于佳佳
合肥市轨道交通集团有限公司
摘要：海底隧道施工具有地质条件复杂、施工风险高、工期控制难等特点，针对TBM和EPB单护盾双模式岩石掘进机穿越海底断层地质破碎带存在涌水、卡机及螺旋机喷涌等风险，文中提出采用HSP超前探测和超前物探相互印证的综合超前探测技术，同时实施超前注浆加固、盾构模式转换的综合控制技术，确保了盾构机穿越断层破碎带的施工安全。
1、前言
当前全国各个城市地铁发展迅速，地铁施工面临的地质和环境风险愈加丰富，与此同时隧道施工技术也在不断发展。但TBM和EPB单护盾双模式岩石掘进机在海底隧道中应用较少，本文结合某地铁海底隧道为例，研究TBM和EPB单护盾双模式掘进机在断层破碎带施工中各项控制措施，为后续类似隧道工程提供借鉴和参考。
2、工程概况
某地铁区间过海隧道采用中铁装备150#单护盾双模式（TBM&EPB）岩石掘进机进行隧道施工，隧道全长2110m，由陆域段60m和海域段2050m组成，其中TBM空推100m，在TBM模式下掘进1379m，在F5断层位置进行模式转换，将敞开模式转换为土压平衡模式，采用EPB模式掘进剩余的631m。
该隧道隧顶最小埋深29.49m，最大覆岩埋深52.49m，以微风化凝灰岩和微风化安山岩为主，强度以30~ 50MPa为主，局部近70MPa。其陆续穿越F7、F6、F5共3条断层破碎带。其中F5断层破碎带由F5b和F5a组成，地质状况尤为复杂，F5断层破碎带影响宽度约490m，次级结构面延伸较远，岩体破碎，整体上盘岩体较下盘更为破碎，局部Ⅴ级围岩。围岩饱和抗压强度9.4-54.2MPa，平均35.2MPa。隧道上方海水水深5-7m，隧道周边以基岩裂隙水为主，隧道涌水压力约0.4MPa。
3、施工风险
F5b与F5a地段由于岩层破碎，节理发育，局部海底无隔水层，水压高达0.4MPa，存在较大涌水风险。
（2）TBM穿越F5断层约490m，上盘和下盘破碎，节理发育，TBM模式下土仓内无压力，存在冒顶卡机等风险。
4、TBM和EPB双模式盾构穿越海底断层破碎带控制技术
4.1、超前地质预报
（1）HSP超前地质预报
采用中铁西南科学研究院研制的HSP超前地质预报仪进行超前地质预报工作，HSP超前地质预报主要原理是在TBM机身布置机械震动信号接收检波器，通过注浆孔在两侧壁围岩布置声波接收检波器，测试时，机械震动信号接收检波器接收TBM掘进过程中机械震动噪声，2排声波接收检波器同时接收TBM掘进产生的震动信号，采用必要的、合适的滤波及信号提取技术进行处理，识别出TBM刀盘前方不良地质体的反射波信号，分析探测岩石破碎的结构面位置，从而对隧道掌子面前方地质情况进行预报。
TBM掘进至距离F5断层50m处，采用HSP超前地质预报每循环探测100m（掘进70m，搭接30m）的方式对F5断层破碎带全长490m范围进行超前地质预报。HSP超前地质预报技术安全性高、操作简单、适用于断层、节理发育地质条件的预报工作。
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图1 HSP超前地质预报图
（2）超前物探
在HSP超前地质预报的基础上，对HSP超前地质预报给出的Ⅳ级和Ⅴ级围岩实施超前钻孔物探加以验证，形成HSP超前地质预报和超前钻孔物探综合地质预报。在中盾位置设置14个倾角13°的超前探孔，其中上方180°均匀预留10个超前钻探孔，下方预留4个超前钻探孔，孔径100mm，同时在承压墙上设有8个水平超前探孔。将地质钻机安装在拼装机预留位置上，固定牢靠，利用拼装机旋转角度实现360°旋转，超前钻机设置可调俯仰角底座，依据以上两个方向的调节，实现钻机的角度确定。超前探孔单次循环不小于30m，掘进20m，搭接10m，范围为隧道开挖线以外3m。钻进过程钻机钻进速度控制在150～200mm/min。根据设备钻进的速度、推力、扭矩、岩土体的成分、卡钻情况以及水流情况综合判断刀盘前方30m范围内地质情况,。
4.2、超前地质加固
通过HSP地质预报和超前物探相互印证，判断出F5a和F5b断层破碎带的Ⅴ级围岩范围及位置，对掌子面前方地质条件较差、地下水丰富、洞内渗水夹泥砂，无法正常掘进等地质段进行超前注浆加固。利用超前地质钻孔实施超前注浆，固结破碎围岩达到止水效果。
超前注浆设备采用ZJS-7液压式矿用注浆机，超前注浆单次循环不小于30m，掘进20m，搭接10m，注浆范围为隧道开挖线以外3m。注浆材料以普通硅酸盐水泥和硫铝酸盐水泥为主。普通水泥浆水灰比1.4~1.2，硫铝酸盐水泥单液注浆水灰比为0.6～1.2，为使水泥浆充分扩散，保证注浆质量，注浆连续压力宜控制1.5～4.0MPa，注浆速率5～110L/min，单孔扩散半径不小于2m。
4.3、模式转换
（1）模式转换位置选择
根据地质预报及超前物探情况，选择在破碎带前方20m稳定的Ⅲ级围岩内进行模式转换，由TBM模式转换为EPB模式，以保证足够的安全距离。
（2）模式转换前准备工作
在盾尾后4、5、6环采用水泥-水玻璃双液浆打设止水环箍，并检查止水效果，隔断管片背后水流通道。通过TBM自身的径向注浆孔向盾体周围压注高浓度膨润土浆液进行填充，防止TBM长时间停机卡壳。
（3）模式转换流程
模式转换主要流程包括：后配套后退、设备桥支撑、主机皮带拆除、拆除土仓内溜槽结构、安装过度结构、泡沫管路、回转接头、安装螺旋机、设备桥连接。
5、总结
（1）结合本工程海底隧道施工风险，针对F5断层地质破碎带提出采用HSP地质预报和超前物探相互印证的方式进行综合超前地质预报。
（2）总结本工程注浆加固参数、模式转换位置选择和转换流程。
参考文献：
1、卢松.汪旭.李苍.松孟露应用HSP法的TBM隧道施工地质预报技术研究[J].现代隧道技术，2020（06）；30-35
2、程龙.青岛地铁1号线过海隧道穿越断层破碎带风险综合控制技术[J].智能城市，2020（06）；1-4
3、陈伟国.TBM和EPB双模式可转换盾构施工技术在复合地层中的应用[J].路基工程，2020（03）；210-212