全斷面掘進(jìn)施工隧洞圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與對(duì)策研究

肖大鵬

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

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全斷面掘進(jìn)施工隧洞圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與對(duì)策研究

肖大鵬

（遼寧省水利水電科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

摘要：針對(duì)全斷面掘進(jìn)施工在隧洞工程實(shí)踐中存在的風(fēng)險(xiǎn)，構(gòu)建隧洞施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)故障樹模型，并采用層次分析法評(píng)估圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)。結(jié)果表明，高壓涌水與巖爆是影響全斷面掘進(jìn)施工圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)。同時(shí)，針對(duì)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)提出全斷面掘進(jìn)施工在遭遇高壓涌水層以及巖爆風(fēng)險(xiǎn)時(shí)應(yīng)采取的對(duì)策。研究成果可為同類型水工隧洞工程的施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與防治提供決策依據(jù)。

關(guān)鍵詞：全斷面掘進(jìn)施工；隧洞圍巖失穩(wěn)；風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；對(duì)策

跨區(qū)域輸水隧洞工程作為緩解區(qū)域水資源短缺壓力，促進(jìn)區(qū)域城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進(jìn)程的工程手段，已成為保障區(qū)域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)可持續(xù)健康發(fā)展的重要舉措。與常規(guī)隧洞工程對(duì)比，跨區(qū)域輸水隧洞具有埋深大、距離長(zhǎng)、施工地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)［1］。因此，有必要識(shí)別該類工程全斷面掘進(jìn)施工中圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，探索關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施，從而提升全斷面掘進(jìn)施工的的效率與安全性。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)全斷面掘進(jìn)施工應(yīng)用技術(shù)開展了一系列研究，高勤生等探討了新型化學(xué)灌漿技術(shù)在全斷面掘進(jìn)施工圍巖加固施工中的應(yīng)用原則；徐衛(wèi)亞等分析了深埋隧洞TBM盾殼卡機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)概率；張軍偉等提出了大伙房水庫(kù)輸水隧洞TBM選型應(yīng)遵循的原則與關(guān)鍵技術(shù)；田永清探討了萬(wàn)家寨引黃工程地質(zhì)條件對(duì)隧洞TBM法施工的影響。這些研究成果對(duì)改進(jìn)全斷面掘進(jìn)施工工藝具有重要的指導(dǎo)作用，然而針對(duì)全斷面掘進(jìn)施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的識(shí)別及關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策的研究尚需深入。

1　全斷面掘進(jìn)施工面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素

跨區(qū)域輸水隧洞工程一般包括取水工程與輸水工程兩部分，該類工程尤以輸水工程中隧洞工程施工條件最為復(fù)雜。此類水工輸水隧洞工程常須穿越一系列煤層、礦區(qū)以及自然保護(hù)區(qū)，區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下巖層常遭遇松散巖、碎屑巖以及碳酸鹽類裂隙水，含水層賦水結(jié)構(gòu)多樣化，且多具有一定承壓性。隧洞穿越區(qū)域基巖常呈弱風(fēng)化，巖體少有膨脹性且未見大規(guī)模的巖體崩塌及滑坡現(xiàn)象，受地應(yīng)力的影響，隧洞沿線部分軟質(zhì)巖具備發(fā)生塑性形變以及流變的可能［2］。輸水隧洞采取全斷面掘進(jìn)施工，常須穿越數(shù)十條斷裂帶以及多個(gè)地質(zhì)單元與向斜構(gòu)造，隧洞掘進(jìn)時(shí)遭受透水、滲流以及圍巖塌落等風(fēng)險(xiǎn)因素的威脅。

2　隧洞工程圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

2.1 隧洞圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)故障樹構(gòu)建

全斷面掘進(jìn)施工隧洞工程涉及大埋深、長(zhǎng)距離且施工環(huán)境復(fù)雜施工段的全斷面掘進(jìn)施工，圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)施工效率與安全至關(guān)重要［3］。因此，有必要針對(duì)該類工程隧洞圍巖失穩(wěn)問題識(shí)別并評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，探索圍巖失穩(wěn)破壞的成因機(jī)理。

故障樹（FTA）作為風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與綜合度量的有效工具，通過圖形演繹分析的方式來(lái)描述風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的邏輯順序，可定量地由隧洞圍巖失穩(wěn)出發(fā)計(jì)算識(shí)別系統(tǒng)性事故的成因［4］。結(jié)合全斷面掘進(jìn)施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，構(gòu)建深埋隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹，如圖1所示。

2.2 基于層次分析法的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)估

針對(duì)隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別可采用層次分析法，通過構(gòu)建層次清晰的評(píng)估指標(biāo)體系，采取專家法賦值各層次風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的權(quán)重，并將各風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)置于9標(biāo)度值表格中從而構(gòu)建判斷矩陣，如表1所示。通過求解矩陣特征根與特征向量，進(jìn)而獲取具備一致性的判斷矩陣，其所對(duì)應(yīng)的特征向量即為各風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的權(quán)重，從而識(shí)別出影響圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因子［5］。

圖1　深埋隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹系統(tǒng)

表1　圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)權(quán)重?cái)?shù)量化

全斷面掘進(jìn)施工隧洞工程部分施工段隧洞圍巖結(jié)構(gòu)不均一，且斷裂帶及節(jié)理裂隙發(fā)育，處于大埋深的隧洞圍巖地處高地應(yīng)力、強(qiáng)流變以及高滲透壓等不利地質(zhì)環(huán)境中，易引發(fā)涌泥突水、巖爆、圍巖變形等地質(zhì)災(zāi)害。因此，選取巖爆、高壓涌水、洞口滑坡、遇破碎帶、高地溫、軟巖變形作為圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)進(jìn)行分析，采取層次分析法計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的權(quán)重值如表2所示。

表2　圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)權(quán)重值

由表2可知，圍巖失穩(wěn)各風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的權(quán)重排序?yàn)椋簬r爆（0.267）＞高壓涌水（0.243）＞軟巖變形（0.131）＞高地溫（0.142）＞遇破碎帶（0.089）＞洞口滑坡（0.063）＞遇溶洞（0.065）。因此，以0.2作為歸類標(biāo)準(zhǔn)，圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)為巖爆與高壓涌水，關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的識(shí)別可為深埋隧洞全斷面掘進(jìn)施工方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

3　隧洞施工圍巖失穩(wěn)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)對(duì)策

3.1 高壓涌水層的處置措施

全斷面掘進(jìn)施工隧洞工程在穿越具有承壓性的地下高壓涌水層時(shí)，會(huì)引發(fā)大量涌水灌入土倉(cāng)，造成土倉(cāng)水壓力的急劇升高，從而致使泥漿直接由螺旋輸運(yùn)機(jī)上口涌出，在淹沒全斷面掘進(jìn)機(jī)底部管片吊裝機(jī)械的同時(shí)，甚至引發(fā)大面積軟土地層的沉降，嚴(yán)重威脅施工人員安全。鑒于此，可采用如下措施指導(dǎo)穿越高壓涌水層的掘進(jìn)施工。

3.1.1 全斷面掘進(jìn)前的預(yù)加固處理

其要點(diǎn)主要包括：①采取全斷面掘進(jìn)施工時(shí)，一般會(huì)在中盾處預(yù)留若干根超前預(yù)注漿孔，可通過這些預(yù)注漿孔鉆孔形成長(zhǎng)度達(dá)15～20m的超前注漿孔，并采用注漿機(jī)注入1∶1比例的水玻璃-水泥漿液或聚氨酯實(shí)施超前加固注漿處理［6］，從而在掘進(jìn)輪廓外構(gòu)成止水環(huán)以防止涌水。②實(shí)施超前注漿應(yīng)選取凝膠時(shí)間介于1min～5min的雙液漿，凝膠時(shí)間過短會(huì)造成管路堵塞，凝膠時(shí)間過長(zhǎng)則達(dá)不到預(yù)期止水效果［7］。③注漿完成之后應(yīng)進(jìn)行地層加固穩(wěn)定性與用水量的檢驗(yàn)，注漿效果要求全斷面掘進(jìn)機(jī)械掌子面穩(wěn)定且總涌水量小于0.5m3/min，否則應(yīng)再次實(shí)施注漿封堵。

3.1.2 全斷面掘進(jìn)中的參數(shù)控制與聚合物摻加

在全斷面掘進(jìn)中宜從如下方面實(shí)施掘進(jìn)參數(shù)控制并摻入聚合物：①可通過調(diào)整出渣量、加快掘進(jìn)速度、注入高壓氣體等形式使得土倉(cāng)土壓力大于地層土壓力與靜水壓力之和，從而降低涌入土倉(cāng)的地下水量。②在調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)的同時(shí)，應(yīng)通過摻加高分子聚合物來(lái)改善切削土體的滲透性與流塑性，以防止大孔隙率粗砂水土分離，降低土體滲透性，從而實(shí)現(xiàn)封堵地下涌水的目的。

3.1.3 全斷面掘進(jìn)后的注漿處理

為有效阻隔地下高壓涌水灌入成型管片以及巖層間的孔隙，確保隧洞防水效果，應(yīng)在全斷面掘進(jìn)通過洞段通過注入聚氨酯以及二次補(bǔ)注的方式密實(shí)巖體與管片間的縫隙，從而構(gòu)成全斷面掘進(jìn)施工隧洞的第一層防水屏障。具體工序包括：①將管片置于涌水、滲漏的部位作為中心點(diǎn)，在該中心點(diǎn)前后每隔3環(huán)實(shí)施一次聚氨酯注漿，形

成地下水封堵帶［8］。②注漿之后應(yīng)對(duì)封堵帶間的管片實(shí)施二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，注入雙液漿以密實(shí)孔隙，從而構(gòu)筑包裹管片的完整止水屏障。

3.2 巖爆風(fēng)險(xiǎn)防治措施

巖爆作為全斷面施工掘進(jìn)中的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工進(jìn)度與人員生命安全，因此，針對(duì)該類工程隧洞巖爆風(fēng)險(xiǎn)可采取如下防治措施。

3.2.1 圍巖加固

可通過噴錨支護(hù)的形式，在掘進(jìn)施工中實(shí)施鋼筋網(wǎng)與錨桿加固。針對(duì)塌腔較大、圍巖軟弱以至影響全斷面掘進(jìn)機(jī)械撐靴通過的圍巖洞段，可采取噴射混凝土及架設(shè)鋼拱架的方式加固圍巖。

3.2.2 釋放應(yīng)力

針對(duì)巖爆易發(fā)生圍巖洞段，可采取超前錨桿支護(hù)鉆機(jī)鉆取應(yīng)力釋放孔，通過注入高壓水來(lái)釋放部分圍巖應(yīng)力，從而防止巖爆的發(fā)生。

3.2.3 改進(jìn)支護(hù)形式

可采用永久支護(hù)與臨時(shí)支護(hù)結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)支護(hù)的迅速錨固，同時(shí)可將普通錨桿更換為水脹錨桿或脹殼式機(jī)械預(yù)應(yīng)力錨桿，配合架設(shè)柔性尼龍防護(hù)網(wǎng)，從而強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)并可有效防止巖爆落石［9］。另外，可采用摻加速凝劑或5%～10%超細(xì)沸石粉的混凝土，在提升混凝土強(qiáng)度、降低終凝時(shí)間的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速加固與封閉圍巖的目的。

4　結(jié)語(yǔ)

通過構(gòu)建基于層次分析法的故障樹模型，識(shí)別出了影響全斷面掘進(jìn)施工隧洞工程圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)［10］。對(duì)全斷面掘進(jìn)施工圍巖失穩(wěn)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)的識(shí)別，有利于針對(duì)易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)洞段實(shí)施超前監(jiān)控、鉆探、預(yù)加固、灌漿、支護(hù)及設(shè)備改進(jìn)等風(fēng)險(xiǎn)防范舉措，從而為滿足隧洞掘進(jìn)施工的進(jìn)度要求與安全提供有力保障。

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作者簡(jiǎn)介：肖大鵬（1982年—），男，工程師。

收稿日期：2015-09-21

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.033

中圖分類號(hào)：TV554

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）02-0089-02