TBM隧道花崗巖蝕變帶突泥涌水處理方案研究*

楊志勇

(云桂鐵路云南有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011)

0 引言

隧道施工中遇到的突泥涌水問題日益增多，尤其是隧道通過破碎帶時(shí)發(fā)生突泥涌水、坍塌的災(zāi)害最為常見。因此，開展隧道突泥涌水研究具有重要意義[1-3]。目前，已有相關(guān)學(xué)者開展了該方面研究，如畢煥軍[4]、錢富林[5]、劉欽等[6]和范亦農(nóng)等[7]分別對大梁隧道、關(guān)角隧道、龍?zhí)端淼兰敖废铀淼赖耐荒嘤克畽C(jī)理開展了對應(yīng)研究，并結(jié)合工程實(shí)際提出了相應(yīng)的處置措施，有效指導(dǎo)了現(xiàn)場施工。但受區(qū)域地質(zhì)條件及施工因素的影響，不同隧道的突泥涌水機(jī)理存在一定差異，進(jìn)而仍需結(jié)合具體工程開展相應(yīng)研究。本文以大瑞鐵路高貢山隧道突泥涌水事故為工程背景，結(jié)合工程實(shí)際，提出了針對花崗巖蝕變帶突泥涌水問題的不同解決方案，并對不同方案進(jìn)行了合理分析，為今后解決類似工程問題提供參考。

1 工程概況

高黎貢山隧道全長34.538km，為時(shí)速140km/h的電氣化鐵路隧道，洞內(nèi)線路縱坡為“人”字坡，最大線路坡度為23.5%。全隧共分布有19條斷層及2個(gè)向斜，其中4條為導(dǎo)水熱斷層(裂)，2條為活動(dòng)斷裂。全隧預(yù)測最大涌水量為19.2萬m3/d。隧道最大埋深1 155m。

出口工區(qū)采用TBM掘進(jìn)施工為主，TBM施工區(qū)段長13.34km，正洞采用1臺直徑9.03m敞開式TBM施工，平導(dǎo)采用1臺直徑6.36m敞開式TBM施工。高黎貢山隧道出口工區(qū)正洞、平導(dǎo)分別于2016年8月1日和2016年5月1日開始施工，正洞段長13 260m，平導(dǎo)段長11 518.58m。截至2019年10月28日，正洞TBM掘進(jìn)4 579m，平導(dǎo)TBM掘進(jìn)4 461m。

1.1 出口工區(qū)地質(zhì)特征

1.1.1地質(zhì)構(gòu)造特征

隧道出口工區(qū)以燕山期花崗巖為主，地表零星覆蓋第四系坡殘積粉質(zhì)黏土。本次不良地質(zhì)段鄰近鉆孔揭示有節(jié)理密集發(fā)育的巖體破碎帶(Fbr)。其次隧區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的板塊結(jié)合帶，為青、藏、滇、緬巨型“歹”字形構(gòu)造西支中段弧形構(gòu)造帶與經(jīng)向構(gòu)造帶之“蜂腰部”南段。工作區(qū)內(nèi)，怒江斷裂帶(F1)和瀘水-瑞麗斷裂帶(F2)在本工作區(qū)北緣緊密擠壓成平行索狀，往南兩斷裂帶逐漸撒開，由南北向轉(zhuǎn)向南東或南西向偏轉(zhuǎn)，呈一帚狀形態(tài)。兩斷裂帶間三角地帶為侵入的花崗巖體。南北向轉(zhuǎn)南西向弧形構(gòu)造帶、南北向構(gòu)造帶及東北向構(gòu)造帶組成區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系，形成“A”字形基本構(gòu)造骨架。距區(qū)段最近為廣林坡斷層，與隧道交于D1K220+972，線路與斷層交角59°，走向N63°W，傾向SW，傾角約60°。地表發(fā)育于志留系中上統(tǒng)(S2-3)條帶狀、網(wǎng)紋狀灰?guī)r、砂質(zhì)白云巖、砂巖夾頁巖中，洞身段穿燕山期花崗巖地層，斷裂附近巖體破碎，糜棱巖、碎裂巖發(fā)育。沿?cái)鄬佑谢◢弾r侵入。

1.1.2水文地質(zhì)特征

隧區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，地表局部溝槽少量第四系松散巖類孔隙水，地下水受地表水系、地形地貌和構(gòu)造形跡的控制，區(qū)內(nèi)發(fā)育的由南北向轉(zhuǎn)為南西向的弧形瀘水-瑞麗斷裂帶(F2)，和由南北向轉(zhuǎn)為北東向的怒江斷裂帶(F1)，使地下水的徑流與排泄都受斷裂帶的控制。縱伸于測區(qū)中部的高黎貢山是地表水系的天然分水嶺，區(qū)內(nèi)地下水徑流系統(tǒng)的分水嶺位置與地表徑流系統(tǒng)一致。由于受到地形的控制，總體上是從北向南徑流的，在區(qū)內(nèi)集中化排泄程度不高。

隧區(qū)地下水以大氣降雨補(bǔ)給為主，局部受地表水體補(bǔ)給。其補(bǔ)給條件與降雨量、地形地貌及巖性等條件密切相關(guān)，沿分水嶺地帶高黎貢山區(qū)平均年降雨量均在2 000mm以上，且降雨量相對較大。因而，地下水獲得的補(bǔ)給量相對較大，該區(qū)具有地下水相對豐富、徑流途徑短、沿溝谷滲透匯集等特征。

1.2 局部突泥涌水處理情況

2019年8月27日，出口平導(dǎo)TBM掌子面掘進(jìn)至PDZK221+481處揭示圍巖為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，刀盤前方巖體呈泥砂狀隨水流不斷涌出，涌渣量約100m3，突涌情況穩(wěn)定后滲水情況隨之減小至衰竭，同時(shí)TBM護(hù)盾及盾尾主梁區(qū)域拱部出現(xiàn)變形沉降，拱頂巖體呈巨塊狀下沉形成錯(cuò)臺，下錯(cuò)高度約5cm，頂護(hù)盾被圍巖擠壓至極限位置(原有限位塊受擠壓彎曲變形)，盾尾拱架出現(xiàn)扭曲變形。

出口平導(dǎo)TBM自2019年8月27日在PDZK221+481處卡機(jī)以來，其處理過程可分為3個(gè)階段：平導(dǎo)卡機(jī)常規(guī)處理階段、增設(shè)高位導(dǎo)洞及盾尾管棚工作室階段、管棚工作室突涌及應(yīng)急處理階段。另外，正洞TBM在掘進(jìn)至D1K221+547.5(位于平導(dǎo)TBM后方66.5m)時(shí)，結(jié)合平導(dǎo)揭示的不良地質(zhì)情況，采取主動(dòng)停機(jī)以探測前方地質(zhì)情況。

1.3 局部突泥涌水揭示及地質(zhì)補(bǔ)勘

1.3.1圍巖情況

1)平導(dǎo)(盾尾里程PDZK221+486.5)

平導(dǎo)盾尾拱部右側(cè)圍巖為弱風(fēng)化花崗巖，局部節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體呈塊狀構(gòu)造，巖質(zhì)較硬，整體地下水弱發(fā)育，以滴狀、線狀裂隙水為主。

2)正洞(掌子面里程DK221+547.5)

2019年10月21日，高黎貢山隧道出口正洞掌子面里程D1K221+547.5，掘進(jìn)過程中扭矩由2 300kN·m增大至3 000～4 800kN·m，查看掌子面發(fā)現(xiàn)5點(diǎn)至11點(diǎn)位置圍巖為全～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，無水、較穩(wěn)定，右上側(cè)圍巖完整，強(qiáng)度較高。護(hù)盾及盾尾左側(cè)拱腰8點(diǎn)至10點(diǎn)范圍圍巖極破碎，掉塊形成空腔，環(huán)向?qū)挾燃s3m，徑向深度約1.5m，延伸至刀盤區(qū)域，其余位置圍巖完整。

1.3.2地下水情況

2019年8月27日，平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至掌子面里程PDZK221+481，揭示洞內(nèi)圍巖為燕山期花崗巖，地下水發(fā)育，呈滴狀滲水及線狀流水，拱頂左側(cè)見股狀水流出，水量約4m3/h，水質(zhì)清澈，無壓力，為基巖裂隙水。

平導(dǎo)PDZK221+481不良地質(zhì)處理期間，平導(dǎo)施作鉆孔51個(gè)，其中6個(gè)鉆孔揭示有高壓水，判斷掌子面前方存在封閉囊狀水，并具有高壓富水特征。

1.3.3地質(zhì)補(bǔ)勘情況

對應(yīng)地表水未出現(xiàn)下滲，地表部分花崗巖呈全～強(qiáng)風(fēng)化狀，礦物成分有綠泥石蝕變現(xiàn)象，寬度約45m。

1)物探

通過使用TPS探測、HSP探測、TBM破巖震源波探測、激發(fā)極化探測等探測方法進(jìn)行探測。分析結(jié)果如下：平導(dǎo)PDZK221+479—PDZK221+466，PDZK221+444—PDZK221+434區(qū)段節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎～極破碎，圍巖自穩(wěn)能力差。正洞D1K221+540—D1K221+530，D1K221+519—D1K221+478，D1K221+458—D1K221+456區(qū)段附近節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，局部巖體自穩(wěn)能力差，局部發(fā)育地下水。

2)鉆探

正洞、平導(dǎo)以及高位導(dǎo)坑施作泄水孔、超前探孔(35個(gè))及管棚共76個(gè)，采用自帶風(fēng)壓回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)+水鉆工藝。根據(jù)超前鉆孔判斷，平導(dǎo)護(hù)盾前方3～24m范圍為強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水弱～較發(fā)育；迂回導(dǎo)坑前方5～40m范圍為強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水較發(fā)育；前方0～24m范圍為強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，地下水弱～較發(fā)育。

1.3.4地質(zhì)條件分析

根據(jù)平導(dǎo)、迂回導(dǎo)坑等鉆孔探測情況，推測PDZK221+481卡機(jī)段前方發(fā)育構(gòu)造風(fēng)化破碎帶，該破碎帶具有巖體破碎、部分泥化、高壓富水、易涌突的特征。破碎帶走向約為N74°E，與線路走向夾角約24°，推測構(gòu)造破碎帶大里程側(cè)邊界與平導(dǎo)交于PDZK221+483，與正洞交于D1K221+553附近。小里程側(cè)邊界未探明，具體寬度需進(jìn)一步驗(yàn)證(推測破碎帶寬度>20m)。根據(jù)超前鉆孔，平導(dǎo)盾尾前方強(qiáng)～強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度3～24m，迂回導(dǎo)坑洞室前方弱風(fēng)化花崗巖厚度5～17m，正洞盾尾前方強(qiáng)～弱風(fēng)化花崗巖厚度0～24m。

根據(jù)正洞掌子面圍巖情況、探孔及地表調(diào)繪，推測目前正洞掌子面已接近該構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。平導(dǎo)掌子面右側(cè)7m以外，前方35m為弱風(fēng)化花崗巖，巖體穩(wěn)定性較好。

2 處理方案研究及優(yōu)缺點(diǎn)分析

2.1 處理方案

2.1.1方案1：自平導(dǎo)TBM后方右側(cè)增設(shè)迂回導(dǎo)坑

1)處理措施

在平導(dǎo)TBM后方約245m處右側(cè)(面向掌子面，下同)增設(shè)迂回導(dǎo)坑，并在廣林坡斷層前轉(zhuǎn)入平導(dǎo)線位，利用迂回導(dǎo)坑超前施工平導(dǎo)及正洞的廣林坡斷層范圍。

從迂回導(dǎo)坑向平導(dǎo)PDZK221+481附近增設(shè)高位支洞，通過高位支洞對平導(dǎo)上方的不良地質(zhì)進(jìn)行泄水、加固。利用迂回導(dǎo)坑超前平導(dǎo)，并反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)。當(dāng)正洞TBM遇到不良地質(zhì)并出現(xiàn)卡機(jī)時(shí)，可通過迂回導(dǎo)坑繞行加固處理。當(dāng)平導(dǎo)TBM需檢修時(shí)，可在平導(dǎo)線位設(shè)置TBM檢修洞。

2)迂回導(dǎo)坑設(shè)計(jì)(見圖1)

圖1 迂回導(dǎo)坑靠近廣林坡斷層附近段平面示意

迂回導(dǎo)坑沿平導(dǎo)右側(cè)(面向掌子面)30m平行設(shè)置，考慮梭礦等有軌運(yùn)輸?shù)囊?，轉(zhuǎn)彎半徑按50m控制。迂回導(dǎo)坑轉(zhuǎn)入平導(dǎo)的具體里程應(yīng)結(jié)合探測確定的廣林坡斷層位置確定。迂回導(dǎo)坑標(biāo)高與兩端平導(dǎo)交點(diǎn)處的軌頂標(biāo)高齊平順接。

迂回導(dǎo)坑按有軌運(yùn)輸單車道控制，每隔350～400m設(shè)置1處錯(cuò)車道。單車道內(nèi)凈空尺寸為4.1m(寬)×4.35m(高)，錯(cuò)車道內(nèi)凈空尺寸為6.25m(寬)×5.2m(高)。

3)高位支洞對不良地質(zhì)的處理

從迂回導(dǎo)坑YHDK0+221.56處增設(shè)高位支洞，并設(shè)置高位作業(yè)洞室用以泄水、加固構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。

為確保TBM成功脫困，通過高位作業(yè)洞室向平導(dǎo)方向施作φ108超前注漿管棚(內(nèi)設(shè)鋼筋籠)及泄水孔，1m×1m(橫×縱)梅花形布置，管棚長度按穿過風(fēng)化帶并進(jìn)入對側(cè)基巖不小于5m控制。為避免水泥漿液損壞TBM密封件等設(shè)備，在底部第1排采用化學(xué)注漿，其余采用水泥漿，如圖2,3所示。

圖2 高位支洞平面示意(單位：cm)

圖3 高位支洞加固平導(dǎo)上方不良地質(zhì)典型橫斷面設(shè)計(jì)(單位:cm)

4)平導(dǎo)反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)段

通過迂回導(dǎo)坑施工至卡機(jī)段前方，采用鉆爆法反向施工(見圖4)，通過不良地質(zhì)段并對受困TBM周邊圍巖進(jìn)行加固使其脫困。采用鉆爆法反向施工至平導(dǎo)構(gòu)造風(fēng)化破碎帶時(shí)，采用φ108大管棚+大外插角小導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿加固并確保超前大管棚長度覆蓋PDZK221+486.7—PDZK221+490.75段。

圖4 平導(dǎo)突涌段爆鉆法反向施工縱斷面示意(單位：cm)

2.1.2方案2：在平導(dǎo)與正洞之間增設(shè)迂回導(dǎo)坑

1)處理措施

在平導(dǎo)TBM后方約245m處左側(cè)正洞與平導(dǎo)之間增設(shè)迂回導(dǎo)坑，并在廣林坡斷層前轉(zhuǎn)入平導(dǎo)線位，利用迂回導(dǎo)坑超前施工平導(dǎo)及正洞的廣林坡斷層范圍。利用迂回導(dǎo)坑超前平導(dǎo)，并反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)。

當(dāng)正洞TBM遇到不良地質(zhì)并出現(xiàn)卡機(jī)時(shí)，可通過迂回導(dǎo)坑超前加固處理。當(dāng)平導(dǎo)TBM需檢修時(shí)，可在平導(dǎo)線位設(shè)置TBM檢修洞。

2)迂回導(dǎo)坑設(shè)計(jì)(見圖5)

圖5 迂回導(dǎo)坑靠近廣林坡斷層附近段平面

迂回導(dǎo)坑沿平導(dǎo)左側(cè)15m平行設(shè)置，考慮梭礦等有軌運(yùn)輸?shù)囊?，轉(zhuǎn)彎半徑按50m控制。迂回導(dǎo)坑轉(zhuǎn)入平導(dǎo)的具體里程應(yīng)結(jié)合探測確定的廣林坡斷層位置確定。迂回導(dǎo)坑標(biāo)高與兩端平導(dǎo)交點(diǎn)處的軌頂標(biāo)高齊平順接。

受迂回導(dǎo)坑與平導(dǎo)、正洞之間的凈距限制，本方案不考慮通過迂回導(dǎo)坑設(shè)置高位支洞。

3)其他

本方案的運(yùn)輸組織、平導(dǎo)不良地質(zhì)段反向加固措施、特殊襯砌設(shè)計(jì)均與方案一相同。

2.1.3方案3：利用正洞TBM超前施工

本方案基于正洞TBM在進(jìn)入廣林坡斷層前，能夠超前平導(dǎo)刀盤至少280m。

1)處理措施

在正洞TBM超前平導(dǎo)約280m后，從正洞D1K221+460附近(超前平導(dǎo)掌子面約20m)朝平導(dǎo)方向開設(shè)橫通道，并采用鉆爆法反向施工平導(dǎo)，加固平導(dǎo)不良地質(zhì)段。

由于要采用鉆爆法施工廣林坡斷層，故正洞TBM在進(jìn)入斷層前(或卡機(jī)后)，仍需要等待鉆爆法施工的平導(dǎo)超前處理。本方案平面如圖6所示。

圖6 方案3示意

2)其他

本方案的運(yùn)輸組織、平導(dǎo)不良地質(zhì)段反向加固措施、特殊襯砌設(shè)計(jì)均與方案1相同。

2.2 處理方案比選及推薦

2.2.1方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

平導(dǎo)不良地質(zhì)處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較分析如表1所示。

表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

2.2.2比較分析

從上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)綜合比較分析看，雖然方案1的工程規(guī)模相對更大，但其在施工安全、工期可靠性保障、不良地質(zhì)處理手段選擇等方面具有更大的優(yōu)勢，故推薦盡快實(shí)施方案1，并根據(jù)正洞TBM掘進(jìn)情況，必要時(shí)，可同時(shí)考慮通過正洞處理平導(dǎo)不良地質(zhì)及前方廣林坡斷層。

3 結(jié)語

本文討論的方案1已經(jīng)于現(xiàn)場實(shí)施完成，經(jīng)過2年多的監(jiān)測，平導(dǎo)洞內(nèi)無異常。

TBM脫困的原理是采取一系列措施盡可能減小刀盤阻力和護(hù)盾阻力，使其滿足TBM掘進(jìn)施工的脫困扭矩及推力，過程中需采取加強(qiáng)支護(hù)手段，保證初支強(qiáng)度，必要時(shí)采用鉆爆法輔助通過，其處理原則和理念均要“泄水降壓、改良圍巖、釋放空間”，通過對TBM刀盤前方不良地質(zhì)圍巖泄水固結(jié)，注漿加固改良圍巖狀態(tài)，提高圍巖自穩(wěn)程度后，采用一定輔助措施釋放TBM設(shè)備周邊空間，幫助TBM脫困或TBM自行脫困。在方案研究階段，按不良地質(zhì)處理原則，泄水降壓、注漿加固、盾殼周邊擴(kuò)挖等具體脫困方式的選擇，應(yīng)重點(diǎn)考慮方案的可行性、可操作性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。