TBM擴大洞室穿越淺埋溝谷段工程地質(zhì)分析

程憲龍，高 博，朱婷佳，史澤坤

（1.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021；2.中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，吉林長春130021）

1 概述

我國隧道施工技術(shù)快速發(fā)展，采用TBM施工的長、大隧洞越來越多，TBM通常采取洞外或洞內(nèi)組裝，然后再滑移板步進至始發(fā)段掌子面，其中洞內(nèi)組裝在擴大洞室內(nèi)完成。

輸水隧洞TBM擴大洞室穿越淺埋河谷段的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，隧洞埋深淺、上覆巖體厚度薄、巖體完整性差、全強風(fēng)化帶厚度變化大、圍巖抗?jié)B能力差，較易發(fā)生塌方、冒頂、涌水、突泥等事故，給隧洞施工帶來巨大風(fēng)險。提前查明該段地質(zhì)情況，進行風(fēng)險源辨識，判明不良地質(zhì)的類型、大小和影響范圍至關(guān)重要，能夠進一步指導(dǎo)施工，可避免因不明地質(zhì)原因造成工期延后和投資變化等情況發(fā)生。

2 工程概況

內(nèi)蒙古某大型調(diào)水工程初步設(shè)計階段為鉆爆法施工，洞徑為5m；招標及技施階段改為TBM方案，文中論述的是其中一條穿越淺埋支流河谷段的施工支洞與主洞交叉段擴大洞室（組裝洞和連接洞段）工程地質(zhì)問題。

該施工支洞為TBM設(shè)備運入隧道的進口，圓拱直墻式斷面，施工支洞成洞尺寸為8.10m×7.90 m（寬×高），支1+273.50m（擴大洞室）成洞尺寸為16.29m×9.34m（寬×高）。主洞段TBM1設(shè)備組裝洞，洞段長80m，斷面設(shè)計型式為蘑菇狀圓拱直墻式；TBM1連接洞，洞段長120m，斷面設(shè)計型式為圓拱直墻式，成洞尺寸為10.70m×9.34m（寬×高）。

施工支洞在開挖過程中，發(fā)生多次涌水，支洞涌水最大排水量為7791m3/d，縱坡為10.41%，順坡開挖，涌水對鉆爆施工影響很大，采用洞內(nèi)系統(tǒng)阻水灌漿及洞內(nèi)超前灌漿措施后，洞內(nèi)排水量控制在4500m3/d，阻水灌漿有明顯效果。

為了查明該段擴大洞室等部位的工程地質(zhì)條件，采用高密度電法對地表開展物探工作，查明該擴大洞段的地下水發(fā)育情況及可能存在構(gòu)造破碎帶。為確保擴大洞室施工安全，通過物探、鉆探及地質(zhì)測繪，對該段擴大洞室地質(zhì)條件進行深入系統(tǒng)地研究，提出工程處理措施及建議。

3 工程地質(zhì)條件

3.1 區(qū)域地質(zhì)條件

輸水工程沿線地層有二迭系、侏羅系凝灰?guī)r類、砂巖類等地層；侵入有燕山期花崗巖、華力西期花崗巖；地表分布有第四系河流沖洪積層和坡殘積層。該段擴大洞室穿越侏羅系下統(tǒng)蝕變較強的酸性凝灰?guī)r和燕山期期花崗巖兩套地層。侏羅系下統(tǒng)凝灰?guī)r，由于花崗巖侵入，產(chǎn)生了較普遍的綠簾石化、綠泥石化、硅化、脫玻化等蝕變現(xiàn)象。

工程區(qū)斷裂構(gòu)造總體不太發(fā)育，無區(qū)域性斷裂、活動斷裂穿過，該區(qū)域未發(fā)現(xiàn)較大構(gòu)造。

根據(jù)勘察結(jié)果，對隧洞頂板至底板范圍內(nèi)鉆孔壓水試驗，巖體透水率多在0.01～0.1L/（min·m·m）之間，以弱透水巖體為主，部分為中等透水，巖體透水率呂榮值有隨深度增加而減小的趨勢，局部存在滲透通道。

3.2 地形地貌

胡爾勒河支流河谷，溝谷寬淺，兩岸低山丘陵起伏連綿，隧洞穿越段地勢較平坦、開闊，總體趨勢北高南低，地面高程一般為400～410m。

3.3 地層巖性

該段出露的地層巖性主要為燕山早期侵入的花崗巖，局部穿插有閃長巖巖脈，上覆第四系松散堆積物。

花崗巖，淺肉紅色～灰黃色、中粗?；◢徑Y(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為長石、石英，正長石含量不穩(wěn)定，該部位主洞與支洞圍巖均為弱～微風(fēng)化花崗巖；閃長巖巖脈，綠灰色、中細粒結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為角閃石和斜長石，穿插于花崗巖體中。

地表覆蓋有第四系全新統(tǒng)坡洪積物（Q4pdl），分布在支流河谷上游，主要由低液限粘土、粘土質(zhì)礫、含細粒土礫等組成，上部多被腐植土覆蓋，厚4.2～18.6m。

3.4 地質(zhì)構(gòu)造

補充勘察期間，組裝洞部位鉆孔揭露多條中陡傾角的裂隙型斷層，充填物主要由斷層泥、碎塊巖和碎屑巖組成，斷層泥為灰綠色，呈泥狀、手捻有砂感、風(fēng)干后堅硬；碎塊巖成分以強風(fēng)化花崗巖為主，巖芯呈餅狀，局部可見擦痕。常水頭注水試驗測得滲透系數(shù)為3.90×10-5～9.29×10-5cm/s，屬弱透水性。

根據(jù)鉆孔及現(xiàn)場開挖揭露，閃長巖脈發(fā)育寬窄不一，與花崗巖體呈斷層或裂隙接觸，表部閃長巖受斷層影響強烈，礦物已風(fēng)化蝕變，全風(fēng)化呈淺綠色土狀、礫狀，地表測繪未發(fā)現(xiàn)閃長巖脈露頭，開挖過程中均有揭露。

巖體節(jié)理較發(fā)育，多以陡傾角節(jié)理為主，洞身段節(jié)理多呈閉合。局部發(fā)育斷層，巖芯多較破碎。

3.5 水文地質(zhì)

沿線地下水主要分為河谷第四系松散層孔隙潛水及基巖風(fēng)化網(wǎng)狀裂隙水兩類。洞身上下兩倍洞徑范圍內(nèi)巖石透水率為0.0035～0.3200L/（min·m·m），弱透水巖體為主，局部為中等透水和微透水巖體。巖體透水性有隨深度增加而減小的趨勢，局部巖石透水率呂榮值突然增大，局部存在滲透通道。鉆孔揭露斷層部位進行了常水頭注水試驗，均屬弱透水性；河谷中的覆蓋層屬微透水，全、強風(fēng)化花崗巖為中等透水。

4 主要工程地質(zhì)問題分析及評價

4.1 圍巖初步分類

TBM安裝間擴大洞段隧洞埋深62m，巖性主要為燕山期花崗巖，穿插閃長巖巖脈及斷層。頂板弱風(fēng)化巖體厚0～20m，斷層發(fā)育部位巖體破碎。洞身多在弱風(fēng)化巖體中穿過，局部穿越巖體破碎的強風(fēng)化花崗巖。弱風(fēng)化花崗巖飽和抗壓強度為60～80MPa，巖體完整性系數(shù)Kv=0.45，圍巖強度應(yīng)力比最小值S=2.1。地下水高出洞頂51～57m。該段節(jié)理較發(fā)育，巖體完整性差，局部較破碎，圍巖極不穩(wěn)定，成洞條件極差，為Ⅴ類圍巖，施工中需加強支護。

4.2 洞室圍巖穩(wěn)定問題

輸水洞段橫穿胡爾勒河支流河谷，溝谷寬淺，兩岸山體向溝谷底排泄。由于較發(fā)育的陡傾角節(jié)理、斷層及較破碎巖體等均為相對透水構(gòu)造，開挖可能發(fā)生沿斷層及破碎帶出露位置的突泥、涌水問題，該段圍巖不穩(wěn)定。如上述洞段施工，建議采取必要的超前工程處理措施，防止出現(xiàn)坍方、冒頂、突水、涌水等現(xiàn)象，給施工帶來不良影響。

4.3 洞室涌水、突泥問題

該輸水隧洞段橫穿胡爾勒河支流河谷，溝谷寬淺，兩岸低山丘陵起伏連綿，上游流域面積約為20km2，地表來水量主要受大氣降水補給，兩巖山體向谷底排泄，溝內(nèi)常年流水，且上部全、強風(fēng)化花崗巖體厚度較大，形成了面積巨大的裂隙水網(wǎng)，陡傾角節(jié)理、斷層及較破碎巖體等均為透水構(gòu)造，開挖可能發(fā)生沿斷層及破碎帶出露位置的突泥、涌水問題。

隧洞涌水量預(yù)測計算的巖體滲透系數(shù)根據(jù)隧洞底板以上5段壓水試驗資料，統(tǒng)計各段鉆孔的壓水試驗呂榮值，分段統(tǒng)計平均值、最大值平均值，并依據(jù)滲透系數(shù)與透水率呂榮值的轉(zhuǎn)換公式，計算滲透系數(shù)k。

最大涌水量采用古德曼法、大島洋志法和中國經(jīng)驗法預(yù)測計算，對比3種方法的計算結(jié)果，古德曼公式和中國經(jīng)驗法計算結(jié)果比較接近，大島洋志法計算結(jié)果較小。正常涌水量采用裘布依理論公式法、地下徑流模數(shù)法和降水入滲法預(yù)測計算，對比3種方法的計算結(jié)果，降水入滲法計算結(jié)果數(shù)據(jù)相對合理，裘布依理論公式法偏??；地下徑流模數(shù)法所采用的M值，為附近河流特默河流域的地表徑流模數(shù)，為替代值且為水文專業(yè)估算值，準確性值得商榷，計算結(jié)果偏差較大；綜合考慮主要按降水入滲法計算值并參考最大涌水量計算結(jié)果。

涌水量計算未考慮任何工程處理和襯砌措施的裸露圍巖條件下的天然涌水量，但受隧洞施工松動圈影響，滲透系數(shù)呈數(shù)量級變大，越靠近洞頂，滲透系數(shù)越大，實際涌水量會呈幾何倍數(shù)增大。該洞段雖然與前期相比開挖斷面增大，但區(qū)域水文地質(zhì)條件并無實質(zhì)性變化，洞內(nèi)排水記錄數(shù)據(jù)在最大涌水量建議值范圍內(nèi)。集中涌水點涌水量估算困難，影響因素及出現(xiàn)點無法確定，建議施工期對前方富水體進行超前預(yù)報。

5 處理建議

該段TBM擴大洞室鉆孔揭露多條中陡傾角的裂隙型斷層及閃長巖脈，閃長巖受斷層影響強烈，礦物已風(fēng)化蝕變；洞身多在弱風(fēng)化巖體中穿過，局部穿越巖體破碎的強風(fēng)化花崗巖。考慮工期、投資等客觀因素，設(shè)計時將擴大洞室位置向山體附近調(diào)整，支護參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場開挖揭露情況調(diào)整，并及時進行超前地質(zhì)預(yù)報。

6 結(jié)論

TBM擴大洞室施工制約整體工期，且交叉段部位應(yīng)力應(yīng)變復(fù)雜，河谷淺埋洞段普遍存在較多的不明地質(zhì)問題，判明不良地質(zhì)的類型、大小和影響范圍，擬定具有針對性的現(xiàn)場實施方案，執(zhí)行方案，施工驗證并跟蹤監(jiān)控量測，最后形成總結(jié)以指導(dǎo)下一步的施工。

該段淺埋洞室施工開挖揭露的地質(zhì)條件與勘察成果基本一致，未出現(xiàn)較大的施工問題。