德建水库供水工程TBM穿越断层破碎带施工研究

武宝君

（广东省水利水电第三工程局有限公司，广东 东莞 523710）

1 工程概况

连山县德建水库供水工程为长距离引水工程，此次建设内容为德建水库至吉田镇石龙嘴水厂主输水线路及石龙嘴水厂的扩建。

根据地表调查和勘探揭露，德建水库引水隧洞围岩为弱风化石英砂岩和弱风化花岗闪长岩，两种岩性饱和抗压强度基本位于60～150 MPa，岩体较完整，围岩基本稳定，隧洞段围岩以Ⅲ、Ⅱ类为主，适宜采取TBM施工工法。

2 地质特征及施工风险

2.1 超前地质预报

为查明该水库引水隧洞地质情况，必须展开超前地质预报，通过地震波法超前探构造，并采用电法展开超前探水。在应用地震探测技术的过程中，当地震波遭遇波阻抗差异界面，部分信号发生反射，部分信号投射进前方介质；并在地质岩层界面或岩体间断界面出现波阻抗变化，据此确定出不良地质体所在位置。

2.2 地质特征

该供水工程引水隧洞桩号2+986.89～3+186.89段平行发育2条断层，断层带和影响带宽0.40～1.50 m和1～3 m，层面平直起伏，断层带内存在挤压碎裂岩和角砾岩，并存在长10 m 以上、宽1～2 mm的泥膜，断层与洞线大角度相交并贯穿洞室；断层破碎带宽度大，裂隙发育，层间结合不良，沿裂隙面存在明显的卸荷迹象，围岩稳定性差，开挖期间极易发生塌方。

在6+786～6+740 段TBM 左侧撑靴处存在长度为1～3 m 的软弱夹层，断层面粗糙起伏，断层带以角砾岩、挤压碎裂岩和断层泥为主，并存在1～5 mm厚的泥膜；断层带中可见绿泥石化蚀变和褐铁矿化迹象，强度低，层间结合不良，侧面洞壁位置易垮塌；受断层结构影响，局部糜棱岩化趋势明显。软弱夹层使撑靴处支撑力严重不足，不利于正常掘进。

2.3 施工风险

TBM 在断层破碎带和软弱夹层掘进施工的过程中，发生围岩失稳塌方、隧洞围岩大变形、涌水、撑靴支撑力不足等地质灾害的频率非常高，使撑靴打滑，掘进期间持续震动，导致围岩岩体滑移、坠落，进而引发卡机、刀盘停转等事故。顶护盾和刀盘上方出现塌腔后，引发地质应力集中，造成部分钢筋排和钢拱架变形、混凝土开裂、初支破坏。

3 三维数值模拟

为分析TBM穿越该水库引水隧洞断层破碎带时围岩变形特征和TBM 护盾受力特性，按照引水隧洞洞径的7 倍确定FLAC3D数值计算模型横向和竖向计算范围，并按照洞径的12倍确定模型纵向计算范围。所确定出的模型长、宽、高分别为80、50、25 m，断层破碎带层面倾角为90°直角，纵向计算长度为50 m。

TBM主要包括机身前盾、后盾及刀盘等部分，为降低护盾被卡风险，机身护盾分节段设计，前后盾按阶梯状布置，隧洞开挖过程中，通过豆砾石回填洞壁和TBM 管片间隙。TBM 机身材料参数取值情况见表1。基于隧洞地应力实测结果和实际埋深，通过线性回归方法推算不同洞段水平主应力最大最小值，断层破碎带周围围岩地应力推算结果见表2。

表1 TBM机身材料参数取值表

表2 断层破碎带周围围岩地应力表

在无支护情况下，该引水隧洞洞周围岩变形规律见图1所示，由图可知，掌子面支撑效应影响范围为掌子面前方2倍半径和掌子面后方4倍半径处。对于硬质岩层中的掌子面，洞周围岩变形较小；而对于软弱破碎围岩中的掌子面，隧洞洞周变形较大。TBM在穿越断层破碎带施工时，除应考虑软弱围岩变形特征外，还必须考虑硬质围岩对软岩地层围岩变形的约束。

图1 引水隧洞开挖后洞周围岩变形曲线图

4 施工支护技术要点

4.1 断层破碎带预报与预测

该水库引水隧洞断层破碎带地质条件复杂，通过物探超前地质探测，提前了解掌子面前方围岩地质条件和地下水赋存程度，并结合地表地质测绘和隧洞内地质素描展开综合地质条件分析，采取有效的超前支护加固措施。

不同地质条件下，TBM 掘进施工的贯入度、推力、刀盘扭矩、转速、掘进速度、撑靴压力等掘进施工参数不尽相同，必须结合掘进施工期间部分掘进参数的变化，洞悉前方围岩变化，例如通过刀盘扭矩的改变推测前方围岩完整性；根据推进压力推测围岩强度。如遇断层破碎带，刀盘推力必然骤降，贯入度和刀盘扭矩明显增大，为此，必须适时调整和控制TBM掘进参数，确保顺利通过。

4.2 施工支护要点

4.2.1 预加固

TBM 掘进过程中，断层破碎带、软弱结构面、节理裂隙发育段是掘进过程中地质灾害频发发生的区域。刀盘前方围岩破碎后，通常在掌子面和护盾顶部发生塌腔，并增大出渣量；一旦刀盘脱离掌子面，可能出现更大的塌腔，此时如果停机，护盾会被上方破碎围岩压死，刀盘也会随之卡死。

基于超前钻探结果，对隧洞前方地质条件展开预先判断，对于不适合TBM 掘进的区段，必须展开超前预注浆和超前管棚注浆加固。在注浆前，通过TBM 自身所配备的喷射系统在刀盘开挖后喷射混凝土，避免掌子面围岩坍塌。

进行预加固的目的主要在于有效阻断断层破碎带裂隙水的贯通性，并借助浆液固结作用使破碎围岩形成相对整体，提升结构强度，防止出现卡机和涌水。

4.2.2 掘进参数调整

TBM掘进参数应随地质条件、出渣情况而相应调整，在掘进过程中，如果施工参数突然改变，必须及时调整。一般情况下，若无大块石渣，掘进中也无围岩塌落时，应采用高速掘进；若出现大块石渣和围岩塌落，则应降低掘进速度，以减少周围围岩受刀盘扰动的程度以及出渣量。

4.2.3 及时支护

对于断层和裂隙结构面组合切割等洞段，必须通过增设钢支撑、加强支护能力等方式，减少支护段变形，提升围岩稳定性。应按照45 cm 间距加密设置HW150 型钢拱架，并通过12槽钢焊接拱架，按照1 m 间距和360°环向布设，与钢拱架满焊连接；钢筋排则通过4根φ20 mm单槽支护。

4.2.4 撑靴支撑力提升

断层破碎带、节理裂隙发育带及软弱结构面掘进时，因岩体缺乏自稳性，强度低，受到TBM 掘进设备振动的影响后，撑靴周围围岩便发生松动，出现掉块、塌腔和围岩失稳、塌穴，无法向TBM 撑靴提供足够支撑力，甚至引发更大面积塌腔。必须换填滑塌的撑靴部位，打设锚杆并注浆，提高围岩强度。

5 结论

TBM 在穿越断层破碎带及软弱结构面时，隧洞洞周围岩变形规律和穿越单一硬质地层完全不同。通过超前地质预报、预加固围岩、控制和优化TBM 掘进参数等措施，提升围岩表面强度和围岩结构稳定性，降低TBM 穿越断层破碎带期间的施工风险。仿真分析结果，支护措施实施后，断层破碎带围岩最大收敛位移减小，支护作用对隧洞周围围岩变形影响显著，为引水隧洞TBM 施工顺利穿越断层破碎带提供了保证。