雙護盾TBM引水隧洞高壓突涌水處治技術(shù)研究*

冀國棟，王燦林，廖建煒，高云升

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072； 2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300350；3.中鐵十八局市政工程有限公司，天津 300350)

0 引言

隧洞突涌水問題是引水隧洞施工過程中常見的地質(zhì)災害之一，特別是對于TBM隧洞施工而言，突涌水是導致其重大工程事故的主要工程地質(zhì)問題[1]。TBM因其設備自身結(jié)構(gòu)特點，對不良地質(zhì)條件的適應性較差，處理方法遠沒有傳統(tǒng)鉆爆法靈活，因隧洞突涌水而導致嚴重工程事故的情況時有發(fā)生[2-5]，如印度Dul Hasti水電工程引水隧洞、我國山西萬家寨引黃工程南干線7號隧洞、昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞、錦屏二級水電站引水隧洞、北疆供水二期工程雙三隧洞等，在TBM施工過程中均遭遇了大型突涌水，嚴重影響了工程的經(jīng)濟效益和社會效益。

針對TBM隧洞突涌水的預防和治理，已有學者從設計和施工等角度出發(fā)開展了相關(guān)研究，晏啟祥等[6-7]針對工程中面臨的高水壓難題，提出了泄水式管片襯砌結(jié)構(gòu)形式設計思路；吳世勇等[8-9]結(jié)合錦屏輔助洞發(fā)生的多次高壓大流量突涌水問題，提出“先探后掘”的施工原則，針對富水區(qū)灌漿封堵，提出了“先易后難、先引后堵、先頂拱后邊墻再底板，局部集中處理、兼顧其他部位、系統(tǒng)處理、綜合治理”的總體處理原則；周衛(wèi)霞[10]根據(jù)超前地質(zhì)預報成果及掌子面前方涌水征兆分析采取超前阻水注漿施工，以封堵圍巖裂隙，減少洞內(nèi)涌水量；李廣涿[11]結(jié)合雙三隧洞出現(xiàn)的突涌水問題，提出針對不同的出水情況采取多種注漿方式相結(jié)合的針對性堵水措施。

目前的引水隧洞多選用敞開式TBM施工，也有一些工程選擇采用雙護盾TBM施工，如青海省引大濟湟工程、蘭州水源地工程、山西省中部引黃工程等。雙護盾TBM由于設備盾體較長、注漿作業(yè)空間受限[12-13]，對于突涌水災害的處治會更加困難。本文依托中部引黃工程雙護盾TBM施工案例，分析突涌水的形成原因，提出疏排地下水、裂隙帶壓止水、掌子面淺層注漿堵水等施工技術(shù)，實現(xiàn)對掌子面出水裂隙的有效封堵，以期為類似雙護盾TBM引水隧洞的高壓突涌水災害處治提供參考。

1 工程概況

中部引黃工程是山西大水網(wǎng)建設的重要工程之一，位于黃河流域呂梁境內(nèi)，設計取水流量為23.55m3/s。整體工程分為取水工程和輸水工程，輸水工程包括總干線、東干線、西干線和各支線，輸水線路總長384.5km。總干線3號隧洞穿越黑茶山自然保護區(qū)，最大埋深610m，設計采用2臺雙護盾TBM對向掘進，其中TBM1施工段包括進洞支洞和主洞，全長26.07km，進洞支洞全長5.02km，設計縱坡3.857%，下坡掘進；主洞全長21.05km，設計縱坡為0.04%。隧洞設計開挖洞徑為5.06m，管片襯砌后洞徑為4.30m，為無壓輸水隧洞。TBM施工斷面為圓形，采用預制混凝土管片襯砌，管片采用六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)，4片管片組成1環(huán)。管片外徑4.80m，內(nèi)徑4.30m，管片厚25cm，每環(huán)管片寬度為1.4m，預制管片背后與圍巖之間的空腔平均為103mm，采用豆礫石充填并進行回填灌漿。

隧洞穿越地層以奧陶系灰?guī)r、泥灰?guī)r地層為主，總長14.46km，占洞長55.5%；寒武系白云巖、泥質(zhì)條帶灰?guī)r地層4.76km，占18.3%；太古界黑云斜長片麻巖、石墨透閃石大理巖、片麻狀花崗偉晶巖、斜長角閃片麻巖、片麻狀花崗巖地層3.63km，占13.9%；穿過18條斷層破碎帶累計長度3.22km，占12.3%。隧洞主洞段沿線地下水類型主要有變質(zhì)巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區(qū)間水及層間水)，其中變質(zhì)巖類裂隙水貯存于巖層風化帶及裂隙中，補給主要來源為大氣降水。當貯水層為埋深較大的構(gòu)造裂隙時，具有承壓性。

2 特大突涌水及成因分析

2.1 突涌水基本情況

2018年10月25日，TBM掘進至主洞17.54km，樁號Z(k)94+563.705處，突發(fā)涌水，隧洞涌水流量超過820m3/h，TBM停止掘進，從人孔觀察發(fā)現(xiàn)掌子面有5條裂隙自掌子面左上方至右下側(cè)斜向全斷面貫通并延伸至隧洞側(cè)壁，裂隙沿巖層面張裂，出水沿層面裂隙向外噴出，壓力為2.0～3.5MPa。掌子面左下側(cè)裂隙部位巖石破碎，孔洞內(nèi)出水較大，洞身左右側(cè)裂隙有線狀流水。

2.2 地質(zhì)情況

2.2.1設計地質(zhì)情況

隧洞樁號Z(k)94+323—Z(k)94+700段穿越地層原設計為III類圍巖，埋深為535～594m，地層巖性為太古界界河口群奧家灣組中強定向黑云長英構(gòu)造片麻巖等。隧洞圍巖為硬質(zhì)巖，巖體較完整。地下水主要為變質(zhì)巖類裂隙水，地下水位位于洞頂以上328～331m，隧洞開挖時可能發(fā)生涌水或突水，設計涌水流量為230.9m3/h。

2.2.2實際揭露地質(zhì)情況

1)超前鉆探

前期設計階段曾采用人工源大地電磁法進行物探勘察，電阻率等值線在樁號Z(k)93+750及Z(k)94+800處附近出現(xiàn)間斷，且左右兩側(cè)電阻均高，推斷可能分別存在斷層F4及F5，影響帶內(nèi)巖體破碎。

遭遇突涌水后，現(xiàn)場對掌子面前方地質(zhì)補充進行超前鉆探，鉆探時出現(xiàn)孔內(nèi)噴涌水現(xiàn)象，鉆進至15m時隧洞出水壓力超過3.0MPa，出水量變大，鉆孔過程未發(fā)現(xiàn)鉆到孔洞，推斷為裂隙出水。根據(jù)鉆探結(jié)果判斷掌子面前方存在高壓富水斷層破碎帶。

2)施工揭示

根據(jù)實際揭露情況顯示，F(xiàn)4斷層出露里程為Z(k)93+721.82，破碎帶里程為Z(k)93+691.42—Z(k)765.43，長度為74.01m。斷層上盤出露地層為石墨透閃石大理巖，下盤出露地層為黑云斜長片麻巖；斷層帶巖石破碎，構(gòu)造裂隙發(fā)育，為一傾向北東、傾角較抖之正斷層。

樁號Z(k)94+563處掌子面揭示洞身上部圍巖為太古界界河口群奧家灣組變質(zhì)含礫石英砂巖，下部地層為中強定向黑云長英構(gòu)造片麻巖。TBM掘進至此處發(fā)生突涌水，最大涌水量約845m3/h，涌水中攜帶泥砂顆粒。

2.3 地質(zhì)情況綜合分析

根據(jù)前期勘察設計資料及TBM掘進揭示情況，本段位于F4，F(xiàn)5斷層之間地塹，受到F4，F(xiàn)5斷層影響，原設計推測地層界線由洞身以上55m下移20m，如圖1所示。洞身上部圍巖變?yōu)樽冑|(zhì)含礫石英砂巖，造成掘進時涌水含砂。樁號Z(k)94+563處臨近F5斷層，距離F5斷層約240m。斷層帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，且與透水層相通形成水力聯(lián)系，構(gòu)成了地下水的集中滲漏通道，進而產(chǎn)生突涌水。

圖1 突涌水位置附近地層情況

根據(jù)F5斷層下游鉆孔ZK12ZT-9顯示，石英砂巖厚度約20m，出水的石英砂巖傾角與掘進方向呈8.5°仰角，推斷掘進前方可能會遇到全斷面石英砂巖，且出水量將比目前掌子面出水量更大。

3 突涌水綜合處治

由于本次突涌水為高壓裂隙水，考慮到TBM施工為反坡施工，為避免洞內(nèi)積水過多導致人員及設備淹溺，決定依據(jù)“以堵為主、堵排結(jié)合”的原則，采用“疏排地下水+裂隙帶壓止水+淺層注漿堵水”相結(jié)合的掌子面裂隙出水封堵方案進行突涌水處治。

3.1 疏排地下水

根據(jù)隧洞突涌水量和涌水持續(xù)時間依次采用管道系統(tǒng)排水、階梯擋水壩翻排水和搶險移動泵車抽排水等措施，確保施工人員和TBM設備安全。

1)管道系統(tǒng)排水 突涌水發(fā)生后，現(xiàn)場立即停止掘進并啟動現(xiàn)有管道排水系統(tǒng)進行抽排水。具體措施為：啟用機頭位置8號污水箱1條DN300和1條DN200排水管道，開啟710kW離心泵，與原運行的4個接力泵站各2臺132kW離心泵接力排水至主支交叉擴挖洞的蓄水池。

2)階梯擋水壩翻排水 由于隧洞突涌水量遠超設計涌水量，且持續(xù)時間較長，管道系統(tǒng)排水能力不足，雖已全力抽排，洞內(nèi)水位仍然下降緩慢。為進一步延緩水勢，減少TBM機頭位置存水，啟用了分級反坡應急階梯擋水壩翻排水，通過排水泵將TBM設備區(qū)域積水抽排至上游階梯壩后逐級排出隧洞。

3)搶險移動泵車抽排水 考慮到突涌水中含有大量泥砂，可能導致水泵故障，無法及時將洞內(nèi)積水抽排至上游階梯壩，排水期間調(diào)運常備在洞外的專用搶險移動泵車至隧洞積水最前方位置，應急排出隧洞積水。移動泵車利用10臺長桿排水泵由隧洞取水至泵車水箱，水箱出口通過3臺MD280-43×6自平衡多級離心泵抽排水至同隧洞延伸的DN300和DN200排水管路中。

3.2 掌子面裂隙帶壓止水

掌子面出水封堵的主要對象是5條全斷面的貫通裂隙，由于裂隙承壓水流持續(xù)噴射，且掌子面空間狹小，施工空間受限，考慮到掌子面圍巖穩(wěn)定性較強，決定將TBM刀盤后退一定距離，再依據(jù)以往經(jīng)驗[14-15]，采用防水板封堵裂隙出水，以鋼板加膨脹螺栓加以固定。但在實際施工過程中，由于掌子面平整度較差，涌水裂隙范圍過大，鋼板貼合掌子面不嚴，且膨脹螺栓在堅硬巖面上鉆孔困難，無法有效固定鋼板。

針對鋼板堵水效果不佳的問題，制定了刻槽嵌縫+預埋排水管+填充封堵劑的掌子面裂隙帶壓止水方案?？滩矍犊p的主要功能是為后期填充封堵劑提供空間，預埋排水管的主要目的是提供集中出水通道。

1)刻槽嵌縫 根據(jù)掌子面及洞身圍巖裂隙的分布情況，沿裂隙在掌子面正面及兩側(cè)部位人工開鑿內(nèi)側(cè)寬度為160mm，外側(cè)寬度為120mm，深度為400mm的反梯形槽，刻槽情況如圖2所示。

圖2 掌子面裂隙刻槽處理

2)預埋排水管 刻槽后進行槽內(nèi)預埋排水管安裝，采用DN20鋼管制排水管，長度為500mm，前端100mm打設進水孔，孔徑12mm，孔距20mm，梅花狀布置；中部焊φ10鋼筋錨固彎勾；尾端加工絲扣，安裝DN200蝶閥，蝶閥為打開狀態(tài)。將預埋排水管定位在反梯形槽內(nèi)裂隙高度，排水管間距為1 000mm，排水管前端用提前布置在梯形槽內(nèi)部的麻絲定位在槽內(nèi)裂隙高度處固定，排水管尾部超出掌子面，使蝶閥外露，如圖3所示。

圖3 排水管安裝位置示意

3)填充封堵劑 封堵材料選用膏狀封堵劑，可直接填充至開槽內(nèi)，從而避免在堅硬巖面上鉆孔的難題。按照由外向內(nèi)的順序分別填充掌子面及洞身裂隙，將速凝型膏狀封堵劑填入反梯形槽內(nèi)直至充填密實。堵水時一直開啟蝶閥集中排水，待封堵劑凝結(jié)強度達到90%后可關(guān)閉排水孔蝶閥。

3.3 掌子面淺層注漿堵水

掌子面裂隙止水完成后，為防止高壓地下水涌入周邊微小裂隙，形成新的導水通道，再次發(fā)生突涌水，在掌子面鉆孔進行淺層注漿，對掌子面涌水區(qū)域進行全面封堵，在掌子面前方2～3m范圍內(nèi)形成近似止?jié){墻。

1)注漿范圍 注漿封堵范圍包括大范圍出水裂隙、小型出水點及周邊一定范圍的區(qū)域，注漿設計如圖4所示。鉆孔間距為1m，局部適當加密，鉆孔直徑為50mm，鉆孔深度因受掌子面空間限制，采用1～2.3m鉆桿分3次替換鉆孔。對于出水裂隙部位，由開槽底面起算孔深為2.2m。

圖4 注漿孔布置示意

2)注漿材料 注漿材料選用CS漿，C∶S=1∶1(體積比)，水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶0.8，水玻璃濃度為39.3°Be′。實驗室測試雙液漿膠凝時間56s，初凝時間1min45s，終凝時間1h8min，漿液結(jié)石體28d抗壓強度為18.5MPa。

3)注漿方法 注漿封堵采用全孔一次注漿，按照“先外后內(nèi)、先兩邊后中間”的順序依次施作。按照地下水位埋深約350m計算，最大水頭壓力為3.5MPa，注漿壓力一般大于地下水壓力的1.5倍，注漿最大壓力控制為5.25MPa。

4)注漿封堵效果檢測 注漿結(jié)束后，待漿液凝固期滿，在注漿重點區(qū)域加設檢查孔，檢查孔數(shù)量不少于4個，以所有檢查孔總涌水量不超過30m3/h為判斷標準，注漿質(zhì)量不合格時，可加密鉆孔作補注漿處理，直到注漿效果達到要求。

4 結(jié)語

1)中部引黃工程總干線3標TBM1隧洞Z(k)94+563.705段位于F4和F5斷層之間地塹，受斷層影響，原設計推測地層界線下移。斷層帶構(gòu)造裂隙發(fā)育，且與透水層相通形成水力聯(lián)系，構(gòu)成了地下水的集中滲漏通道，進而產(chǎn)生突涌水。該段不良地質(zhì)構(gòu)造的影響是本次特大突涌水發(fā)生的主要原因。

2)雙護盾TBM由于設備盾體較長，作業(yè)空間受限，對于隧洞突涌水災害的處治困難。通過分析本次突涌水的形成原因，確定了“以堵為主、堵排結(jié)合”的原則，提出了“疏排地下水+裂隙帶壓止水+淺層注漿堵水”相結(jié)合的掌子面裂隙出水封堵方案，取得了較好的效果。

3)對于高水壓、大范圍的出水裂隙，防水板很難完全貼合掌子面裂隙區(qū)域，采取了刻槽嵌縫+預埋排水管+填充封堵劑的掌子面裂隙帶壓止水方案。工程實踐證明，該技術(shù)具有良好的裂隙止水效果，可在類似工程中進一步推廣應用。