城市深埋隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報體系及應(yīng)用

葉焰中 高健 羅來輝 孫云志 胡坤生 馮建偉

摘要：針對城市深埋隧洞TBM施工的特點，分析了施工中超前地質(zhì)預(yù)報環(huán)境、各預(yù)報方法的適應(yīng)性，研究提出了以地質(zhì)分析為核心，物探為主，長短預(yù)報距離相結(jié)合、定性定量相結(jié)合、多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互應(yīng)證的綜合預(yù)報體系。將該體系應(yīng)用于深圳羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，為該工程的超前地質(zhì)預(yù)報提供了有力的技術(shù)支撐。研究成果可供粵港澳大灣區(qū)類似的城市TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報參考。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； TBM施工； 超前地質(zhì)預(yù)報； 羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程； 粵港澳大灣區(qū)

中圖法分類號： TV53

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.012

0引 言

許多城市因建筑密集，加上地鐵和綜合體開發(fā)，淺層地下空間利用難度和成本都越來越大［1］，因而逐步尋求利用深層地下空間，如建設(shè)各類深埋隧洞工程。城市淺埋隧洞一般采用礦山法、盾構(gòu)法及頂管法等施工方法，而深埋隧洞由于大多位于硬質(zhì)巖層中，常常采用TBM法施工。

城市人口密集，高樓林立，地面與地下建筑物眾多，各類管線密布，深埋隧洞施工安全風險大。TBM施工雖具掘進速度快等優(yōu)點，但地質(zhì)適應(yīng)性差，國內(nèi)外已發(fā)生多例事故，如引紅濟石工程存在突水涌泥、軟巖大變形，致卡機66次，TBM停機長達3 a；廣深鐵路客運專線獅子洋隧道大規(guī)模塌方，造成人員傷亡，嚴重影響施工進度。采用超前地質(zhì)預(yù)報可避免或減少該類事故的有效手段，已成為大家的普遍認識。

當前國內(nèi)外在鉆爆法開挖的隧道（洞）中超前地質(zhì)預(yù)報的理論技術(shù)研究與工程應(yīng)用方面已經(jīng)取得了重要進展和良好的效果，但由于TBM施工隧洞環(huán)境具有特殊性和復雜性，其超前地質(zhì)預(yù)報的研究與應(yīng)用還進展緩慢，仍然是國內(nèi)外公認的難題［2］。近年來，國內(nèi)各行業(yè)發(fā)布了一批超前地質(zhì)預(yù)報規(guī)范，如T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》、DL/T 5783-2019《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)規(guī)程》及GB 50487-2008《水電水利地下工程地質(zhì)超前預(yù)報技術(shù)規(guī)程》，這些規(guī)范多為鉆爆法超前地質(zhì)預(yù)報的技術(shù)要求，國內(nèi)未見針對TBM施工的超前地質(zhì)預(yù)報規(guī)程規(guī)范。面對日益增多的城市深埋隧道（洞）工程，本文研究提出一套適于城市深埋隧洞TBM施工的超前地質(zhì)預(yù)報體系，以為該類工程的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)作有益探索。

1城市深埋隧洞及其TBM施工特點

本文研究的城市深埋隧洞（道）一般指分布于城區(qū)埋深大的鐵路隧道、公路隧道及引（排）水隧洞等，區(qū)別于山嶺深埋長隧洞（道），也不同于埋藏較淺的城市軌道交通、市政隧道，主要有以下特點。

（1） 埋深大。GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定：深埋隧洞一般埋深大于600 m，市政排水工程深隧埋深一般30～60 m。本文城市深埋隧洞一般指埋深大于50 m的隧洞。

（2） 地表敏感建筑物多。采用深埋隧洞的城市地面及地下淺層建設(shè)空間極其有限，一般各類建（構(gòu)）筑物數(shù)量及類型分布眾多，高樓林立，地下管線（道）密布。如各類房屋，地鐵、高鐵、公路等交叉建筑物，通信、電力、燃氣、供（排）水管線等。此外還可能涉及對環(huán)境要求高的生態(tài)環(huán)境區(qū)、地表水體等。

（3） 地質(zhì)條件復雜。隧洞埋深大，大多位于基巖內(nèi)，可能涉及斷層破碎帶、富水體、軟弱巖層、深風化槽、不整合接觸帶、蝕變巖體、高地應(yīng)力及有毒有害氣體等不良地質(zhì)。

（4） 施工安全風險大。受不良地質(zhì)影響，深埋隧洞可能遭遇突泥涌水、巖爆、塌方、卡機、埋機等重大災(zāi)害，還可能引起地面沉陷等次生災(zāi)害。不但可能造成施工人員傷亡，設(shè)備受損，影響工程施工進度；還可能使地面及淺層建（構(gòu)）筑物變形、損毀，影響其正常安全使用功能，如房屋倒塌、道路（橋梁）中斷、管線破裂，影響城市交通、信息、生產(chǎn)及生活，甚至人員傷亡。近年來國內(nèi)城市地鐵施工已出現(xiàn)過多起安全事故。

城市深埋隧洞大多位于硬質(zhì)巖層中，一般多采用TBM施工方法。TBM施工的優(yōu)劣對比如表1所列。

2TBM超前地質(zhì)預(yù)報體系

城市深埋隧洞TBM施工風險大，超前地質(zhì)預(yù)報可預(yù)報掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇掘進方式、支護設(shè)計參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、塌方、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害及時提供信息，以便采取相應(yīng)施工預(yù)案，保證施工安全。

相對于傳統(tǒng)的隧道鉆爆法施工，TBM掘進對地質(zhì)條件和巖石力學參數(shù)的依賴性較強，掘進面前方地質(zhì)條件的準確及時獲知對于TBM安全高效掘進至關(guān)重要。為保障TBM施工安全，超前地質(zhì)預(yù)報工作將發(fā)揮不可替代的作用。

2.1TBM施工環(huán)境特征

TBM施工環(huán)境具有“封閉性、空間小、干擾大，時間短”的特征（圖1）。① TBM依靠刀盤切削巖體向前推進，掌子面被刀盤擋住，無法直接觀察掌子面地質(zhì)情況，雙護盾TBM四周還有護盾、管片保護，基本在一個封閉的空間作業(yè)；② TBM體積龐大，占據(jù)了工作面后方大部分隧洞空間，導致可用于超前地質(zhì)預(yù)報的空間十分狹??；③ TBM具有復雜的電工系統(tǒng)與金屬結(jié)構(gòu)，電磁干擾十分嚴重；④ TBM掘進速度快，工序銜接緊密，進行超前地質(zhì)預(yù)報的時間短。

2.2隧洞圍巖物性參數(shù)特征

影響TBM施工的因素眾多，其中隧洞圍巖物性參數(shù)是重要的地質(zhì)因素。隧洞圍巖物性參數(shù)主要有巖石的單軸抗壓強度Rc、磨蝕值CAI、巖體的完整性系數(shù)KV、破碎帶寬度L、滲透系數(shù)K、單位涌水量q、最大地應(yīng)力σm等。

（1） 巖石單軸抗壓強度Rc大小直接影響TBM掘進速度。一般而言，Rc在40～75 MPa時，TBM施工效率高，大于150 MPa與小于15 MPa時不利于TBM施工。

（2） 磨蝕值CAI是是反映刀具磨損及掘進速度的重要參數(shù)。指數(shù)越高，機械磨損越嚴重，停機換刀次數(shù)與時間越多，影響掘進速度。根據(jù)大量工程實例，TBM在低—中等耐磨性圍巖中掘進速度較快。

（3） 巖體的完整性系數(shù)KV是影響TBM掘進效率的重要地質(zhì)因素。一般情況，巖體完整性高時，TBM掘進慢，反之則速度快，但完整性太低，如呈碎裂或散體狀時，圍巖不能自穩(wěn)。根據(jù)工程經(jīng)驗，0.45≤KV≤075時，TBM掘時效率最高。

（4） 破碎帶寬度L對TBM施工影響較大。L＜5 m，TBM可采用調(diào)速等措施直接通過；10 m＜L＜30 m，需對破碎帶采取處理措施；L＞30 m時，則需開挖支洞處理。

（5） 圍巖滲透系數(shù)K＞10-2 cm/s時，易產(chǎn)生涌水突泥，不利于TBM施工；隨著滲透系數(shù)的減小，TBM施工條件越好。

（6） 單位涌水量q越大，隧洞遇到突涌水風險越高，TBM適應(yīng)性越差。

（7） 最大地應(yīng)力σm也對隧洞施工存在較大影響，對于深埋軟弱地層，高地應(yīng)力往往導致隧洞圍巖產(chǎn)生大變形與巖爆，是危及施工安全的主導因素。

2.3綜合超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)方案

隧道施工中會揭露不同類型的不良地質(zhì)體，如斷層破碎帶、含水構(gòu)造等，每種不良地質(zhì)體的地質(zhì)屬性和地球物理響應(yīng)有很大差異，預(yù)報重點也有所不同。因此針對不同類型的不良地質(zhì)體探測所采用的超前地質(zhì)預(yù)報方案不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)屬性與地球物理響應(yīng)，制定差異化且有針對性的綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案，實現(xiàn)多種超前地質(zhì)預(yù)報方法的優(yōu)化組合，為實際工程中綜合超前預(yù)報工作的實施提供決策依據(jù)。

每一種超前預(yù)報方法都有其適用條件和優(yōu)缺點，針對不同類型的不良地質(zhì)情況，應(yīng)該選擇合適的超前地質(zhì)預(yù)報方法。隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報方法有3類，即地質(zhì)分析預(yù)報法、物探探測預(yù)報法、超前鉆探法。此外，對于城市深埋隧洞（道），地表及淺部分布有許多敏感建（構(gòu)）筑物，將洞內(nèi)地質(zhì)觀測與洞外監(jiān)測（以下簡稱內(nèi)觀及監(jiān)測）納入超前地質(zhì)預(yù)報對預(yù)防地面塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害具重要意義。

TBM施工隧洞環(huán)境對許多常規(guī)預(yù)報方法具較大影響，甚至無法實施。經(jīng)分析比較及總結(jié)工程經(jīng)驗，適于TBM施工隧洞環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報方法主要有地質(zhì)分析法、地震波法、電法、超前鉆探法、內(nèi)觀及監(jiān)測等，其中地震波法中TGS、TRT、HSP法及電法中激發(fā)極化法效果相對較好，應(yīng)用較廣。根據(jù)TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報方法的選擇原則，結(jié)合城市隧洞的特點，研究形成了多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互印證的城市深埋隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案（表2）。

2.4TBM超前地質(zhì)預(yù)報實施原則

根據(jù)TBM超前地質(zhì)預(yù)報“精細化、定量化、綜合化”的發(fā)展方向，融合地質(zhì)、物探、施工、監(jiān)測等多學科知識，參照類似工程經(jīng)驗，擬定以下城市隧洞TBM超前地質(zhì)預(yù)報實施原則：

（1） 重視TBM施工環(huán)境。TBM施工環(huán)境復雜，必須重視施工環(huán)境對預(yù)報工作實施及預(yù)報成果精度的影響。

（2） 加強內(nèi)觀與監(jiān)測。相對山嶺隧洞，城市隧洞施工風險高，應(yīng)加強洞內(nèi)涌水量、地溫、有毒有害氣體的觀測及地表敏感部位與建筑物的沉降、地下與地表水水位的監(jiān)測，保證施工及地表建筑物的安全。

（3） 以地質(zhì)分析為核心，以物探為主。將地質(zhì)分析貫穿整個預(yù)報工作全過程。在預(yù)報過程中，要充分利用物探手段獲取掌子面前方不良地質(zhì)體等信息。

（4） 長短預(yù)報距離相結(jié)合。采用地質(zhì)分析方法時，利用已有與施工時獲取的資料進行宏觀分析預(yù)測，再進行進行長距離預(yù)測，最后采用激發(fā)極化法、超前鉆探法及內(nèi)觀與監(jiān)測進行中、短距離補充。

（5） 定性與定量相結(jié)合。地質(zhì)分析法與超前鉆探主要對地層、不良地質(zhì)體等作定性判斷，物探預(yù)報方法與監(jiān)測成果多提供定量分析，在預(yù)報實施時需相互結(jié)合，相互印證。

（6） 多種物性參數(shù)互補。充分利用勘察成果中巖體力學參數(shù)，物探方法、監(jiān)測所獲取的物性參數(shù)進行綜合分析，相互印證，相互補充。

3工程應(yīng)用

3.1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內(nèi)兩個配套項目之一，工程位于深圳市西部城區(qū)，由1條輸水干線隧洞與6條支線隧洞組成。干線隧洞長約21.7 km，隧洞內(nèi)徑5.2 m，主要采用TBM法施工；支線隧洞采用鉆爆、頂管及明挖法施工。

該工程沿線分布變質(zhì)巖、沉積巖及侵入巖三大類，涉及震旦系、奧陶系、三疊系、侏羅系等7大地層，巖性復雜，軟硬不一；隧洞穿越6條較大規(guī)模斷裂；隧洞下穿茅洲河、松崗河、阿婆髻水庫等多處水體；存在斷層破碎帶、風化深槽、軟弱圍巖等9類不良地質(zhì)體，地質(zhì)條件復雜。隧洞TBM施工存在風化深槽引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，斷裂引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，軟弱圍巖變形問題，下穿地表水體段圍巖突水（泥）問題，有毒有害氣體問題及高地溫與熱害問題。

3.2TBM超前地質(zhì)預(yù)報實施方案

根據(jù)場地影響TBM施工的巖性、構(gòu)造、隧洞圍巖參數(shù)、圍巖級別及不良地質(zhì)體性質(zhì)等，分析研究形成了羅田水庫—鐵崗水庫干線輸水隧洞TBM施工超前地預(yù)報分段實施方案（表3）。

4結(jié) 語

本文針對城市深埋隧洞，結(jié)合TBM施工特點，從TBM施工環(huán)境特征入手，分析了隧洞圍巖物性參數(shù)特征，根據(jù)不良地質(zhì)體的地質(zhì)屬性和地球物理響應(yīng)，選擇了適于TBM施工環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報方法，并強調(diào)了“內(nèi)觀與監(jiān)測法”對城市隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報的重要意義。經(jīng)分析對比及總結(jié)工程經(jīng)驗，形成了多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互應(yīng)證的城市隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報方案。同時提出了重視TBM施工環(huán)境，加強內(nèi)觀與監(jiān)測，以地質(zhì)分析為核心。以物探為主，長短預(yù)報距離相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合，多種物性參數(shù)互補的實施原則，構(gòu)成了城市深埋隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報體系。該體系已成功應(yīng)用于深圳羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，為該工程的超前地質(zhì)預(yù)報提供了有力的技術(shù)支撐，可供粵港澳大灣區(qū)類似工程的TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報參考。

參考文獻：

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［2］高健，徐磊，彭揚平，等.深埋長隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報與綜合信息管理關(guān)鍵技術(shù)研究報告［R］.武漢：長江勘測規(guī)劃設(shè)計有限責任公司，2021.

［3］揣連成.TBM施工中綜合地質(zhì)預(yù)報技術(shù)及施工對策研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

（編輯：黃文晉）