TBM穿越淺埋泥石流不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)措施研究

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

TBM穿越淺埋泥石流不良地質(zhì)洞段施工技術(shù)措施研究

盧傳亮

(山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006)

山西省東山供水工程9號(hào)TBM隧洞施工在穿越不良地質(zhì)洞段時(shí)突發(fā)泥石流。本文分析了原因，并總結(jié)了針對(duì)TBM突遇泥石流地質(zhì)洞段所應(yīng)采取的防治措施，以期為TBM安全、快速穿越提供借鑒。

TBM施工；泥石流；施工難點(diǎn)；應(yīng)對(duì)措施

1 概 述

TBM又稱全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，具有機(jī)械化程度高、快速、安全、高效、經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)，在世界各國(guó)長(zhǎng)距離隧洞施工領(lǐng)域廣泛使用，對(duì)隧洞不良地質(zhì)洞段適應(yīng)性差，如果不能做到有效預(yù)防，可能導(dǎo)致機(jī)毀人亡的嚴(yán)重后果。

2 工程及水文地質(zhì)概況

東山供水TBM 9號(hào)隧洞位于山西晉中祁縣和榆社縣境內(nèi)，長(zhǎng)14635.44m，圓形斷面，開挖直徑4.16m。管片襯砌后凈直徑3.4m，最大設(shè)計(jì)流量6.0m3/s，縱坡i=1/2700。

9號(hào)隧洞沿線為三疊系厚層砂巖、厚層泥巖及砂泥巖互層地層，發(fā)育有較大規(guī)模斷層；穿越的東魚溝段樁號(hào)約YD27+483～YD27+427，長(zhǎng)度約56m，埋深約30m；樁號(hào)YD27+463.5，距TBM掌子面6.60m，砂卵石層厚34.8m，地面高程1047.10m，基巖面高程1012.30m,洞頂高程1012.63m，洞頂上部有厚0.33m的砂卵石層，其下為泥巖，水位線埋深22.1m，水位高程1025.00m。

3 泥石流事件過(guò)程簡(jiǎn)述

2015年6月18日中班，TBM從樁號(hào)YD27+483.730開始掘進(jìn)，掌子面滲水量逐漸加大，碴料中伴有鵝卵石，數(shù)次碴料堵塞皮帶及刀盤，經(jīng)數(shù)次“清碴—掘進(jìn)—清碴”的停機(jī)清理過(guò)程。掘進(jìn)效率低下。

6月19日早班，掘進(jìn)至樁號(hào)YD27+473.800時(shí)，碴斗內(nèi)灌滿泥水，石碴為灰綠色砂巖，掌子面右側(cè)弧長(zhǎng)1.5m、厚0.8m卵石混合土，估測(cè)涌水量144m3/h。掘進(jìn)至樁號(hào)YD27+470.100時(shí)，掌子面右側(cè)弧長(zhǎng)3.8m、厚1.5m卵石混合土，估測(cè)涌水量250m3/h；刀盤及皮帶再次堵塞，主推油缸全部被泥沙淹沒(méi)，TBM被迫停機(jī)。

泥石流事件發(fā)生后，業(yè)主、監(jiān)理工程師現(xiàn)場(chǎng)代表進(jìn)洞察看，詳細(xì)了解泥石流事件發(fā)生經(jīng)過(guò)，為查明地質(zhì)情況，制定科學(xué)合理的處理方案，會(huì)議確定由設(shè)計(jì)院在洞頂部位，先期進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘探工作。據(jù)勘探的地質(zhì)資料，業(yè)主組織設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、大水網(wǎng)有關(guān)專家，召開了施工十一標(biāo)9號(hào)隧洞TBM穿越東魚溝段處理方案專家咨詢會(huì)。根據(jù)設(shè)計(jì)院補(bǔ)充地質(zhì)勘探結(jié)果，與會(huì)專家們認(rèn)真研究討論處理方案，建議采用洞外高壓旋噴灌漿加固隧洞頂部圍巖。

7月10日開始高噴灌漿施工。旋噴灌漿施工范圍內(nèi)出現(xiàn)一直徑約5m、深約5m的塌陷坑，高噴灌漿施工因施工安全停工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況商定采取“坑底部回填2m厚M7.5砂漿，上部回填土方”措施對(duì)陷坑進(jìn)行處理。

8月5日經(jīng)旋噴灌漿試掘進(jìn)后，效果不明顯。 業(yè)主又組織監(jiān)理工程師、承包商、羅賓斯公司人員召開四方會(huì)議，確定在掌子面的洞外地表同時(shí)進(jìn)行化學(xué)灌漿施工方案。

8月8日—11日，采取地面化學(xué)灌漿深層加固處理。由于洞內(nèi)涌水嚴(yán)重，化學(xué)灌漿效果不明顯，TBM試掘進(jìn)時(shí)，伸縮護(hù)盾內(nèi)多半被泥砂充填，連接橋部位也被泥砂充填，TBM仍無(wú)法掘進(jìn)。

8月17日，業(yè)主、監(jiān)理工程師及承包人又進(jìn)行了協(xié)商討論，根據(jù)泥石流的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及前期采取措施處理效果分析，確定采用地面截水井降水和洞外掌子面同時(shí)化學(xué)灌漿措施。

8月18日—9月6日，承包人完成7眼截水井鉆孔及水泵安裝，全面進(jìn)入降水階段。在和7眼井同時(shí)降排水的情況下，9月6日，承包人TBM試掘進(jìn)成功，但受地質(zhì)條件限制，掘進(jìn)速度緩慢。9月6日白班，累計(jì)掘進(jìn)14.55h，掘進(jìn)進(jìn)尺0.512m。

9月9日，承包人對(duì)掌子面卵石混合土段圍巖進(jìn)行化學(xué)灌漿孔鉆孔，并安裝灌漿花管，進(jìn)行化學(xué)灌漿加固，灌注化學(xué)灌漿材料45組(每組重55kg)，共2.475t。

承包人先后經(jīng)過(guò)8次試掘進(jìn)后，歷時(shí)93d。終于在9月18日夜班，掘進(jìn)至樁號(hào)YD27+429，基本恢復(fù)正常掘進(jìn)，標(biāo)志著TBM成功穿越54.64m泥石流段。

4 泥石流地質(zhì)掘進(jìn)的難點(diǎn)分析

泥石流顧名思義就是泥土、卵石、巖層水的混合體，這對(duì)于TBM施工可謂是極大的不利地質(zhì)條件。TBM最適應(yīng)的地質(zhì)是完整巖體，這是設(shè)備本身的設(shè)計(jì)、性能決定的。首先TBM機(jī)頭重，需有硬巖支撐。如果整個(gè)掌子面周邊一定范圍全是軟巖、流體等不良地質(zhì)，機(jī)頭就會(huì)下沉；TBM兩側(cè)的撐靴不能支撐，掘進(jìn)方向無(wú)法控制；如果機(jī)頭基礎(chǔ)是巖體，掌子面局部是泥石流，困難還不算太大。泥石流會(huì)隨著刀盤旋轉(zhuǎn)，從刀盤鏟牙部位流入刀盤內(nèi)部集料斗。刀盤旋轉(zhuǎn)越快泥石流流入刀盤的速度越快，快速流入刀盤集料斗的泥石流遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)集料斗下部皮帶的輸送能力，泥石流就會(huì)填滿整個(gè)刀盤集料斗空間，甚至快速流入護(hù)盾，淹沒(méi)油缸及電機(jī)，皮帶打滑、割斷、壓死等不能正常出碴，油缸不能伸縮，電機(jī)進(jìn)水，不能正常掘進(jìn)。更重要的是由于刀盤空腔、護(hù)盾空間小，里邊管路及器件多，流入的泥石流無(wú)法快速清理，完全靠人力清運(yùn)，耗力費(fèi)時(shí)。掌子面涌水如果過(guò)大，泥石流會(huì)淹沒(méi)整個(gè)刀盤、護(hù)盾部位，對(duì)人員、設(shè)備造成極大的損害。如果掌子面部位覆蓋層埋深較淺，可以在地面采取灌漿、固結(jié)等處理，否則只能在洞內(nèi)采取措施，難度更大。

5 泥石流地質(zhì)掘進(jìn)的應(yīng)對(duì)措施

隧洞TBM穿越的是埋深30m左右，刀盤整體在巖石基礎(chǔ)面上，掌子面2/3以上的卵石混合土富含水地層，歷時(shí)3個(gè)多月的脫困。先后進(jìn)行了地面高壓旋噴水泥灌漿、地面化學(xué)灌漿、地面排水井降水和隧洞掌子面化學(xué)灌漿加固處理等工程技術(shù)措施。該泥石流段雖已安全順利穿越，但走了不少?gòu)澛?，耗費(fèi)了不少時(shí)間，對(duì)于類似地質(zhì)，應(yīng)采取更加高效、合理、經(jīng)濟(jì)的措施應(yīng)對(duì)。

5.1 詳實(shí)的地質(zhì)勘探資料是避免泥石流事故的基礎(chǔ)

TBM隧洞施工屬于地下暗挖工程，洞軸線范圍的水文、地質(zhì)資料，決定著隧洞掘進(jìn)的方法、隧洞貫通的難易、安全、工期及投資。如果有詳實(shí)的地質(zhì)勘探資料，再加上超前探測(cè)手段，提前預(yù)知各種不良地質(zhì)，采取預(yù)防措施，就可避免造成太大的損失。

5.2 洞內(nèi)作業(yè)相關(guān)人員對(duì)地質(zhì)資料、應(yīng)對(duì)措施的掌握是減小泥石流事故的關(guān)鍵

預(yù)知洞軸線地質(zhì)，編制詳細(xì)的應(yīng)對(duì)方案，須對(duì)相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行技術(shù)交底，配有安全操作規(guī)程、突發(fā)情況操作要領(lǐng)等教育培訓(xùn)，做到預(yù)測(cè)為先，預(yù)防為主，減小損失，確保安全。

5.3 洞底高程為硬巖泥石流險(xiǎn)情的應(yīng)對(duì)措施

險(xiǎn)情發(fā)生后，地質(zhì)工程師首先通過(guò)觀測(cè)孔、碴料、涌水量，結(jié)合原始地質(zhì)資料，勾畫出洞軸線兩側(cè)、掌子面的水文地質(zhì)情況。如果機(jī)頭基礎(chǔ)是巖石，只是掌子面前方、洞底高程以上存在一定厚度的卵石水混合土層地質(zhì)，TBM操作手可依據(jù)碴料涌出大小采取低速、小推力推進(jìn)；碴料除用原皮帶輸出外，可用直徑800mm的硬質(zhì)塑料管制作溜槽，放到刀盤集料斗下部，把溢出集料斗的多余碴料，利用多節(jié)溜槽輸送到尾盾及連接橋部位，采取人海、鐵鍬加編織袋措施，快速清理。必要時(shí)，可以把刀盤的部分進(jìn)料口進(jìn)行封堵，減少泥石流的涌入量。如果泥石流過(guò)大，必須停機(jī)，采取專業(yè)處理措施。

5.3.1 地面高壓旋噴水泥灌漿的固結(jié)封堵措施

TBM要想順利快速推進(jìn)，掌子面周邊一定范圍的鵝卵石水混合體必須形成固結(jié)體，或者掌子面、洞軸線周邊一定范圍形成三堵U形封閉墻，U形封閉墻內(nèi)只是鵝卵石土混合體，TBM就可低速穿越。為此，對(duì)于洞頂覆蓋層較淺的地形，可在地面首先確定掌子面、洞軸線的位置，在洞軸線兩側(cè)5m處、掌子面前方10m處，利用高壓旋噴機(jī)械，合理布孔，進(jìn)行水泥灌漿固結(jié)后，與洞內(nèi)溜槽出碴結(jié)合，TBM慢速推進(jìn)穿越。這種方法設(shè)備多、工期長(zhǎng)，形成完整的封閉墻比較困難，優(yōu)點(diǎn)是比較經(jīng)濟(jì)。

5.3.2 地面化學(xué)灌漿的固結(jié)封堵措施

地面化學(xué)灌漿封堵措施與高壓旋噴水泥灌漿的機(jī)理一樣。在地表先利用鉆機(jī)鉆孔，孔內(nèi)安裝4分鋼管，用化學(xué)灌漿專門機(jī)械進(jìn)行化學(xué)漿液灌注。此措施的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)灌漿布孔較少，所用設(shè)備少，化學(xué)材料輻射范圍較大，方便快捷，但是價(jià)格高。涌水流速過(guò)快的話，發(fā)泡時(shí)間要短，凝結(jié)快，要避免把TBM掘進(jìn)機(jī)與周邊卵石固結(jié)在一起。

5.3.3 地面排水井降水措施

無(wú)論是高壓旋噴灌漿還是化學(xué)灌漿，堵水的效果都不可能是100%，因此必須采取堵、降、排結(jié)合的措施。依據(jù)洞軸線周邊水文資料、水位線高程、地面地形特征，分析地下水流向，結(jié)合地面洞軸線、掌子面位置、洞頂和洞底高程，在洞軸線兩側(cè)，掌子面前方一定距離，利用大口徑潛孔鉆機(jī)打井，把直徑800mm左右鋼管打到洞底高程10.00m位置，形成排水井。水位線以下鋼管四周須開設(shè)寬約5mm的進(jìn)水縫隙。鋼管打到位后，鋼管內(nèi)安裝多節(jié)潛水泵排水。潛水泵不能安到管底，防止沉積泥沙堵塞水泵。排水井的數(shù)量要依據(jù)地面情況、洞內(nèi)涌水、試掘進(jìn)效果確定。

5.3.4 地面化學(xué)灌漿的固結(jié)措施

泥石流不良地質(zhì)洞段的快速穿越，只靠單一的措施往往效果不佳，必須多措并舉，相互結(jié)合，才能達(dá)到理想的效果。實(shí)踐證明，在地面采取固結(jié)封堵措施后，還需在洞內(nèi)，利用刀盤刀具間隙，在掌子面前方，用風(fēng)鉆把前端布設(shè)花紋孔的4分鋼管打進(jìn)掌子面卵石層，利用化學(xué)材料進(jìn)行灌漿固結(jié)。這種方法效果明顯，可控性較好，但是刀盤空腔空間小，加上泥石流涌入，風(fēng)鉆打孔難度很大。

5.3.5 地面鉆孔冷凍措施

如果泥石流地層范圍較大，含水也大，可在地面打孔，安裝制冷設(shè)備，對(duì)掌子面一定范圍進(jìn)行局部冷凍，從而固結(jié)卵石層，進(jìn)行推進(jìn)。該法投資費(fèi)用較大，要防止TBM與卵石凍為一體，防止機(jī)上油路、水路凍結(jié)。

5.4 洞底基礎(chǔ)為卵石土層的泥石流險(xiǎn)情應(yīng)對(duì)措施

險(xiǎn)情發(fā)生后，如果TBM機(jī)頭基礎(chǔ)及周邊完全是卵石土層，而且屬富含水層，操作手必須果斷停機(jī)，防止機(jī)頭下沉。商定專門的處理措施。

5.4.1 洞頂覆蓋層較淺泥石流險(xiǎn)情的應(yīng)對(duì)措施

洞頂覆蓋層較淺時(shí)，同樣可采用地面高壓旋噴、化學(xué)灌漿，排水井降水的措施，但鉆孔必須深入洞底高程5m以下，同時(shí)須在洞內(nèi)連接橋部位，把刀盤及護(hù)盾區(qū)域進(jìn)行灌漿固結(jié)，待洞底基礎(chǔ)強(qiáng)度達(dá)到后，慢速往前推進(jìn)。

5.4.2 洞頂覆蓋層較厚泥石流險(xiǎn)情的應(yīng)對(duì)措施

洞頂覆蓋層較厚時(shí)，地面作業(yè)不太可能，只能在洞內(nèi)做文章?？稍谡谱用鎱^(qū)域、連接橋、側(cè)壁觀測(cè)孔處打孔，進(jìn)行水泥或化學(xué)灌漿，固結(jié)洞底基礎(chǔ)、掌子面卵石土層；嚴(yán)重時(shí)，可通過(guò)在TBM護(hù)盾兩側(cè)開導(dǎo)洞直到掌子面的一定范圍，并加強(qiáng)對(duì)導(dǎo)洞的支護(hù)，利用平行導(dǎo)洞對(duì)掌子面泥石流土層及洞底基礎(chǔ)進(jìn)行固結(jié)灌漿；如果灌漿效果不大，可直接利用旁側(cè)導(dǎo)洞，超前管棚技術(shù)，進(jìn)行人工開挖、鋼拱架支護(hù)，洞底換填混凝土，TBM步進(jìn)通過(guò)。該方法人工開挖、支護(hù)工程量大，工期長(zhǎng)，安全性差，成本大，實(shí)屬下策。

6 結(jié) 語(yǔ)

TBM掘進(jìn)機(jī)隧洞施工對(duì)泥石流地段的適應(yīng)性較差，但施工中遭遇泥石流地段的可能性很大。施工前必須掌握詳實(shí)的水文地質(zhì)資料，做到施工前預(yù)知、預(yù)防，施工中有方案、對(duì)策，臨危不亂，果斷處置。要結(jié)合地形地貌，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和TBM信息化管理技術(shù)，利用現(xiàn)有設(shè)備、技術(shù)條件，比選方案，多措并舉，在最安全的前提下，在最短的時(shí)間內(nèi)，在投入最小、效果最好的前提下，使TBM快速穿越不良地質(zhì)洞段，發(fā)揮TBM優(yōu)勢(shì)，安全、快速、高效完成工程建設(shè)任務(wù)。

ResearchonconstructiontechnicalmeasuresinTBMcrossingthebadgeologyofshallowburieddebrisflowcavesection

LU Chuanliang

(ShanxiWaterConservancyConstructionEngineeringBureau,Taiyuan030006,China)

Sudden debris flow broke out when crossing poor geological tunnel section during the construction of Shandong Dongshan Water Supply Project No.9 TBM Tunnel. In the paper, causes are analyzed, preventive measures adopted aiming at TBM during debris flows geological tunnel section are summarized. It is expected that the paper can provide reference for the safe and fast crossing of TBM.

TBM construction; debris flow; construction difficulties; response measures

10.16616/j.cnki.11- 4446/TV.2017.012.002

TV554

B

1005-4774(2017)012-0006-03