盾构机穿越断裂带围岩变形特征与支护优化措施研究

为什么穿山隧道会突然出现异常

近年来，公路和铁路长隧道穿越世界上一些最高最崎岖的山脉。这些通道通常由巨型盾构机（TBM）在坚硬岩体中稳步掘进而成。但当盾构机遭遇隐伏断裂带——被古地震击碎并削弱的岩体时，隧道可能发生变形、塌陷，甚至导致盾构机被困。本文研究了中国一处山岭隧道中的此类高风险工况，并展示了如何通过精心设计的支护体系显著降低这些危险。

深山隧道中的问题路段

研究聚焦于四川省的大凉山一号隧道，该隧道全长超过10公里，穿越陡峭的V形峡谷。线路大部分通过相对完整的坚硬岩体，但有一段穿越F1断裂破碎带，在该带内，原本致密的玄武岩和凝灰岩被破碎成风化弱化的碎屑。在该带中，顶板和洞壁出现块体脱落、形成大空洞、渗水增多，盾构机的常规支撑接触面丧失承载力。早期掘进时，这些状况导致严重落石、钢支撑变形、洞壁围岩收敛，甚至出现盾构停机后被困的情况。

测量地表和围岩的位移

为了解清问题成因并寻求控制方法，团队采用了三管齐下的手段。实验室方面，对断裂带采集的粉状岩芯样品进行试验，判定风化岩的强度与性质；数值方面，使用ABAQUS有限元程序模拟一台盾构掘进通过宽8米、倾角40°、宽40米的断裂带的工况；现场方面，在若干断面布设监测仪器，记录掘进过程中隧道拱顶、洞壁及地表的位移变化。试验、数值模拟与现场监测的综合，使他们能够将地下观测到的变形与山体内部应力再分配联系起来。

当盾构遇到断裂带会发生什么

模拟与监测揭示了明确的规律：变形在断裂带中部最大、两端较小。随着盾构进入F1最弱的中核，隧道拱顶出现显著下沉——最大可达92毫米，上方地表最大沉降约为42毫米。拱顶在盾构到达监测断面之前约10米开始沉降，并持续到其后约10米。侧墙响应较晚且幅度较小，最大位移约15毫米。在断裂带外、岩体完整处，沉降增量降到5毫米以下，隧道行为趋于稳定。若不采取措施，断裂带中核的大位移会威胁到施工人员安全并影响盾构的持续掘进能力。

构建更强的隧道“外壳”

基于上述发现及其他工程经验，工程师为该段断裂带地层设计了强化支护体系。除常规钢拱架和普通喷射混凝土外，他们在洞室周边布置了密集的新型钢筋条，采用更高强度配比的喷射混凝土，并通过模板与注浆形成盾构抓锯鞋的稳固承压座。在非常松散或塌陷区，采用自钻锚杆和玻璃纤维锚索，并用混凝土回填空洞与喀斯特洼陷。将这些措施纳入数值模型后，预测位移大幅减小，现场监测也证实了支护效果的提升。

隧道变得更安全的程度

加固后，各监测断面拱顶最大沉降降至约17毫米，地表沉降约7毫米——相较于未加固情况约降低了80%。洞壁和拱脚仅移动几毫米，整体变形模式变得更平滑、更可预测。岩体剥落和塌陷空洞显著减少，盾构抓锯鞋的承载条件改善，盾构能够持续推进而不再重复被困。就工程实践而言，升级后的支护把一段高度不稳定的隧道段转变为可控的工程问题。

对未来隧道工程的启示

对非专业读者来说，核心信息是：断裂带内的“劣岩”并不必然使深埋隧道项目失败。通过先测量岩体行为、再模拟隧道与山体的相互作用、最后针对具体条件定制加固措施，工程师可以在风化破碎岩中大幅限制隧道变形——即便位于地表下千米深处。大凉山一号隧道的做法为其他必须穿越类似组合（风化岩与古今断层）的山岭隧道提供了可借鉴的路线图，有助于提高安全性并降低盾构停工的风险。

引用: Lan, F., Du, W., Li, R. et al. Research on surrounding rock deformation characteristics and support optimization measures for tunnel TBM crossing through fault fracture zones. Sci Rep 16, 5572 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35748-3

关键词: 盾构机, 断裂破碎带, 隧道支护, 地面沉降, 山岭隧道