盾构机刀具的磨损，采用向刀盘注入含水量较多的泡沫，这样不仅可以使盾构机刀具冷却，同时又可以使渣土具有不错的流动性。

（3）支护及喷锚。在破碎带地层中，为防止碎石坍塌，给破碎带提供部分支撑力，在这段区域内进行简单的木桩支护及水泥浆喷锚。

2.3 险情措施

施工前成立应急指挥小组，当发生坍塌事故时：（1）盾构应急指挥领导小组立即赶赴坍塌现场，停止盾构掘进，保持土仓压力。（2）应急小组成员须立即上报险情给监理方、建设方及相关方。（3）在塌陷区域周围设置警戒线及标识，疏散周围群众，安排相关人员维持现场秩序，组织抢险队成员按照应急预案进行抢险。（4）对已经发生塌陷处回填粉质粘土，利用潜水泵抽出坍塌内积水。（5）对已回填完塌陷处的四周进行加固，可采用旋喷桩法。（6）对已回填完塌陷处进行沉降监测，及时向相关部门反馈监测的数据。（7）塌陷体或掌子面加固密实后，满足开仓条件时，开仓检查刀具，更换磨损刀具及处理刀盘泥饼。（8）为保持盾尾的密封性须加足量的油脂，以防止产生涌沙、渗水等现象。

在最短时间内与相关部门及时取得联系（如消防队119、急救120）救助，并按法定程序上报政府主管部门。

3 结语

本文针对北京西六环盾构隧道工程，阐述了盾构隧道穿越断裂带的危险性，分析了地质构造及水文条件，对盾构隧道穿越断裂带提出有效的预防措施，包括：施工准备、监测布置、断裂带遇水措施等，确保工程的安全开展。