深埋長距離引水隧洞敞開式TBM施工不良地質災害處置措施研究

呂 斌，邱道宏，楊 修,王剛剛

(1.新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司,新疆 烏魯木齊 830000；2.山東大學巖土與結構工程研究中心，山東 濟南 250061)

隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進，國內(nèi)隧道與輸水隧洞的建設規(guī)模不斷擴大，在建或擬建的深埋長大隧道越來越多，以往鉆爆法的施工速度已不能滿足這些隧道的快速建設需求[1]。相比于鉆爆法施工，TBM施工隧洞可做到一次掘進成型，在掘進速度、安全保障、自動化程度方面獨具優(yōu)勢，其施工速度可達鉆爆法的3～10倍，逐漸成為深埋長距離隧道施工的首選工法[2]。但長距離隧道施工經(jīng)常遭遇各種不良地質，由于TBM設備對地質條件變化較為敏感，在穿越不良地質段時經(jīng)常出現(xiàn)塌方卡機事故，造成工期延誤設備損壞，嚴重影響了經(jīng)濟和社會效益[3- 4]。

國內(nèi)學者針對TBM穿越不良地質施工災害處置措施進行了大量研究。王亞鋒[5]等針對TBM開挖的卡機風險系數(shù)，概括了掘進數(shù)據(jù)與卡機塌方的內(nèi)在聯(lián)系并提出改進方法。張根才[6]等結合萬家寨引黃工程，總結了TBM穿越溶洞時的施工方案。曲長海[7]等，通過對瓦斯氣體超前探測和排放處理，采用多方式加強初期支護和施工防爆等措施，使TBM安全地通過含瓦斯煤層斷層破碎帶。針對高地溫熱害段，洪開榮[8]等認為減少熱害的關鍵方法是要有效地控制熱水大量涌出以及要減少熱水的有效散熱面積。梁峰[9]等采用超前注漿的加固技術提高護盾上部及刀盤上部堆積體的強度和穩(wěn)定性，成功使TBM脫困。李榮飛[10]根據(jù)TBM選型和施工方案，并結合超前地質預報技術，闡述了TBM穿越軟弱破碎帶和富水地段的具體處理措施。

目前很多研究成果采用超前處置及加固措施實現(xiàn)了不良地質條件下TBM的快速通過，但針對敞開式TBM穿越不良地質災害處置措施的系統(tǒng)總結則較少。因此本文依托新疆某引水隧洞工程，針對TBM穿越不良地質段施工災害問題進行了研究，旨在減少TBM災害事故的發(fā)生，并為類似TBM隧洞工程提供施工指導。

1 工程概況

1.1 工程背景

新疆北部某引水工程采用敞開式TBM施工，引水隧洞開挖直徑為7830mm。地勢上總體呈現(xiàn)北高南低，東高西低的特點，地形地貌整體起伏較大，海拔主要在730～1400m之間，最高處與最低處高差達670m，最大埋深達668m；受過往流水沖刷作用，該標段侵蝕溝規(guī)模較大，TBM施工段設計坡度1/3000。

1.2 地質概況

經(jīng)現(xiàn)場地勘和相關材料進行分析，隧洞整體地層巖性為黑云母石英片巖、石英片巖、黑云母花崗巖夾閃長巖和黑云母斜長花崗巖。本標段工程地質情況復雜，穿越斷層19處，部分地段巖體軟弱、破碎，地下水以裂隙水的狀態(tài)賦存且沿線分布不均。斷層破碎帶寬度通常在5m以上，掘進段地下水以孔隙潛水、基巖裂隙水為主，地下水通過巖石裂隙流動，徑流方向與走勢基本一致，通常排泄于受流水沖擊侵蝕嚴重的溝谷處。隧洞開挖可能會產(chǎn)生較大涌水，并引起圍巖失穩(wěn)問題，影響TBM連續(xù)掘進作業(yè)。

2 引水隧洞不良地質情況

2.1 富水軟弱破碎帶

破碎帶一般是由地質構造作用及風化作用生成，破碎帶處往往節(jié)理較為發(fā)育，夾雜軟弱風化碎石，層間接觸面粗糙度小，結構面抗剪強度低。TBM穿越富水軟弱破碎帶，由于巖體穩(wěn)定性差，強度較低，刀盤前方圍巖易失穩(wěn)，TBM卡機風險較高。本工程樁號10+705～10+773段受水平地應力擠壓影響，圍巖沿片理面向洞內(nèi)卸荷發(fā)生松弛變形破壞，巖石較破碎，局部片狀剝落，易掉塊，且該段基巖裂隙水較豐富，導致涌水涌泥和圍巖失穩(wěn)風險高。

2.2 軟弱圍巖

膨脹巖作為一種典型的軟弱圍巖，遇水后體積膨脹且容易顆?；篌w積顯著縮小，其工程特性使得膨脹巖在施工擾動下以及地下水的作用下，往往會產(chǎn)生軟巖大變形，若不及時進行支護并進行圍巖加固，常會造成圍巖坍塌、TBM卡機等[11]。受構造作用影響，樁號14+402～14+413處巖石蝕變強烈，原巖中的部分長石礦物蝕變生成大量親水性軟巖礦物，軟巖礦物遇水軟化膨脹，隧洞底部產(chǎn)生膨脹性壓力，最終導致該工程底板產(chǎn)生隆起。

2.3 高地應力巖爆

本工程隧洞埋深大，自重應力高，構造作用顯著，隧洞沿線存在多處高地應力段。Ⅱ類和Ⅲa類圍巖，巖體強度高，完整性好，地下水不發(fā)育，在TBM開挖擾動下易發(fā)生巖爆災害[12]。本工程區(qū)巖爆災害頻發(fā)，通過對巖爆段的統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)輕微巖爆對TBM掘進的影響不明顯，當大量小規(guī)模巖爆長時間的累積時才會對現(xiàn)場施工產(chǎn)生顯著影響。中等及以上巖爆對TBM施工影響較大，嚴重時甚至造成TBM長停機。

2.4 斷層破碎帶

斷層是地殼受力發(fā)生斷裂，沿斷裂面兩側巖塊發(fā)生的顯著相對位移的構造。斷層處圍巖強度和完整性往往較低，導致圍巖整體穩(wěn)定性差。本標段工程地質情況復雜，施工過程中揭露多條斷層。TBM掘進至12+435處，揭露一條斷層，斷層自右側壁腰線以下經(jīng)右側壁延伸至洞頂，斷層影響范圍約60m，其走向與洞軸線夾角小，帶內(nèi)以擠壓碎裂巖為主，隧洞圍巖整體穩(wěn)定性差。

3 不良地質災害處置措施研究

3.1 富水軟弱破碎帶處置措施

3.1.1塌方情況

樁號10+705～10+773段圍巖巖性為黑云母石英片巖，隧洞埋深約125m，該洞段巖石片理發(fā)育，多呈薄片狀，圍巖強度較低。施工工程中該區(qū)域地下水發(fā)育，以股狀流水為主，出水點較多，大多分布在頂部及隧洞兩側，總體水量約100m3/h。隧洞右方巖體出現(xiàn)大規(guī)模塌方，導致形成較大塌腔，塌腔從右側腰線延長到拱頂，塌腔深度約3.5m。左側巖體出現(xiàn)掉塊，如圖1所示。該洞段巖體破碎，圍巖整體性差，受擾動時側壁易發(fā)生坍塌，圍巖等級為Ⅴ級。

圖1 圍巖破碎出現(xiàn)掉塊

3.1.2脫困方案

通過現(xiàn)場施作錨桿打孔推測破碎層厚度在3.5～4m，為便于合理化施工，將該段分為加固段和變形段2部分，分段進行支護。

(1)加固區(qū)施工方案(10+767～10+773)

為防止變形區(qū)影響已施工洞段，對樁號10+767～10+773段采取加固處理，樁號10+767～10+769處加密兩榀HW150型鋼拱架，濕噴C30W10混凝土加固圍巖；拱部180°區(qū)域內(nèi)布設φ25錨桿，布設固結灌漿孔。

(2)變形段施工方案(10+705～10+767)

①自進式錨桿：拱部240°區(qū)域布置φ25錨桿，錨桿與圍巖保持90°，并與拱架焊接穩(wěn)固，確保支護的整體性。

②固結灌漿：拱部270°范圍內(nèi)布設灌漿孔，孔深4m，間排距3m，孔徑42mm，灌漿孔盡量與巖面垂直，漿液采用水泥凈漿，水灰比采用2∶1、1∶1、0.5∶1三個比級，灌漿壓力0.3～0.5MPa；

③樁號10+705～10+711段每兩榀鋼拱架間加密一榀HW150型鋼拱架，拱架之間采用HW125型鋼連接，間距1m。

④侵占襯砌空間的拱架，侵占部分拱架拆除，人工擴挖后，替換拱架。

⑤底板部位澆筑混凝土封閉巖面。待變形段全部處理完畢后，拆除豎向支撐，拆除過程中實時進行收斂監(jiān)測。

(3)TBM脫困施工方案

①超前導管：護盾與刀盤上部施做超前導管，布設范圍為拱部120°，外傾角20°，管體按照25cm間距布設溢漿孔，超前導管施做完成后采用化學灌漿材料進行灌漿，注漿壓力0.5～3MPa，具體壓力根據(jù)現(xiàn)場試驗確定。

②TBM前方施做φ32玻璃纖維錨桿，并進行灌漿，以做好刀盤的防護措施。

③清除護盾上方巖體，確保TBM通過。

3.2 軟弱圍巖大變形處置措施

3.2.1變形情況

樁號14+402～14+413，隧洞埋深431m，巖體呈碎裂～碎塊狀結構。該洞段位于一處斷層處，受斷層構造運動作用下，帶內(nèi)斷裂構造較多，巖石蝕變強烈。原巖中的部分長石礦物蝕變生成大量親水性軟巖礦物，巖石破碎且強度低，該洞段發(fā)育基巖裂隙水。在樁號14+402～14+413處底板隆起，隆起長度11m，樁號14+411處最大隆起高度1.08m。底板隆起原因為高嶺土、蒙脫石遇水后軟化發(fā)生膨脹，洞底圍巖在膨脹性壓力作用下最終導致底板發(fā)生大范圍隆起。

3.2.2脫困方案

根據(jù)現(xiàn)場情況，首先對圍巖變形洞段加強監(jiān)測工作，對變形洞段落按“5點式”進行觀測，分別于隧洞拱頂、撐靴上下各2點進行埋設圍巖觀測點，增加監(jiān)測頻率。然后對該段圍巖采取加固措施，底板處對膨脹性巖層進行混凝土換填處理，在澆筑混凝土前施做防水層，避免膨脹性巖層遇水膨脹。在施工中遵循“先加固、后處理，先釋放、擇時機，多重支護、分步施做”施工的原則進行施工。

(1)拱架處理

①圍巖量測。樁號14+402～14+417段每3m按“5點式”布設1組觀測點，采用全站儀進行觀測收集沉降數(shù)據(jù)，每2h觀測記錄1次，由專人進行數(shù)據(jù)分析，指導現(xiàn)場施工。

②圍巖加固。對掌子面采用長度4.5m、間排距1m、Φ25自進式錨桿加固，錨桿布置如圖2所示。

圖2 自進式錨桿布置圖

③軟弱圍巖鑿除換填。底板及邊墻90°范圍內(nèi)鑿除軟弱圍巖進行混凝土換填，換填深度1m，每次換填段按小樁號至大樁號依次鑿除、分次鑿除段不宜超過2m，待換填段強度滿足施工需要再換填下一段。待換填混凝土終凝后開始鋪設防水布。

④替換變形拱架及拱架加固。替換拱架時新舊拱架間兩側設置加強板，保證滿焊。拱架替換完成后，采用HW125型鋼與兩側拱架連接牢固，環(huán)向間距50cm，然后噴射C30W10混凝土20cm，封閉圍巖。

(2)施工方案

①施做超前注漿錨桿。在護盾尾部樁號14+443處施做φ25自進式錨桿，長度6m，間排距1m，其中錨桿施工過程中，由于現(xiàn)場空間條件限制對部分錨桿長度做了調(diào)整，桿身布設8個溢漿孔，采用化學灌漿材料進行灌漿，注漿壓力0.5～3MPa。

②開挖小導洞。超前加固后，將護盾緊鄰的兩榀拱架割除，樁號14+443護盾邊人工開挖小導洞，小導洞采用HW150型鋼鋼架進行加固，拱架頂部采用HW125型鋼進行焊接。焊接結束及時使用混凝土加固圍巖面。

③利用已開挖的小導洞向兩側進行擴挖，期間若遇堅硬巖石采用小范圍定點爆破。小導洞擴挖至拱頂120°范圍，如圖3所示，采用HW150型鋼鋼架進行加固，拱架頂部采用HW125型鋼進行焊接，焊接結束及時使用混凝土加強圍巖面。

圖3 小導洞擴挖

④超前噴射混凝土。將小導洞封閉后向刀盤上方揭露的圍巖超前噴射C30混凝土，將圍巖封閉，防止進一步塌方卡死護盾。擴挖完成后采用全開挖斷面二次支護噴射混凝土加固實現(xiàn)受力體系轉換，割除豎向支撐。

3.3 高地應力段巖爆災害處置措施

3.3.1現(xiàn)場情況

樁號23+780～23+760段圍巖巖性為變質黑云母花崗巖，完整性較好，發(fā)育零星結構面，圍巖干燥無滲水。該區(qū)域有暗色礦物富集，23+777～23+760里程發(fā)育片麻理結構。該洞段巖爆發(fā)生頻率高，主要表現(xiàn)為即時性巖爆和時滯型巖爆，一般爆坑深度0.22～0.31m，最大可以1m以上，爆坑內(nèi)部片麻理現(xiàn)象明顯，爆落巖石主要呈片狀、塊狀，現(xiàn)場巖爆情況如圖4所示。

圖4 爆坑內(nèi)部塊狀碎片

3.3.2處理方案

通過對TBM掘進時巖爆發(fā)生的特征進行綜合分析，現(xiàn)場采取如下措施進行巖爆防控。

(1)超前地質預報。施工時采用地震波法進行預報。通過對預報結果進行反演解釋，推導出現(xiàn)場圍巖的基本物理力學特性、工程地質條件及水文條件，利用微震法評估巖爆爆發(fā)的可能性與可能發(fā)生的位置規(guī)模等參數(shù)，結合地震波法預報結果綜合判斷后確定巖爆烈度等，提前準備預防措施[13- 14]。

(2)降低掘進速度。現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，巖爆往往發(fā)生在掘進后24h內(nèi)，巖爆段距離相對不長，主要發(fā)生在隧洞上方區(qū)域內(nèi)。巖爆活動強烈時，降低掘進速度一方面能有效縮短巖爆位置至開挖面的距離，所以采取控制每日進尺的措施對減弱巖爆的影響是有一定幫助的；另一方面可以控制設備以及刀盤的震動頻率，可以縮小因為震動對其周圍圍巖的干擾，減小巖爆發(fā)生概率。通過現(xiàn)場TBM掘進試驗，當TBM掘進速度降至日進尺10m以下時，可有效減低巖爆發(fā)生的頻率。

(3)改良圍巖特性。在TBM現(xiàn)場開挖過程中，每隔一段時間向巖面噴灑涼水。通過噴灑冷水可一定程度減弱巖體強度，減小巖體的彈性模量，增強圍巖塑性，削弱了巖爆發(fā)生的必要條件，實現(xiàn)降低巖爆等級的目的。

(4)及時支護。TBM掘進后，立刻進行開挖面的支護，為圍巖提供一定的支撐力。在發(fā)生巖爆時，現(xiàn)場根據(jù)巖爆爆裂程度縮小拱架之間的間距，更換大型號拱架，增加鋼筋排以及隨機錨桿，現(xiàn)場拱架間距由180cm縮小為90cm或者45cm，拱架型號由原來的125型更換為150型，增加錨桿數(shù)量，根據(jù)現(xiàn)場部分圍巖破壞程度適當增加鋼筋排或槽鋼，以達到更好的支護效果。

3.4 斷層破碎帶處置措施

3.4.1塌方情況

樁號12+435～下游處發(fā)育一條斷層，斷層自右側壁腰線以下經(jīng)右側壁延伸至洞頂，產(chǎn)狀為305°NE∠35°，出露長度60m左右，斷層走向和隧洞軸線較為接近，破碎帶寬度約40～60cm。在樁號12+495處隧洞上半洞出現(xiàn)巖石掉塊，形成塌腔，如圖5所示。塌落巖石呈碎塊狀，塊徑多在10～50cm，隧洞環(huán)向塌落范圍160°～240°。因斷層走向與隧洞軸線較為接近，圍能自穩(wěn)能力差。

圖5 現(xiàn)場塌方

3.4.2塌方處理措施

(1)加強一次支護。對軟弱巖體采取補強措施并進一步加強支護，該標段加密拱架間距為40cm，間距1m布置。采用單槽4根鋼筋排進行支護，同時在拱頂塌腔位置分不同長度預埋φ80混凝土回填管及排氣管，第一種空腔回填管長度1m，用于分層回填混凝土，使拱架上形成拱殼；第二種回填混凝土預留管與排氣管長度根據(jù)現(xiàn)場實際深度埋設，用于回填輕型材料。拱架架設完成后對拱頂270°范圍進行噴射C30混凝土封閉，確保初期支護穩(wěn)定。

(2)空腔回填。向空腔體回填C30混凝土，如圖6所示?？刂埔淮位靥畈怀^高度50cm，回填高度為1m，確?？涨粡氐滋顚?，一定程度上降低了拱架上的應力，為工人提供安全的工作環(huán)境。

圖6 噴射C30混凝土

(3)空腔處理之后，對拱頂150°區(qū)域內(nèi)鉆孔進行固結灌漿，加固軟弱巖體，鉆孔深度保持5～7m，每排之間的間距不高于1.5m，直徑φ42mm，分兩步完成，灌入強度等級42.5水泥，注漿壓力0.2～0.4MPa。

(4)施做錨桿?？涨换靥钔瓿珊髮绊?50°范圍內(nèi)施做φ25自進式中空錨桿，長6m，間排距1m，錨桿應盡量垂直于巖面。

4 結論

TBM施工隧洞穿越不良地質導致的施工災害是影響TBM掘進效率的重要因素。本文依托新疆某引水隧洞工程，針對TBM穿越多種不良地質，系統(tǒng)闡述了施工處置方案，可總結如下：

(1)TBM掘進至不良地質前，要加強超前地質預報工作，采用多種預報方法綜合分析隧洞的區(qū)域地質情況，做好預案措施。

(2)現(xiàn)場可采用復合灌漿、鋼拱架支護、系統(tǒng)錨桿、換填混凝土、空腔回填等措施靈活組合，增強圍巖整體性，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況調(diào)整支護等級以及TBM掘進參數(shù)，保證TBM順利通過不良地質段。

(3)對于TBM卡機事故，可采用施作超前注漿錨桿以及超前注漿的方法加固圍巖，或采用擴挖小導洞方式，有效實現(xiàn)TBM脫困。