某TBM引水隧洞工程地質(zhì)災害特征與應對措施

李吉艷

( 新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 昌吉 831100)

1 概述

深部工程施工過程中常出現(xiàn)各類型地質(zhì)災害，如巖爆、塌方等，造成工期延誤、設備損失、人員傷亡[1- 3]，2008年12月大崗山水電站地下廠房頂拱發(fā)生3000m3的塌方，后續(xù)處理使工期嚴重滯后[4]。2009年11月28日，錦屏2級水電站引水隧洞極強巖爆，造成了7人死亡，1人受傷，價值上億元的TBM徹底損毀，接近30m的隧道完全被埋，隧道停工長達半年以上[5]。開展地質(zhì)災害特征與應對措施研究，對于保障深埋隧道安全有序施工有重要意義。

學者們對以巖爆與塌方為代表的地質(zhì)災害進行了大量研究。馮夏庭等[6]系統(tǒng)總結了巖爆類型、特征及基于微震監(jiān)測的巖爆預警與區(qū)分巖爆類型的動態(tài)防控技術。楊春寶等[7]總結了巖爆分級、發(fā)生范圍、發(fā)生時間、表現(xiàn)形式等基本特點，提出了理論預判法、現(xiàn)場監(jiān)測預報、綜合預判和經(jīng)驗判別等的巖爆風險識別和預警的常用方法。汪成兵等[8]通過對收集和整理隧道塌方資料進行統(tǒng)計分析，得出影響塌方的因素為地質(zhì)條件、隧道埋深、隧道斷面形式及大小、地下(表)水、爆破擾動、施工措施不當，其中由地質(zhì)因素導致的塌方占50%左右。李生杰等[9]研究了高速公路烏鞘嶺隧道穿越F4斷層破碎帶的塌方機制，認為此次塌方是由斷層破碎帶引發(fā)泥礫石突涌。周宗青等[10]分析隧址區(qū)地質(zhì)特征及塌方災害風險誘因，建立淺埋隧道塌方風險模糊層次評價模型，進行隧道施工過程中的動態(tài)風險評估，通過對施工方案的審核和優(yōu)化，達到逐漸降低隧道施工風險、規(guī)避地質(zhì)災害的目的。李術才等[11]選取圍巖級別、隧道埋深、偏壓角度、巖體完整情況、地下水影響和施工因素6個主要因素作為評價指標，結合超前地質(zhì)預報方法對指標進行定量描述，建立了隧道塌方風險分級的屬性識別模型。

本文依托某TBM引水隧洞，以已開挖揭露的1km洞段地質(zhì)災害(巖爆、塌方)為例，分析不同類型地質(zhì)災害對施工的影響，及圍巖等級、地下水等因素與地質(zhì)災害的關系。介紹了巖爆及塌方的應對措施及其措施應用效果，以期為類似工程提供依據(jù)。

2 工程概況

新疆某大型引水工程沿線長500多km，埋深在300～790m，埋深較深段采用TBM掘進。Ⅷ標段隧洞總長41.0km，埋深為680～790m(TBM9施工段長21.0km，204+153—225+153段，TBM10施工段長20.0km，225+153—K245+153)，其中Ⅱ類圍巖總長20.726km，占該標段的50.55%；Ⅲ類圍巖總長15.667km，占該標段的38.21%(其中Ⅲa長9.4km，Ⅲb長6.267km)；Ⅳ類圍巖總長4.438km，占該標段的10.82%；Ⅴ類圍巖總長0.169km，占該標段的0.41%[12]。隧道直徑7m。

工程區(qū)位于阿勒泰山南坡剝蝕丘陵區(qū)，地勢總體北高南低，海拔高程1180～1350m，地形起伏較小，山頂多呈渾圓狀，山體坡度較緩，一般高差10～30m，基巖大多裸露，主要為荒漠地貌。

地層巖性主要為古生代志留系(S)片理化凝灰?guī)r、泥盆系(D)鈣質(zhì)砂巖、凝灰質(zhì)砂巖及華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖侵入巖。該標段內(nèi)無區(qū)域性大斷裂通過，但發(fā)育f67—f71、f71—1共6條較大的次級斷層，產(chǎn)狀70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，斷層走向與洞線方向夾角20°～60°，破碎帶寬度10～30m，帶內(nèi)以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主。據(jù)鉆孔揭露，本標段還發(fā)育少量小斷層，寬度一般2～10m，帶內(nèi)以糜棱巖及碎裂巖為主。

按地下水賦存狀態(tài)的不同，本標段隧洞地下水主要類型為基巖裂隙水，根據(jù)隧洞沿線鉆孔反映，洞底以上普遍存在裂隙潛水，裂隙水水量較小，沒有連續(xù)的地下統(tǒng)一水面。地下水主要貯存于斷層破碎帶、裂隙密集帶，隧洞穿過這些地段時大多以滲水、滴水為主，局部出現(xiàn)線狀流水。

3 工程地質(zhì)災害特征

3.1 工程地質(zhì)災害情況

以該TBM引水隧洞已開挖的1km洞段地質(zhì)災害發(fā)生情況及圍巖等級進行統(tǒng)計，見表1。需要說明的是，巖爆等級劃分是依據(jù)GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[13]確定。

由表1可知，該1km洞段持續(xù)發(fā)生巖爆與塌方，其中輕微巖爆段37m，中等巖爆段累積275m，塌方洞段累積550m，無破壞及表層結構面松脫僅138m。即發(fā)生地質(zhì)災害的洞段占比達86.2%，由此表明該隧道地質(zhì)災害嚴重，需開展針對該隧道地質(zhì)災害特征的研究。

如圖1所示，分別為TBM通過不同地質(zhì)災害段的掘進速率。由圖1可知，當開挖后無破壞時，平均日進尺19.3m，結構面松脫與輕微巖爆段平均日進尺較接近，約為16.3m，相比無破壞段，日進尺降低了15.5%。中等巖爆段平均日進尺為12.6m，相比無破壞段，日進尺降低了34.7%。塌方段平均日進尺最低，日進尺僅為7.01m，降低了63.7%。表明中等巖爆及塌方對隧道掘進速率影響較大。

表1 K231+000—K232+000地質(zhì)災害與圍巖等級

圖1 不同地質(zhì)災害類型平均日進尺

如圖2所示，分別為該隧道開挖時無破壞、輕微巖爆、中等巖爆、塌方洞段的圍巖地質(zhì)情況及破壞發(fā)生情況。

(1)如圖2(a)所示，為樁號231+104—231+150段，巖性為華力西期黑云母花崗巖，灰白色，堅硬巖，塊狀結構，主要有2組節(jié)理：①33°～88°NW∠41°～77°，與洞軸線夾角44°～81°，節(jié)理多閉合、局部微張1～2mm，填充鈣膜，節(jié)理面平直粗糙，延伸長3～7m，發(fā)育間距0.5～1.5m；②271°～281°NE∠63～68°，與洞軸線夾角78°～68°，節(jié)理多閉合、局部微張1～2mm，節(jié)理面平直粗糙，延伸長3～8m，發(fā)育間距1.0～2.0m。洞室干燥，圍巖較完整，綜合評定為Ⅱ類圍巖。

(2)如圖2(b)所示，為TBM開挖通過K231+067—231+104時的地質(zhì)災害情況，巖性為灰白色夾磚紅色黑云母花崗巖，堅硬巖，巖體較完整，主要2組節(jié)理：①59°SE∠69°，與洞軸線夾角70°，微張1～3mm，充填灰白色鈣膜、節(jié)理面平直粗糙，延伸長度3～5m，發(fā)育間距0.6～1.5m；②41°～79°NW∠33°～78°，與洞軸線夾角52～90°，閉合局部微張，節(jié)理面平直粗糙，延伸長度3～8m，發(fā)育間距0.5～1.0m。巖壁潮濕、局部滴水，洞室10點30分至13點30分范圍沿結構面松弛脫落，局部開裂，節(jié)理面粗糙銹染，局部發(fā)生輕微巖爆，爆坑深0.1～0.3m。

(3)如圖2(c)所示，為TBM開挖通過231+742—231+812段的地質(zhì)災害情況，巖性為黑云母花崗巖，堅硬巖，塊狀構造，巖體完整性差局部較破碎，主要有2組節(jié)理：①31°～78°SE∠41°～78°，與洞軸線夾角42°～89°，節(jié)理閉合局部微張1～3mm，充填灰白色鈣膜，節(jié)理面平直粗糙，延伸長3～7m，發(fā)育間距0.5～1.0m；②41°～81°NW∠41°～71°，與洞軸線夾角52°～88°，節(jié)理微張，1～2mm，充填灰白色鈣膜，節(jié)理面平直粗糙，延伸長3～8m，發(fā)育間距0.5～2.0m。該段圍巖潮濕，以滲水為主，少量滴水，洞室10點鐘至14點鐘范圍發(fā)生構造型中等巖爆，爆坑一般深度0.2～0.4m，最深0.5m，圍巖完整性差，局部較破碎，沿結構面存在潛在不穩(wěn)定體。

(4)如圖2(d)所示，樁號231+234—231+237段10點鐘至11點鐘空腔內(nèi)情況，該段10點鐘至11點30分范圍受節(jié)理組合切割發(fā)生塌方，塌腔呈向左傾倒的楔形，最深5.0m，塌腔內(nèi)可見10°～20°NW∠40°～50°組節(jié)理光面，塌腔內(nèi)沿結構面局部有滴滲水。區(qū)域主要位于f255斷層影響帶內(nèi)，圍巖較破碎，不穩(wěn)定，為Ⅳ類圍巖。斷層f255產(chǎn)狀1°～10°NW∠40°～50°，與洞軸線夾角12°～21°，從樁號231+230附近洞室左側(cè)斜穿至樁號231+262附近洞室右側(cè)，斷層寬2～3cm，在樁號231+250頂中附近寬0.1～0.2m，斷層帶內(nèi)為含灰白色鈣質(zhì)的灰色、磚紅色斷層泥，上盤影響帶寬3～6m，下盤影響帶未揭穿，目前出露最大寬度8m。斷層影響帶內(nèi)巖石蝕變強烈，強度堅硬-中硬，巖體較破碎，包含4組節(jié)理。

圖2 開挖地質(zhì)災害

3.2 地質(zhì)災害與圍巖等級的關系

根據(jù)表1，分析了該1km洞段地質(zhì)災害與圍巖等級的關系，如圖3所示。由圖3可知，Ⅱ類圍巖中，72.6%的洞段無破壞，27.4%的Ⅱ類圍巖發(fā)生輕微巖爆；Ⅲa類圍巖多發(fā)生中等巖爆，占比達83.5%，16.5%的Ⅲa類圍巖發(fā)生結構面松脫；Ⅲb類圍巖多發(fā)生塌方，占比約80.6%，19.4%的Ⅲb類圍巖發(fā)生中等巖爆；Ⅳ類、Ⅴ類圍巖均發(fā)生了塌方。

圖3 地質(zhì)災害與圍巖等級的關系

由上述分析可知，地質(zhì)災害與圍巖等級有顯著關系，即巖爆多發(fā)生于Ⅱ類及Ⅲa類圍巖，且Ⅱ類圍巖多為輕微巖爆，Ⅲa類圍巖多為中等巖爆。塌方多發(fā)生于Ⅲb類、Ⅳ類及Ⅴ類圍巖。Ⅲb類圍巖還有可能發(fā)生中等巖爆，而Ⅳ類及Ⅴ類圍巖發(fā)生塌方的可能性極大。

3.3 地質(zhì)災害與地下水的關系

如圖4為該1km洞段地質(zhì)災害與平均地下水含量的關系。

圖4 地質(zhì)災害與出水量的關系

由圖4可知，當出水量為0時，隧道圍巖開挖后無破壞或發(fā)生中等巖爆；當有一定出水量時，巖爆風險降低，發(fā)生輕微巖爆。隨著出水量上升，圍巖發(fā)生結構面松脫。出水量較大達到6.3L/min，圍巖發(fā)生塌方。由此可知，出水量小時，圍巖無破壞或易發(fā)生脆性破壞；出水量大時，易發(fā)生結構破壞。

4 地質(zhì)災害應對措施

4.1 超前地質(zhì)預報預測塌方

依托山東大學開展的超前地質(zhì)預報進行塌方的預測。超前地質(zhì)預報是利用地震波超前探測技術，了解隧洞掌子面前方地質(zhì)體的性質(zhì)(軟弱帶、破碎帶、斷層等)、位置及規(guī)模[14]。地震波探測技術的基本原理在于地震波遇到波阻抗差異界面時，一部分信號被反射回來，一部分信號透射入前方介質(zhì)，如圖5所示。波阻抗差異界面通常為地質(zhì)巖層界面或巖體不連續(xù)界面，由此可通過反射波確定波阻抗差異界面的在掌子面前方的分布情況。軟弱破碎帶或斷層等是塌方的主要發(fā)生區(qū)域，明確了地質(zhì)體的性質(zhì)及分布情況及確定了塌方風險區(qū)。

圖5 超前地質(zhì)預報原理圖

以K231+267—231+367共100m超前地質(zhì)預報結果為例，掌子面樁號為K231+267。結合探測區(qū)域的地震波反射成像圖和地質(zhì)分析，推斷解釋如下：

(1)K231+267—K231+312段落。在反射圖像上出現(xiàn)強烈的正負反射，推斷該段落圍巖與掌子面基本一致，圍巖較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊，局部易出現(xiàn)塌腔。

(2)K231+312—K231+367段落。在反射圖像上出現(xiàn)明顯的正負反射，推斷該段落圍巖與上段相比有變好的趨勢，圍巖完整性差，節(jié)理裂隙發(fā)育，易發(fā)生掉塊，局部可能發(fā)生塌腔。

由前述可知，K231+267—231+367段圍巖等級可以分為6段，即：K231+267—K231+279為Ⅳ類圍巖，K231+279—K231+292為Ⅴ類圍巖，K231+292—K231+309為Ⅳ類圍巖，K231+309—K231+340為Ⅲb類圍巖，K231+340—K231+358為Ⅲa類圍巖，K231+358—K231+367為Ⅲb類圍巖。

地震波成像結果顯示，Ⅳ類圍巖與Ⅴ類圍巖的正負反射較強烈，結合3.2節(jié)的認識，可以很清楚進行識別并判定其有塌方，局部易出現(xiàn)塌腔，實際發(fā)生也證明了該推斷結果。即應用超前地質(zhì)預報可以對Ⅳ類與Ⅴ類圍巖的塌方進行準確預測。

對于K231+309—K231+367段，推斷結果顯示該段落圍巖與上段相比有變好的趨勢，實際該段為Ⅲ類圍巖，圍巖質(zhì)量變好。但無法判斷其Ⅲ類圍巖究竟為Ⅲa類還是Ⅲb類圍巖，結合3.2節(jié)的認識，該類型圍巖有中等巖爆、結構面掉塊及塌方的風險。即應用超前地質(zhì)預報無法判斷出Ⅲ類圍巖可能發(fā)生的地質(zhì)災害。

4.2 微震監(jiān)測預警巖爆

依托東北大學開展的巖爆微震監(jiān)測預警技術進行巖爆預警。微震監(jiān)測技術利用微震傳感器，捕捉隧道開挖過程中的巖體破裂信號，分析巖體破裂的位置、震級等信息，如圖6所示[15]。由于巖爆的孕育過程是巖體破裂、積聚、貫通至彈射的過程，所以分析巖體破裂的積聚位置、程度即可開展基于微震監(jiān)測技術的巖爆等級、位置預警[16]。

圖6 巖爆微震監(jiān)測原理[6]

以K231+165—231+200段巖爆預警報告為例，如圖7所示。從8月13日9:00—8月14日9:00，發(fā)生于預警區(qū)域的巖石破裂事件數(shù)為79個，累計微震釋放能為193717.8J。從8月13日23:00—8月14日9:00，發(fā)生于預警區(qū)域的巖石破裂事件數(shù)為55個，累計微震釋放能為177971.3J。預警區(qū)域內(nèi)微震事件數(shù)及釋放能較高，巖爆預警等級為中等巖爆。實際K231+194—195.5段12點鐘到14點鐘方向發(fā)生中等巖爆，深度0.5m，與預警結果一致。

圖7 8月13日23時至8月14日23時微震事件時空分布特征

統(tǒng)計該1km巖爆預警結果，如圖8所示，共發(fā)布預警報告136期，其中，預警中等巖爆38期、輕微巖爆8期、無巖爆90期，實際發(fā)生中等巖爆33期、輕微巖爆6期、無巖爆90期，預警與實際完全一致的共129期，預警準確率為94.85%。預警與實際不一致的共7期，其中巖爆預警結果高于實際發(fā)生等級的6期，低于實際發(fā)生等級只有1期。即巖爆預警結果不準確時，多為高于實際發(fā)生等級，保證了工程施工安全。

圖8 巖爆微震監(jiān)測預警準確率分析

5 結語

針對某TBM隧道，依托已開挖的1km隧道(K231+000—K232+000)圍巖地質(zhì)災害現(xiàn)狀，研究了工程地質(zhì)災害發(fā)生情況及其與圍巖等級及出水量的關系，分析了地質(zhì)災害監(jiān)測技術的適用性及應用情況，得到以下結論：

(1)該1km洞段發(fā)生地質(zhì)災害的洞段占比達86.2%，中等巖爆及塌方對隧道掘進速率影響較大，分別導致平均日進尺降低了34.7%和63.7%，對該2類型地質(zhì)災害的研究很有必要。

(2)地質(zhì)災害與圍巖等級、出水量有顯著關系，巖爆多發(fā)生于Ⅱ類及Ⅲa類圍巖，且Ⅱ類圍巖多為輕微巖爆，Ⅲa類圍巖多為中等巖爆。塌方多發(fā)生于Ⅲb類、Ⅳ類及Ⅴ類圍巖。Ⅲb類圍巖還有可能發(fā)生中等巖爆，而Ⅳ類及Ⅴ類圍巖發(fā)生塌方的可能性極大。出水量小時，圍巖無破壞或易發(fā)生脆性破壞。出水量大時，易發(fā)生結構破壞。

(3)基于超前地質(zhì)預報，可以獲取掌子面前方的圍巖等級信息，由此準確預測易發(fā)生塌方的Ⅳ類與Ⅴ類圍巖段。進一步，對Ⅱ類及Ⅲ類圍巖，開展巖爆監(jiān)測預警，巖爆預警準確率為94.85%。巖爆預警結果不準確時，多為高于實際發(fā)生等級，保證了工程施工安全。

本文分析結果可為類似隧道工程地質(zhì)災害應對措施提供依據(jù)，后續(xù)還需結合更多案例及監(jiān)測預警結果進行分析。