高埋深軟硬巖互層地質條件下敞開式TBM巖爆段施工方法研究

張照太， 游 勝， 豐光亮， 陳 竹， 陳炳瑞

(1. 北京住總集團有限責任公司， 北京 100029； 2. 北京振沖工程股份有限公司， 北京 100102； 3. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室， 湖北 武漢 430071)

0 引言

近年來，隨著TBM掘進技術在深部巖體工程中的廣泛應用，人們對TBM施工過程中的巖爆認識也越來越深入。巖爆是高地應力條件下，深埋硬脆性巖體開挖卸荷促使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放，而產(chǎn)生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲等現(xiàn)象的一種動力失穩(wěn)災害。

巖爆災害直接威脅施工人員、設備的安全，影響工程進度，是世界性的地下工程難題之一[1-3]。我國較多大型深埋地下工程均面臨巖爆災害，代表性的有： 錦屏Ⅱ級水電站引水隧洞工程TBM施工過程中巖爆現(xiàn)象頻發(fā)，通過微震監(jiān)測[4]手段，采取針對性調控措施，有效預防了巖爆災害。國內(nèi)許多工程技術人員對高埋深隧洞巖爆進行了研究[5-11]。目前正在施工的大瑞鐵路高黎貢山隧道[12-13]、新疆ABH隧洞工程和陜西引漢濟渭工程[14]等大埋深隧道工程，都面臨著高等級巖爆的風險。TBM施工具有巖爆風險的隧洞，常通過超前地質預報、微震監(jiān)測等技術手段對圍巖進行超前預測，便于施工現(xiàn)場采取預防和緩解巖爆發(fā)生的措施。但面對軟硬相間、復雜多變的地質環(huán)境下的巖爆傾向隧洞TBM開挖，巖爆發(fā)生條件、發(fā)生時間、發(fā)生位置、影響程度等均較難確定，巖爆處理方法、巖爆災害對施工影響程度降低方法等均沒有成熟方案，嚴重威脅人員安全、遲滯施工進度。因此，針對軟硬互層地質條件下的巖爆傾向隧洞TBM施工，如何建立一套科學、有效的施工方法，成為目前亟待解決的工程問題。

鑒于此，本文針對喜馬拉雅山區(qū)域地質條件極為復雜且軟硬巖交替出現(xiàn)、互層頻繁的巖爆隧洞，開展敞開式TBM施工方法研究。通過本文研究，擬形成一套針對性的軟硬互層巖爆隧洞TBM施工方法，以期為類似圍巖條件的深埋隧洞TBM施工提供參考與借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

某水電工程深埋隧洞，位于我國西南鄰國，地處喜馬拉雅山脈西北部，屬中高山山地類型。TBM施工段為2條平行引水隧洞，隧洞設計中心間距33 m，開挖斷面為圓形，采用敞開式TBM施工，開挖直徑8.53 m，逆坡施工，自流排水，坡度平均為0.078 5%，單洞TBM開挖長度約11.5 km。隧洞支護采用錨桿+網(wǎng)片+TH梁全圓鋼拱架+全斷面噴射混凝土作為永久支護，無二次襯砌，設計噴射混凝土厚度150～300 mm，典型支護斷面形式見圖1。TH梁全圓鋼拱架是拱架的一種，通過帶螺栓的拱架卡子將6節(jié)長度和弧度相同的環(huán)形梁兩兩相互搭接卡住固定，成為一個圓，然后撐緊頂住圍巖。TH梁全圓鋼拱架斷面和3種卡子圖片見圖2。

TBM每循環(huán)掘進長度1.8 m，支護配置錨桿鉆機、超前鉆機、噴射混凝土設備等，其中L1區(qū)和L2區(qū)均配備有錨桿鉆機和噴射混凝土設備。

圖1 隧洞典型斷面設計圖

圖2 TH梁全圓鋼拱架斷面和3種卡子圖片

Fig. 2 Cross-section of TH ring beam and 3 types of clips for sliding joints

1.2 工程地質條件

工程施工區(qū)域地質構造復雜，主要表現(xiàn)為斷層及褶皺帶多，位于地震多發(fā)帶，而且地質災害滑坡泥石流多發(fā)。構造上地層受強烈擠壓，多呈緊閉的褶皺，多次被錯斷、擠碎。局部呈敞開式寬闊褶曲，地貌上呈一連串懸崖陡坡，在陡立的山脊或河谷處巖體已風化。

TBM施工隧洞地層由砂巖和泥巖組成，呈互層狀，沿開挖洞軸線變化頻繁，且常出現(xiàn)隧洞兩側巖性不一致、軟硬不均的情況，典型的軟硬巖互層地質素描情況見圖3，典型圍巖地質照片見圖4，工程區(qū)域主要圍巖特征如表1所示，隧洞洞線各巖層受構造影響強烈，遭受多次變形，緊閉褶曲發(fā)育。砂巖中節(jié)理很發(fā)育，泥巖大多受剪切，常見有4～5組節(jié)理和少量隨機節(jié)理。大多數(shù)大的節(jié)理面見有擦痕，充填有方解石或黏土[15]。

TBM施工洞段所處地質條件復雜，平均埋深達千米，最大埋深超過1 900 m(見圖5)，且?guī)r層軟硬相間，沿開挖洞軸線巖性變化頻繁，整個區(qū)域地質構造發(fā)育，小規(guī)模地質構造頻繁，巖爆頻發(fā)，嚴重影響TBM隧洞的順利施工。

圖3 工程區(qū)域典型軟硬巖互層地質素描圖

圖4 工程區(qū)域典型復雜地質條件圖片

圍巖類別特征描述抗壓強度/MPa石英含量/%Ⅰ類砂巖(SS-1) 堅硬、新鮮、膠結良好15029Ⅱ類砂巖(SS-2) Ⅰ類砂巖和軟弱泥巖之間的過渡巖類。Ⅱ類砂巖中等堅硬—硬,大多與泥巖混雜(SS-2+Mst)7023泥巖 隧洞沿線軟弱的巖石,并易遭受沖蝕 <1511

圖5 TBM施工洞段埋深分布

2 軟硬巖互層段巖爆特點

2.1 巖爆發(fā)生部位

將施工區(qū)域劃分為護盾至掌子面、L1區(qū)、L1區(qū)后方3個區(qū)域，分別統(tǒng)計分析巖爆發(fā)生位置。經(jīng)分析，該3個區(qū)域巖爆發(fā)生的比例分別為44%、50%和6%。由統(tǒng)計結果可知，大部分巖爆發(fā)生在L1區(qū)及其之前范圍，發(fā)生在剛揭露巖面時頂拱塌方；發(fā)生在已完成支護部位的，造成網(wǎng)片破壞或拱架下沉、錯動。L1區(qū)巖爆破壞圖片如圖6所示。

本工程95%巖爆主要發(fā)生在拱頂11點～2點范圍，兩側腰部及以下和拱腳很少(占5%)。Ⅰ類砂巖(SS-1)巖爆塊體較大，最大塊體1.5 m×2 m，厚度0.7 m;Ⅱ類砂巖(SS-2)巖爆彈射為主，塊體較小。

一部分巖爆發(fā)生在L1區(qū)到掌子面范圍內(nèi)，并且在掘進時或停機支護時發(fā)生，滯后時間不長，巖爆時能夠聽到護盾內(nèi)或掌子面?zhèn)鱽淼穆曧懞透杏X到震動。

(a) 新鮮巖面破壞

(b) 網(wǎng)片破壞

(c) 拱架下沉、錯動(錯位1.3 m)

少數(shù)巖爆發(fā)生在L1區(qū)后方，發(fā)生在L1區(qū)后方的巖爆則因為已完成了包括噴射混凝土在內(nèi)的所有系統(tǒng)支護，一般不會帶來較大的破壞，只是產(chǎn)生局部開裂或混凝土脫層，見圖7。

2.2 巖爆發(fā)生的巖性條件

90%以上的巖爆都發(fā)生在Ⅰ類砂巖或Ⅰ類砂巖與其他圍巖夾雜部位，其余少數(shù)巖爆發(fā)生在Ⅱ類砂巖中，泥巖中幾乎不發(fā)生巖爆。當Ⅰ類砂巖層厚度較大時，通常會發(fā)生巖爆，在Ⅰ類砂巖和其他圍巖夾雜互層的部位是巖爆高發(fā)區(qū)域，見圖8(Ⅰ類砂巖層厚僅1.9 m，也發(fā)生巖爆，其前后為Ⅱ類砂巖和泥巖互層)。

(a) 局部開裂

(b) 混凝土脫層

圖8 泥巖與砂巖夾雜部位巖爆圖片

2.3 巖爆發(fā)生時機具有不確定性

該隧洞地質條件復雜，巖爆發(fā)生時機具有不確定性。在巖爆易發(fā)段，有時短時間發(fā)生一連串巖爆，有時一天內(nèi)發(fā)生多次巖爆，有時數(shù)天不發(fā)生巖爆。

2.4 巖爆危害

軟硬巖互層深埋隧洞TBM法施工過程中多發(fā)生輕微巖爆，僅能聽到聲響和感覺到震動，或有少許碎石掉下，未對設備和人員造成損害，但是持續(xù)發(fā)生，給施工人員帶來較大的心理壓力。

少數(shù)幾次中等和強烈?guī)r爆對圍巖和TBM設備造成了較大破壞，如破壞了已完成的支護，見圖6，拱架被沖擊變形下沉，網(wǎng)片完全被沖爛(網(wǎng)片規(guī)格為φ8 mm@100 mm×100 mm)，錨桿被拔出(錨桿為φ28 mm鍍鋅中空漲殼式注漿錨桿)，損壞TBM頂護盾油缸，缸體鼓脹、密封被沖壞(見圖9和圖10)，損壞L1區(qū)鉆機系統(tǒng)等。

圖9 巖爆造成頂護盾油缸破壞

圖10 頂護盾油缸密封被沖壞

超前預報分析難以發(fā)現(xiàn)巖爆發(fā)生規(guī)律，給施工人員在心理上造成極大的負擔。

3 軟硬巖互層巖爆段TBM施工方法

TBM掘進過程中，在圍巖較完整、巖石較硬的易發(fā)巖爆段，通過現(xiàn)場試驗和前期經(jīng)驗，及時采取常態(tài)化的超前地質預報、微震監(jiān)測、合理的掘進參數(shù)、優(yōu)化支護材料和支護時機來控制巖爆發(fā)生時機，減弱巖爆發(fā)生時的破壞力，降低巖爆帶來的危害?；诒竟こ躺盥褴浻矌r性互層隧洞的巖爆特點統(tǒng)計分析結果，有針對性的對巖爆防治措施、施工方法進行研究，形成一套適應復雜地質條件的施工方法，以保障TBM順利掘進。

3.1 按照發(fā)生部位采取針對性防護措施

1)護盾內(nèi)或掌子面。對于發(fā)生在護盾內(nèi)或掌子面的巖爆，由于巖爆在封閉條件下發(fā)生，要遠離施工人員，此類巖爆基本上規(guī)模較小，所造成的破壞有限，其主要措施是利用TBM超前鉆機實施常態(tài)化的超前地質預報、微震監(jiān)測預報方法，同時在掘進過程中安排專人加強巡視檢查，對巖爆發(fā)生的規(guī)模、影響范圍、設備損壞情況、下料口及TBM出渣皮帶運行情況等進行觀察、分析，發(fā)現(xiàn)問題及時解決。

2)巖爆多發(fā)區(qū)。針對巖爆多發(fā)的L1區(qū)，圍巖露出護盾后，根據(jù)地質條件、設計支護參數(shù)等，合理選擇支護方式，確定系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)片、鋼拱架等支護方式。當巖爆較強烈或局部塌方較嚴重時，立即進行噴射混凝土封閉，防止范圍擴大并保護L1區(qū)施工人員安全。施工過程中重點在于快速、準確選擇支護方式、支護參數(shù)，短時間內(nèi)形成系統(tǒng)的支護體系，以對巖爆多發(fā)區(qū)(L1區(qū))進行較好的防護。完成支護后繼續(xù)掘進時，L1區(qū)上下盡量不留或少留人員，減少人員在L1區(qū)的逗留時間。

3.2 選擇合理支護材料及設計參數(shù)

TBM施工過程中，常規(guī)的支護手段主要有中空漲殼式預應力錨桿、水脹式錨桿、鋼筋網(wǎng)片、UPN槽鋼拱架、TH梁全圓鋼拱架、鋼纖維噴射混凝土等。但在進入高埋深(>1 300 m)后，隨著巖爆發(fā)生次數(shù)的逐漸增加，支護強度也需相應增加。

本文通過對試驗隧洞巖爆發(fā)生情況及支護情況的試驗、總結及分析后發(fā)現(xiàn)：

1)針對等級稍大的巖爆，錨桿本身強度足夠，起到了較好的錨固作用，僅有極少數(shù)被破壞；采用φ6 mm鋼筋網(wǎng)片支護時，則會被完全破壞，不能起到有效防護作用；UPN槽鋼拱架支護范圍為頂拱114°，且只能將相鄰錨桿連成一線，一旦拱腳圍巖較弱，就起不到支撐作用；采用TH梁全圓鋼拱架效果較好，其剛度較大，且超負荷承載時可產(chǎn)生錯動來卸壓，遇到強烈?guī)r爆時拱架也不會產(chǎn)生較大變形。

2)針對等級較小的巖爆，噴射鋼纖維混凝土封閉巖面能起到較好的防護作用，且輔以φ10的編織鋼筋網(wǎng)、UPN槽鋼拱架等支護手段時，支護效果更佳。

經(jīng)過現(xiàn)場試驗總結后確定的不同等級巖爆的支護參數(shù)見表2。

表2 不同等級巖爆的L1區(qū)支護參數(shù)

3.3 多手段超前預報及超前處理

3.3.1 超前預報

基于2.2節(jié)可知，軟硬巖互層隧洞，巖爆多發(fā)生在Ⅰ類砂巖SS-1圍巖或Ⅰ類砂巖與其他圍巖夾雜部位。在Ⅰ類砂巖SS-1圍巖中發(fā)生巖爆時，多為中等—強烈?guī)r爆，圍巖爆裂坍塌明顯，破壞范圍和程度較大；在Ⅰ類砂巖與其他圍巖夾雜部位其余少數(shù)巖爆發(fā)生時，多為輕微巖爆—中等巖爆，在Ⅱ類砂巖SS-2圍巖中偶爾會發(fā)生輕微巖爆，圍巖表層有爆裂射落現(xiàn)象，內(nèi)部有人耳可以聽到的噼啪、撕裂聲響，巖爆零星間斷發(fā)生。在泥巖中幾乎沒有發(fā)生巖爆，主要危害是塌方。

因此，開展巖爆防護的重要內(nèi)容是掌握掘進前方的圍巖類別、開挖后圍巖破裂情況。

本工程利用TST、常態(tài)化超前探孔、微震監(jiān)測等技術，結合出渣特征、巖性特征等信息，預判前方開挖巖體性質，提前針對性預警巖爆風險，并動態(tài)調整支護措施和掘進參數(shù)以防止巖爆。

首先，利用TST探明圍巖波速和完整性(見圖11)；然后，結合超前鉆孔的鉆進速率及返渣返水情況(見圖12)初步判斷巖性，并與皮帶出渣情況對比，準確判斷TBM刀盤前方圍巖基本性質(如砂巖的位置、長度、分布特征)；最后，結合微震監(jiān)測手段，判斷圍巖破裂情況，分析巖爆傾向性及圍巖穩(wěn)定性?；谏鲜龇治鼋Y果，針對性采取措施及施工策略。

3.3.2 超前處理

經(jīng)過長時間應用試驗，從超前預報、超前處理、支護參數(shù)和掘進參數(shù)等方面制定了具有巖爆傾向的軟硬巖性互層隧洞TBM施工方法，形成了一整套巖爆響應程序，如圖13和圖14所示。其中超前處理手段包含了2種卸壓孔施工，即水平卸壓孔和徑向卸壓孔，卸壓孔主要在砂巖中實施。1)水平卸壓孔是采用設備配置的傘狀超前鉆機沿護盾上方120°范圍環(huán)形布置一定間距(30～50 cm)的卸壓孔(φ75 mm)，類似施工超前水平探孔，目的在于提前給刀盤前方砂巖層卸壓，減小掘進過程中巖爆發(fā)生概率和強度。2)徑向卸壓孔是使用L1區(qū)錨桿鉆機鉆孔，孔深3.8 m，孔徑54 mm，間排距1 m×1 m，局部加密，其目的是釋放砂巖內(nèi)部能量，減少巖爆發(fā)生概率，在實踐中起到了一定的效果。

圖11TST地震波偏移圖像

Fig. 11 Seismic migration image of tunnel by TST

圖12超前鉆孔巖性預報圖

Fig. 12 Type of lithology prediction by advanced borehole

圖13 砂巖連續(xù)分布大于5 m巖爆響應程序圖

圖14 砂巖連續(xù)分布小于5 m巖爆響應程序圖

根據(jù)超前鉆地質編錄顯示，當前方砂巖連續(xù)分布大于5 m時，現(xiàn)場地質工程師報告至首席地質工程師，首席地質工程師根據(jù)TST報告及上一班次的掘進參數(shù)等數(shù)據(jù)(具體為圍巖強度高、圍巖完整性好、刀盤推力和轉矩、上一班次發(fā)生巖爆次數(shù)(≥1)、無塌方、無地下涌水、地質構造、砂巖厚度等共9個判據(jù))判定巖爆發(fā)生的可能性，給出水平卸壓孔實施意見(當滿足9項判據(jù)的5項時實施水平卸壓孔)；當滿足的判據(jù)小于4項時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況與工程師協(xié)商可不進行水平卸壓孔施工，但必須在240°范圍內(nèi)實施徑向卸壓孔，然后根據(jù)設計選擇不同的支護參數(shù)。

根據(jù)超前鉆地質編錄顯示，當前方砂巖連續(xù)分布小于5 m時，不進行水平卸壓孔施工，但必須在240°范圍內(nèi)實施徑向卸壓孔。

3.4 掘進參數(shù)動態(tài)調整

TBM掘進過程中巖爆主要發(fā)生在較硬、較完整的圍巖中，現(xiàn)場通過針對性的試驗，結合本工程地質條件，得出了比較適宜的掘進參數(shù)見表3，同時參考超前預報，及時調整掘進參數(shù)，其目的是讓掘進速度與巖爆發(fā)生時機相匹配，降低巖爆在L1區(qū)的發(fā)生概率；將巖爆發(fā)生區(qū)域盡量控制在護盾區(qū)域，以減少對人員、設備的危害。

表3 TBM掘進動態(tài)參數(shù)表

4 結論與體會

以喜馬拉雅山區(qū)域某深埋軟硬巖互層地質條件水工隧洞為背景，針對敞開式TBM在巖爆段施工過程中巖爆頻發(fā)帶來的施工困擾，經(jīng)過長達數(shù)km掘進全過程研究，得出以下結論與體會：

1)該工程地質條件下巖爆特征。巖爆絕大部分發(fā)生在掌子面及L1區(qū)范圍，且主要發(fā)生在SS-1砂巖或SS-1砂巖與其他圍巖交界的部位；巖爆發(fā)生的時機和位置不易判斷。

2)采用多樣化的超前預報和超前處理手段，提前卸壓釋放圍巖內(nèi)部能量，減少巖爆發(fā)生概率和等級。

3)優(yōu)化支護材料和支護參數(shù)，及時對重點區(qū)域形成整體系統(tǒng)化的支護，可有效地抵抗巖爆帶來的破壞。

4)巡視常態(tài)化，及時處理各種影響因素，可保證減弱巖爆危害。

5)根據(jù)圍巖情況動態(tài)調整掘進參數(shù)，減小對圍巖的擾動和刀具損耗，在圍巖條件較好的情況下加快掘進速度；在圍巖較硬、較完整的情況下，降低掘進速度，這樣能夠讓圍巖應力在刀盤前或護盾上方釋放，降低巖爆在L1區(qū)的發(fā)生概率。