開(kāi)敞式TBM在吉林中部引水工程灰?guī)r巖溶隧洞中的應(yīng)用

羅武先，袁木林

(1.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，100038，北京；2.吉林省水務(wù)投資集團(tuán)有限公司，130061，長(zhǎng)春)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) （Tunnel Boring Machine,TBM）作為巖石隧道最先進(jìn)的開(kāi)挖裝備，在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的鉆爆法相比，TBM具有施工速度快、效率高、隧道成型好、對(duì)周邊環(huán)境影響小、作業(yè)安全及節(jié)省勞動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越多地應(yīng)用在地下工程中。但是TBM對(duì)地層適應(yīng)性較差，在復(fù)雜地質(zhì)段落中往往難以充分發(fā)揮其掘進(jìn)快速高效的優(yōu)勢(shì)。尤其在灰?guī)r巖溶發(fā)育段，TBM掘進(jìn)極有可能遭遇突水、涌泥、卡機(jī)、塌方等嚴(yán)重的工程事故，因此在灰?guī)r巖溶地層中選用TBM工法進(jìn)行長(zhǎng)距離隧道掘進(jìn)的案例很少。

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標(biāo)段采用一臺(tái)Φ7.9 m的開(kāi)敞式TBM施工，施工過(guò)程中，TBM需要掘進(jìn)穿越長(zhǎng)達(dá)7 km的灰?guī)r巖溶段。針對(duì)這一問(wèn)題，該工程使用了長(zhǎng)距離灰?guī)r巖溶段快速掘進(jìn)技術(shù)，使TBM順利穿越了灰?guī)r巖溶段，為TBM穿灰?guī)r地層施工積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

一、工程概況

吉林省中部城市引松供水工程總干線施工四標(biāo)段位于吉林市永吉縣岔路河至飲馬河之間，線路全長(zhǎng)23 km，由吉林省水務(wù)投資集團(tuán)有限公司投資建設(shè)、中鐵隧道集團(tuán)有限公司作為承建方施工。本標(biāo)段施工平面布置如圖1所示。本標(biāo)段斷裂構(gòu)造方向以NE和NW為主，與洞身相交斷層及低阻異常帶39(包括確定斷層17條、物探異常帶19條、遙感解譯斷層3條)處，其中TBM掘進(jìn)段有32處，按傾向北東向?yàn)?3條，北西向?yàn)?條，南東向7條，南西向12條。分析認(rèn)為Fw24-1、F24-2、F28、F38、F41 等斷裂斷層為阻水或?qū)當(dāng)嗔?，且地處溝谷，有匯水條件，與地表水可能形成聯(lián)系。線路區(qū)地表水由松花江水系控制，地表水總體由東南向西北、南向北流。較大河谷有岔路河及其支流石門子河，河水流量受季節(jié)影響較大，其余小河溝、支岔均為季節(jié)性河流。且隧洞在樁號(hào)62+273~62+413m從黃榆水庫(kù)下穿過(guò)，地下水主要靠大氣降水補(bǔ)給，枯水期地表徑流接受地下水補(bǔ)給，豐水期河水短時(shí)補(bǔ)給地下水。地下水以淺循環(huán)為主，在可溶巖及斷層部位存在深循環(huán)。線路前半部分山勢(shì)較高，地下水多以短徑流，常以下降泉的形式在溝谷低處排出地表。

圖1四標(biāo)段施工平面布置圖

二、灰?guī)r段巖溶構(gòu)造類型和對(duì)TBM施工的影響

根據(jù)吉林省中部城市引松供水工程總干線四標(biāo)段地質(zhì)勘查結(jié)果，TBM隧道在7 km灰?guī)r段中巖溶構(gòu)造發(fā)育，存在溶隙、溶槽、溶洞。地表勘查已探明疑似溶洞12處，其中最大溶洞高38.52 m，距洞頂5.7 m；最小溶洞高6.3 m，距洞頂32.5 m。結(jié)合本段水文地質(zhì)情況分析，總結(jié)可能出現(xiàn)的巖溶構(gòu)造和對(duì)TBM施工影響如下：

①小型溶洞群：TBM掘進(jìn)可能揭露圍巖連續(xù)出現(xiàn)小規(guī)模溶洞。小規(guī)模溶洞對(duì)TBM掘進(jìn)不會(huì)造成本質(zhì)影響，但可能出現(xiàn)局部小規(guī)模塌腔、掉塊，造成人員和機(jī)械損傷，影響施工。

②大型空洞溶洞：大型空洞溶洞會(huì)對(duì)TBM掘進(jìn)造成極大威脅，TBM貿(mào)然掘進(jìn)揭露這一類型巖溶構(gòu)造容易發(fā)生塌方、卡機(jī)事故，造成TBM難以掘進(jìn)。尤其在隧道下部揭露時(shí)，可能產(chǎn)生TBM栽頭，甚至掉機(jī)的事故。

圖2 快速掘進(jìn)技術(shù)路線圖

③大型充填溶洞：由于該段地下水補(bǔ)給充沛，溶洞充填的可能性很大。TBM揭露大型充填溶洞往往難以避免突水涌泥災(zāi)害，淹沒(méi)掘進(jìn)工作區(qū)域，延誤TBM施工，甚至導(dǎo)致掌子面或附近圍巖坍塌等嚴(yán)重后果。

④巖溶管道：本段沿線斷層破碎帶發(fā)育且地下水豐富，灰?guī)r地層中的巖溶管道很容易聯(lián)通富水?dāng)鄬?。TBM揭露小規(guī)模巖溶管道可能出現(xiàn)洞壁涌水，延誤施工。如果揭露溝通大規(guī)模含水構(gòu)造的巖溶管道甚至地下暗河，人員財(cái)產(chǎn)損失將難以估計(jì)。

三、長(zhǎng)距離灰?guī)r巖溶段快速掘進(jìn)技術(shù)

長(zhǎng)距離灰?guī)r巖溶段TBM快速掘進(jìn)技術(shù)的技術(shù)路線如圖2所示，其總體思路為：施工預(yù)備期地質(zhì)方案與掘進(jìn)裝備針對(duì)性設(shè)計(jì)、施工掘進(jìn)期超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與災(zāi)害治理相結(jié)合，全過(guò)程優(yōu)化掘進(jìn)管理組織。

在施工預(yù)備期，針對(duì)可能面臨的灰?guī)r段巖溶地質(zhì)構(gòu)造進(jìn)行地質(zhì)管理工作，包括地質(zhì)分析、方案制定、技術(shù)交底等。在掘進(jìn)裝備招標(biāo)過(guò)程中針對(duì)性提出要求并在招標(biāo)、設(shè)計(jì)、制造、下線、調(diào)試階段全程把控。如對(duì)本段可能出現(xiàn)的充填溶洞和巖溶管道誘發(fā)突涌水災(zāi)害的問(wèn)題，專門在TBM制造階段搭載了山東大學(xué)研發(fā)的TBM機(jī)載三維激發(fā)極化超前探測(cè)系統(tǒng)。

在TBM掘進(jìn)施工期，采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)先行、多種巖溶構(gòu)造處置措施綜合靈活運(yùn)用的方法，保障TBM掘進(jìn)過(guò)程的連續(xù)性和高效性。

在工程施工前期，不斷優(yōu)化組織管理模式和資源配置，為TBM高效順利進(jìn)行提供組織保障。

四、具體措施和關(guān)鍵技術(shù)

1.預(yù)備期措施

（1）地質(zhì)管理

開(kāi)工伊始，組織各參建單位相關(guān)技術(shù)管理人員進(jìn)行地質(zhì)解讀，對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行具體統(tǒng)計(jì)、分析，對(duì)開(kāi)敞式TBM的適用性及整體地質(zhì)情況進(jìn)行總體評(píng)價(jià)，定位工程的重難點(diǎn)，并制定針對(duì)性的解決措施及應(yīng)急預(yù)案。召開(kāi)專家會(huì)確定了TBM穿越不良地質(zhì)段施工方案，先后編制、討論并形成了實(shí)施性施工組織設(shè)計(jì)，TBM場(chǎng)地布置方案，TBM通風(fēng)方案，TBM運(yùn)輸方案，TBM冬季組裝施工方案，TBM始發(fā)、掘進(jìn)施工方案及相關(guān)技術(shù)交底等。

（2）針對(duì)性設(shè)計(jì)

①超前地質(zhì)預(yù)報(bào)搭載系統(tǒng)。TBM主機(jī)搭載了激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，刀盤上安裝測(cè)量電極14個(gè)，護(hù)盾及其后方圍巖安裝供電電極20個(gè)、無(wú)窮遠(yuǎn)電極2個(gè)，依靠液壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電極伸縮，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地質(zhì)預(yù)報(bào)，有效預(yù)報(bào)距離為30 m。

②支護(hù)能力加強(qiáng)。設(shè)計(jì)配置了L1區(qū)域、L2區(qū)域各2套錨桿鉆機(jī)，用于滿足240°支護(hù)要求；L1區(qū)域增設(shè)了濕噴系統(tǒng)，用于緊急情況下及時(shí)噴混凝土支護(hù)；噴漿機(jī)械手采用大車行走、懸臂伸縮式設(shè)計(jì)，有效解決了懸臂伸出長(zhǎng)度過(guò)大導(dǎo)致的無(wú)法可靠伸縮問(wèn)題；輸送泵選取20 m3/h的瑞士Aliva輸送泵，噴漿機(jī)械手可實(shí)現(xiàn)有線+遙控的雙面操作模式。

③快速材料供應(yīng)設(shè)計(jì)。后配套采用平臺(tái)式結(jié)構(gòu)，并配置加利福尼亞道岔，增加了安全空間，又可同時(shí)存放2列運(yùn)輸機(jī)車編組，整個(gè)施工輔助系統(tǒng)也進(jìn)行了優(yōu)化，以滿足高強(qiáng)度支護(hù)工況下的支護(hù)材料運(yùn)輸及儲(chǔ)備會(huì)車需求。設(shè)備橋處設(shè)計(jì)配置了折臂吊機(jī)，便捷可靠，工作范圍大，可滿足支護(hù)材料的快速吊運(yùn)能力。

（3）設(shè)備制造與監(jiān)督

設(shè)備招標(biāo)前，針對(duì)本工程的具體地質(zhì)、施工特點(diǎn)，通過(guò)TBM設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)確定了設(shè)備性能指標(biāo)，對(duì)設(shè)備橋、控制系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)、氣體檢測(cè)系統(tǒng)、導(dǎo)向系統(tǒng)等嘗試改進(jìn)，使其更加適應(yīng)中部引水工程的地質(zhì)條件、換刀情況等。

在設(shè)備設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)及監(jiān)造過(guò)程中，與廠家對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)及制造進(jìn)行過(guò)程優(yōu)化及監(jiān)控。為滿足TBM主要部件多廠家、多地點(diǎn)監(jiān)造要求，監(jiān)造人員按階段合理安排，監(jiān)造人員包括專業(yè)工程師、參與TBM工地組裝及操作人員、維保人員。監(jiān)造人員分為白/夜班全程跟蹤，重點(diǎn)控制關(guān)鍵組裝工序。

工廠調(diào)試階段對(duì)TBM各項(xiàng)關(guān)鍵系統(tǒng)調(diào)試、試運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)控，要求經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間試運(yùn)行，如折臂吊機(jī)、液壓泵站、冷卻循環(huán)系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。對(duì)換刀作業(yè)等關(guān)鍵工序，要求現(xiàn)場(chǎng)模擬換刀過(guò)程。

2.施工期預(yù)報(bào)與處置技術(shù)

（1）超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

在地質(zhì)分析基礎(chǔ)上，采用長(zhǎng)短距離相結(jié)合的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)，綜合應(yīng)用三維地震波法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（即TRT，長(zhǎng)、中距離預(yù)測(cè)）方法和三維激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)（短距離預(yù)測(cè)）。

TRT是隧道地震波反射層析成像技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)的基本原理在于當(dāng)?shù)卣鸩ㄓ霾町悾芏群筒ㄋ俚某朔e）界面時(shí)，一部分信號(hào)被反射回來(lái)，一部分信號(hào)透射進(jìn)入前方介質(zhì)。聲學(xué)阻抗的變化通常發(fā)生在地質(zhì)巖層界面或巖體內(nèi)不連續(xù)界面。在灰?guī)r地層中，可主要用來(lái)預(yù)報(bào)大型空洞溶洞、斷層、破碎帶等不良地質(zhì)構(gòu)造界面。

激發(fā)極化法是電法勘探的重要分支。發(fā)生在地質(zhì)介質(zhì)中因外電流激發(fā)而引起介質(zhì)內(nèi)部出現(xiàn)電荷分離，由于電化學(xué)作用引起附加電場(chǎng)的物理化學(xué)現(xiàn)象，被稱為激發(fā)極化效應(yīng)，而激發(fā)極化法正是以不同地質(zhì)介質(zhì)之間的激電效應(yīng)差異為物質(zhì)基礎(chǔ)，通過(guò)觀測(cè)和研究被測(cè)對(duì)象激電效應(yīng)進(jìn)行地質(zhì)探查的一種電法。尤其針對(duì)灰?guī)r地層中突涌水致災(zāi)巖溶構(gòu)造，三維激發(fā)極化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可對(duì)掌子面前方含水構(gòu)造進(jìn)行三維識(shí)別和定位。

（2）巖溶構(gòu)造處置處理措施

①溶洞處理措施。根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果，探明的溶洞多為灰?guī)r小溶洞，TBM可直接掘進(jìn)通過(guò)，處理措施主要以加強(qiáng)支護(hù)和回填灌漿為主。其中，對(duì)于隧底位置溶洞，主要是加強(qiáng)進(jìn)刀盤對(duì)掌子面圍巖的預(yù)判結(jié)合物探地質(zhì)預(yù)報(bào)推斷隧洞底部溶洞存在的可能性及規(guī)模，然后啟用應(yīng)急噴混凝土泵站及管路深入刀盤前方對(duì)隧洞底部溶洞進(jìn)行回填，實(shí)現(xiàn)邊回填邊緩慢推進(jìn)的技術(shù)處理措施。

②巖溶地層塌方處理措施。對(duì)于巖溶地層塌方情況需停機(jī)處理，清理塌落體后，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及時(shí)安裝鋼拱架（若塌方嚴(yán)重時(shí)，可采取拱架加密），拱架間采用I16工字鋼連接，并加密拱腳處鎖腳錨桿；在拱部塌落處鋪設(shè)鋼筋排；為防止坍腔內(nèi)的圍巖進(jìn)一步垮塌，可采用型鋼支撐加固危巖，型鋼落腳于鋼拱架上；同時(shí)利用應(yīng)急干噴機(jī)對(duì)坍塌處進(jìn)行噴射混凝土封閉處理，減少巖石暴露時(shí)間以及時(shí)形成支護(hù)體系。為減少后續(xù)變形，利用應(yīng)急干噴機(jī)對(duì)支護(hù)系統(tǒng)鋼支撐進(jìn)行封閉回填處理。

③巖溶地層涌水處理措施。TBM遇突泥地段無(wú)法掘進(jìn)通過(guò)，必須提前進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，確定長(zhǎng)度范圍，準(zhǔn)確判定發(fā)生部位，如判定是突泥地段，則在征得設(shè)計(jì)、監(jiān)理和業(yè)主同意后采取鉆爆法繞洞施工的方式提前處理突泥地段，TBM步進(jìn)通過(guò)；若僅為涌水，無(wú)突泥或掌子面失穩(wěn)時(shí)，采用以排水為主、封堵為輔的措施。正常施工排水采取1套排水管路，突發(fā)涌水時(shí)采取2套排水管路同時(shí)運(yùn)行，確保設(shè)備和人員安全。掘進(jìn)后對(duì)工作面的涌水或注漿后的剩余水量及時(shí)排離工作面。對(duì)側(cè)壁漏水采用擋遮、引排措施，保證噴射混凝土質(zhì)量。

3.施工組織措施

（1）TBM快速掘進(jìn)資源配置

本著“均衡生產(chǎn)”的原則進(jìn)行資源配置。在人員配置方面，TBM掘進(jìn)班組設(shè)置3個(gè)班組，實(shí)行12小時(shí)3班制作業(yè)，并組建了綜合班、保養(yǎng)班、刀具班、電工班和機(jī)械班。掘進(jìn)班各配1名土木值班工程師、TBM主司機(jī)及巡視電工，TBM工區(qū)設(shè)置工區(qū)主任1人，工區(qū)副主任3人分別監(jiān)管3個(gè)掘進(jìn)班。在設(shè)備配置方面，除了TBM施工常規(guī)和標(biāo)配的設(shè)備外，針對(duì)灰?guī)r巖溶地層快速施工保障增加的機(jī)械設(shè)備，如移動(dòng)式噴漿車、半自動(dòng)網(wǎng)片焊接機(jī)、軟化水系統(tǒng)、配料機(jī)加裝濾網(wǎng)等。

（2）安全管理

一是塑造安全理念，讓工程項(xiàng)目“我要安全，平安是福”的安全管理理念深入人心。二是堅(jiān)持班前講話，內(nèi)容包含安全、質(zhì)量以及技術(shù)方面應(yīng)注意事項(xiàng)，由副經(jīng)理、工區(qū)副主任、班組長(zhǎng)共同參加。三是堅(jiān)持安全檢查，項(xiàng)目建立了安全生產(chǎn)管理機(jī)構(gòu)，制定安全生產(chǎn)責(zé)任制，開(kāi)展安全管理活動(dòng)，并進(jìn)行監(jiān)督檢查，形成了涵蓋施工生產(chǎn)全過(guò)程的安全生產(chǎn)保證體系。

（3）TBM 設(shè)備配合

TBM法施工屬于綜合機(jī)械化施工，僅從TBM整機(jī)本身來(lái)講，除TBM主控操作外，各類附屬設(shè)備眾多，掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，各附屬設(shè)備需同時(shí)配合作業(yè)。做好TBM操作管理，正確高效地操作運(yùn)用好各設(shè)備，是充分發(fā)揮TBM整體有效利用率、確?？焖偈┕さ年P(guān)鍵因素。應(yīng)從以下幾點(diǎn)進(jìn)行管理：一是嚴(yán)格落實(shí)常規(guī)保養(yǎng)制度；二是強(qiáng)制日常保養(yǎng)和設(shè)備技術(shù)管控；三是加強(qiáng)通訊及實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)；四是因地制宜，適時(shí)改造和增加設(shè)備；五是強(qiáng)化溝通。 ■