秦嶺輸水隧洞嶺南TBM段巖爆成災(zāi)與施工關(guān)系研究

石偉龍，李浩南，張文新，向義雄

（1.中鐵隧道集團(tuán)機(jī)電工程有限公司，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著我國地下工程日益增多，巖爆現(xiàn)象日漸顯露，巖爆事故時有發(fā)生。國內(nèi)外隧道與地下工程科研人員主要側(cè)重施工中遇到的軟弱圍巖和地質(zhì)構(gòu)造破碎帶等地質(zhì)災(zāi)害引起的工程地質(zhì)問題研究。文獻(xiàn)[1]對新疆某引水隧洞施工中經(jīng)常出現(xiàn)的輕微巖爆～中等巖爆進(jìn)行分析，分析了不同巖爆特征，提出了不同巖爆支護(hù)措施，成功解決了該段巖爆段施工難題。文獻(xiàn)[2]～[3]總結(jié)了錦屏二級水電站2#引水隧洞典型洞段的巖爆在時間、空間、烈度及形態(tài)方面的特征，提出了巖爆條件下支護(hù)設(shè)計的整體指導(dǎo)思想，給出了不同等級巖爆的支護(hù)參數(shù)，保證了后期開挖和支護(hù)的施工安全和施工進(jìn)度。文獻(xiàn)[4]結(jié)合引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM 施工對巖爆處理措施的總結(jié)，希望能為類似工程施工提供參考；文獻(xiàn)[5]引漢濟(jì)渭深埋超長引水隧洞應(yīng)注意的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[6]對引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞越嶺段嶺南TBM 施工段（K27+643.006K46+360.000）18.717km 地段圍巖巖爆機(jī)理進(jìn)行分析、研究，提出TBM 法施工通過巖爆地段的施工預(yù)防措施。

綜合以上，TBM 法在我國應(yīng)用中，對深埋隧洞工程的巖爆成災(zāi)與隧洞施工關(guān)系的研究很少，本文依托秦嶺輸水隧道嶺南TBM 標(biāo)段開展深埋隧洞工程的巖爆成災(zāi)與隧洞施工關(guān)系的研究。

1 工程概況

秦嶺輸水隧道嶺南TBM 標(biāo)段位于陜西省寧陜縣四畝地鎮(zhèn)境內(nèi)，全長15.516km（里程K28+085～K43+601）。為解決TBM 長距離出渣和通風(fēng)問題，標(biāo)段中間設(shè)一座4 號支洞。3 號支洞口位于四畝地鎮(zhèn)五根樹村，蒲河流域右岸山根，4號支洞口位于四畝地鎮(zhèn)麻房子村，蒲河支流麻河右岸。

施工所用敞開式TBM（MB266-395）為美國ROBBINS 設(shè)計制造，開挖直徑為?8 050mm（新刀）／?8 020mm（刀具磨損到極限），TBM整機(jī)長度317m，整機(jī)重量約為1 400t。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏。高程范圍1 050～2 420m，洞室最大埋深2 012m。工程主要將穿越石英巖、花崗巖及閃長巖，石英巖呈灰白色，主要礦物質(zhì)為石英、長石等，細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)。巖石石英含量高（石英巖最高達(dá)97%、花崗巖最高達(dá)30%、閃長巖最高達(dá)18%），巖石強(qiáng)度高（花崗巖最高達(dá)242MPa），對施工進(jìn)度影響大。其主要工程地質(zhì)特征見表1。

表1 秦嶺隧洞嶺南TBM施工段主要巖性特征表

通過地質(zhì)勘探水壓致裂測試及印模定向測試，最大水平主應(yīng)力值為16.1～23.7MPa，最小水平主應(yīng)力值為10.1～15.4MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹30°～46°W（與隧洞軸線夾角為65°～81°），優(yōu)勢作用方向?yàn)楸蔽飨颉?/p>

2 隧洞巖爆類型分析

TBM 施工中，影響施工生產(chǎn)和制約掘進(jìn)進(jìn)度的巖爆段共計1 030 段，累計6 644m，導(dǎo)致的TBM 停機(jī)檢修、處理危害1 520 次。巖爆形成塌腔環(huán)向最大16.5m，縱向最大25.0m，深度最大10.6m，爆落巖石多為層狀、塊狀、大塊狀。除掌子面、護(hù)盾區(qū)域無法統(tǒng)計外，拱部滯后性強(qiáng)烈、極強(qiáng)巖爆共計發(fā)生60 次，隧洞底板滯后性巖爆16 次，造成全圓型鋼拱架支護(hù)體系變形嚴(yán)重。從掘進(jìn)段巖爆發(fā)生情況來看，巖爆發(fā)生主要出現(xiàn)在干燥無水地段。主要類型如下。

2.1 表面崩落型巖爆

表面崩落型巖爆主要發(fā)生在圍巖強(qiáng)度高、完整性較好、節(jié)理較發(fā)育～不發(fā)育、干燥無水段。其發(fā)生時間具有不確定性，個別時候在露出護(hù)盾之前就已經(jīng)發(fā)生，來不及支護(hù)，也可能是出露護(hù)盾時較為完整，滯后一段時間后才開始顯現(xiàn)，影響施工安全，其影響深度一般在20cm 左右，且伴有爆裂聲響。

2.2 應(yīng)變型巖爆

應(yīng)變型巖爆多發(fā)生在巖體節(jié)理較發(fā)育、巖體較完整～完整段，節(jié)理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無充填，巖面呈干燥無水。表現(xiàn)為無任何征兆發(fā)生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節(jié)理薄弱點(diǎn)（一般為節(jié)理面）開始巖爆，巖塊應(yīng)聲掉落，隨后伴隨聲響以片狀、塊狀剝落為主，一次性巖爆掉塊體積較大，持續(xù)時間較長，最后形成較大塌腔；隧洞底部由于應(yīng)力擠壓造成底部隆起等現(xiàn)象。

3 隧洞巖爆與設(shè)備損壞分析與優(yōu)化改進(jìn)

3.1 主機(jī)系統(tǒng)損壞與優(yōu)化改進(jìn)

3.1.1 主機(jī)系統(tǒng)損壞情況

高頻強(qiáng)巖爆特殊地質(zhì)下敞開式TBM 施工，易造成主機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)巖爆大石塊砸壞拱架安裝器、砸壞錨桿鉆機(jī)、砸壞液壓油管、砸壞電氣元件等情況，經(jīng)統(tǒng)計，TBM 第一掘進(jìn)段砸壞拱架安裝器進(jìn)行修復(fù)處理63 次，用時6.8d；砸壞錨桿鉆機(jī)進(jìn)行修復(fù)處理144 次，用時10.6d；砸壞液壓油管進(jìn)行修復(fù)處理152 次，用時8.5d；砸壞電氣元件進(jìn)行修復(fù)處理248 次，用時10.0d；合計處理35.9d。高頻高強(qiáng)巖爆造成的額外工序時間，降低了TBM 設(shè)備利用率，制約了施工生產(chǎn)進(jìn)度。

3.1.2 主機(jī)系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)

1）拱架安裝器優(yōu)化改進(jìn)措施 ①整體結(jié)構(gòu)件的防護(hù)與加固：在易損壞的設(shè)備區(qū)域添加防護(hù)罩，減少落石對設(shè)備的沖擊損傷；增強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對安裝環(huán)液壓驅(qū)動裝置安裝座加固；6 組頂撐裝置導(dǎo)向柱，導(dǎo)向套外部使用鋼板包裹，減輕本體的磨損；②液壓管路、電氣線路改進(jìn)防護(hù)：對設(shè)備裸漏的液壓管路，采用分段連接，減少長距離更換破損管路，并使用螺旋保護(hù)套纏繞油管，對于電氣控制線路盡量走線至主梁下部，減少線路的磨損及外物損傷；③液壓驅(qū)動馬達(dá)及油缸增添保護(hù)裝置：為降低液壓馬達(dá)及油缸長時間超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致元器件的損壞率，在各部位液壓系統(tǒng)增添安全溢流閥，以保證元器件內(nèi)部穩(wěn)定的工作壓力，降低液壓設(shè)備的故障率。

2）鉆機(jī)改進(jìn)措施 ①鉆機(jī)操作臺及油箱整體防護(hù)：對操作臺上部焊接防護(hù)棚作業(yè)，且對鉆機(jī)油箱進(jìn)行焊接防護(hù)棚作業(yè)；②鉆機(jī)底部行走機(jī)構(gòu)的改進(jìn)：拆除底部弧形齒道，將原有的輪箱式行走機(jī)構(gòu)改進(jìn)為內(nèi)外單獨(dú)行走，兩側(cè)獨(dú)立支護(hù)，發(fā)生巖爆的一側(cè)可以單獨(dú)前后行走停放至未發(fā)生巖爆部位，保證設(shè)備安全性；③鉆機(jī)爬行小車防偏裝置：在原易偏心的位置增添多組防偏輪對，使錨桿鉆機(jī)爬行齒輪于弧形軌道的齒道處于緊嚙合狀態(tài)，減少齒輪及齒道的磨損；④鉆機(jī)系統(tǒng)各參數(shù)調(diào)整：根據(jù)實(shí)際地質(zhì)的變化情況，及時調(diào)整鉆機(jī)系統(tǒng)的沖擊、旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給壓力保持鉆機(jī)不超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)；⑤鉆機(jī)小車驅(qū)動裝置添加防護(hù)措施：在原固定方式的基礎(chǔ)上，在剎車下部添加支撐架，即便連接螺栓斷裂也能起到制動作用，避免鉆機(jī)小車的整體滑落，此外在整套驅(qū)動的上部焊接防護(hù)罩，減少巖爆落石的直接砸損，降低設(shè)備的故障及損壞率；⑥鉆機(jī)弧形齒道的改進(jìn)：用高性能耐磨鋼材制作弧形齒道，提高其強(qiáng)度；將磨損嚴(yán)重和跳齒嚴(yán)重段的齒道割除，將其打磨至與弧形面平整，兩側(cè)各打出焊接坡口；將新制作的齒道定位焊接，保證新舊齒道接觸點(diǎn)過渡順暢。

3.2 皮帶系統(tǒng)損壞與優(yōu)化改進(jìn)

3.2.1 皮帶損壞

受高頻強(qiáng)巖爆影響，TBM 掘進(jìn)段被迫停機(jī)對劃穿的TBM 皮帶、砸壞輸送連續(xù)帶進(jìn)行修復(fù)共計411 次，用 時120.3d；停機(jī)清理堵塞渣斗的大石塊4919 次，用時52.7d。輸送帶劃破、堵渣清理等工序的增加，降低TBM 設(shè)備利用率，制約施工進(jìn)度。

3.2.2 皮帶系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)

1）選取適宜掘進(jìn)參數(shù) TBM 在巖爆洞段掘進(jìn)時，為有效破碎掌子面的巖石，減少進(jìn)入皮帶機(jī)的大石塊數(shù)量，掘進(jìn)時必須合理選擇掘進(jìn)參數(shù)。確定強(qiáng)烈及以上巖爆洞段宜采用低轉(zhuǎn)速（2～3r／min）、低推力（100～180bar）、低貫入度、高扭矩（1 200～2 000kNm）的掘進(jìn)參數(shù)。

2）改進(jìn)修補(bǔ)工藝 為達(dá)到強(qiáng)度不降低且快速修補(bǔ)輸送帶，經(jīng)過多次新材料、新設(shè)備的試用，最終選用點(diǎn)式修補(bǔ)機(jī)對受損的輸送帶進(jìn)行熱硫化修復(fù)。該修復(fù)方式修補(bǔ)周期短，占用空間小，且修補(bǔ)后強(qiáng)度與原輸送帶相差不大。

3）優(yōu)化改造結(jié)構(gòu)設(shè)計 連續(xù)皮帶：在下渣斗后部焊接安裝儲渣盒和在下渣斗內(nèi)焊接張貼小塊Trimay 耐磨板，減小轉(zhuǎn)渣沖擊力，提高下渣斗鋼板耐磨性。輸送帶：TBM 皮帶機(jī)輸送帶采用強(qiáng)力高、耐沖擊、成槽性好、層間粘合力大、屈撓性優(yōu)異的尼龍輸送帶。緩沖裝置：主機(jī)皮帶機(jī)緩沖床使用材料為NM600 的耐磨鋼板進(jìn)行修復(fù)，同時將原設(shè)計的單根長托輥改為三組五連托輥，以加大承載力。其他方面：在橋架、轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)下渣斗尾端均下降20cm，以降低轉(zhuǎn)載點(diǎn)的落差；在轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)上方安裝金屬收集器，及時清除皮帶機(jī)上鐵器；將橋架皮帶機(jī)驅(qū)動改為變頻控制，以利于保養(yǎng)人員檢查輸送帶狀況；樁號K33+030 處增設(shè)輔驅(qū)，保證主洞連續(xù)皮帶驅(qū)動滿足使用。

4 強(qiáng)化巖爆支護(hù)施工

為降低巖爆段施工風(fēng)險，確保人員、設(shè)備安全，在巖爆規(guī)模大、頻次高的常態(tài)下，應(yīng)采用鋼拱架+格柵拱架+鋼筋網(wǎng)片等聯(lián)合支護(hù)形式，輔以超前應(yīng)力鉆孔和應(yīng)急噴漿等技術(shù)手段進(jìn)行防治。巖爆加強(qiáng)支護(hù)工藝流程如圖1 所示。

圖1 巖爆工況下TBM施工工藝流程圖

1）超前應(yīng)力釋放 TBM 施工中，通過施作應(yīng)力釋放孔，有效地減輕圍巖的應(yīng)力集中程度并使應(yīng)力集中向圍巖深部進(jìn)行轉(zhuǎn)移，同時使圍巖積聚的彈性應(yīng)變能提前得以耗散；或在超前應(yīng)力釋放孔中灌注高壓水，在圍巖內(nèi)部形成一個低彈區(qū)，使開挖隧洞臨空面的切向應(yīng)力達(dá)到均勻分布的形狀，減少巖爆發(fā)生的可能性。TBM 第一掘進(jìn)段施作超前應(yīng)力釋放孔638m，徑向應(yīng)力釋放孔1 852m。

2）應(yīng)急噴漿 為了實(shí)現(xiàn)圍巖出露護(hù)盾后的快速封閉，有效抑制巖爆規(guī)模不斷擴(kuò)大，加快圍巖出露護(hù)盾后的快速封閉，利用應(yīng)急噴混系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)拱部塌腔70cm 范圍內(nèi)的噴護(hù)，達(dá)到全機(jī)械手對圍巖的及時噴護(hù)，實(shí)現(xiàn)巖爆支護(hù)由剛性向柔性的轉(zhuǎn)變，較大程度上降低人員及設(shè)備安全風(fēng)險，降低剛性支護(hù)材料用量。

3）清理爆渣 嶺南TBM 施工過程中，由于滯后性強(qiáng)巖爆多發(fā)生于拱部120°范圍，且大部分發(fā)生在護(hù)盾上方，隧洞作業(yè)空間狹窄，大型清渣設(shè)備無法使用，采取人工清理。

4）立設(shè)拱架 鋼拱架、格柵拱架、鋼筋網(wǎng)片等剛性支護(hù)手段對巖塊的彈射和塌落具有緩沖消能作用，起到第一道安全防護(hù)的作用，在一定程度上保證人員和設(shè)備的安全。同時改變應(yīng)力作用點(diǎn)，減小巖爆發(fā)生的概率。

5 巖爆施工安全防護(hù)

為盡可能減少巖爆對人員、設(shè)備、工程的危害，全面加強(qiáng)隧洞內(nèi)施工作業(yè)的安全保護(hù)和安全管理條件，促進(jìn)隧洞施工中人員與設(shè)備健康安全，使應(yīng)急救援、避險工作及時、高效、有序開展，最大限度減少巖爆災(zāi)害造成的損失，秦嶺輸水隧洞TBM 施工巖爆洞段采分別采取以下措施進(jìn)行防范。

作業(yè)人員采取L1 區(qū)初期支護(hù)人員、刀盤作業(yè)人員和底部清渣人員分區(qū)避險；人員施行基本防護(hù)、嚴(yán)格執(zhí)行安全手冊和巖爆等待確保安全；掘進(jìn)機(jī)設(shè)備采取了防止設(shè)備砸傷和設(shè)備安全脫困措施。

6 結(jié)論與討論

1）高頻強(qiáng)巖爆TBM 施工中，爆落石塊塊體造成TBM 皮帶損傷、連續(xù)皮帶損傷、渣斗堵塞等皮帶系統(tǒng)損壞，巖爆大石塊砸壞拱架安裝器、鉆機(jī)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣元件等造成主機(jī)系統(tǒng)損壞，對TBM 施工影響極大。

2）制定、實(shí)施一系列技術(shù)改進(jìn)及管理措施后，明顯降低了高頻強(qiáng)巖爆對皮帶系統(tǒng)、主機(jī)系統(tǒng)造成損壞的頻率，但損壞情況不可避免。

3）巖爆頻發(fā)洞段，通過安裝儲渣盒、焊接Trimay 耐磨板等措施可最大限度保護(hù)皮帶系統(tǒng)，降低損傷頻率。

4）面對巖爆規(guī)模大、頻次高的不利工況，“掘進(jìn)不支護(hù)、支護(hù)不掘進(jìn)”應(yīng)成為巖爆洞段安全施工的準(zhǔn)則。

5）TBM 施工的掘進(jìn)參數(shù)的選擇與巖爆的對應(yīng)關(guān)系在今后的施工還需進(jìn)一步深入研究。