引洮工程TBM施工極軟巖隧洞段工程地質(zhì)問題分析與評價

張成儉

(甘肅省水利水電勘測設計研究院 蘭州 730000)

1 引言

國外的實踐證明,在相同的條件下TBM掘進速度約為常規(guī)鉆爆法的3～10倍[1]。

基于此,在一些發(fā)達國家TBM法已經(jīng)廣泛應用于礦山巷道、公路鐵路隧道、水利水電隧洞以及國防地下工程的施工之中,并明確規(guī)定3km以上的隧道必須采用TBM法施工[2,3]。目前我國正在建設和規(guī)劃中的跨流域大型水電工程深埋長隧道中,TBM法施工也在逐漸擴大使用。TBM法施工對地質(zhì)環(huán)境的適應及綜合管理水平要求較高,受到諸如巖石節(jié)理、低圍巖強度、初始裂紋、地下水以及原巖應力等多種因素的綜合影響。圍巖大變形造成刀盤被卡,TBM施工停滯,突水涌泥、涌砂及塌方冒頂?shù)鹊刭|(zhì)災害,導致TBM掘進效率低,對TBM施工和隧洞安全形成威脅[4]。

本文根據(jù)引洮供水工程7#引水隧洞極軟巖段TBM施工的具體工程實踐,探討了TBM施工隧洞,查明不良地質(zhì)地段分布、分析影響TBM施工進度,易造成掘進機被困主要地質(zhì)因素的重要性。

2 工程概況及地質(zhì)環(huán)境

2.1 工程概況

引洮供水工程是重點解決甘肅省中部地區(qū)干旱缺水問題,改變該地區(qū)貧窮落后面貌和生態(tài)環(huán)境惡化狀況的大型跨流域調(diào)水工程,設計引水流量32m3/s,加大流量 36m3/s,引水總干渠長110.48km,其中隧洞18座、長92.97km,占總干渠長的84.2%。

引洮供水一期工程總干渠7#隧洞位于甘肅省渭源縣境內(nèi),隧洞穿越東峪溝-秦祁河之間的低中山區(qū),全長17.3km(樁號46+715～64+001),最大埋深368m,圓形斷面,設計開挖洞徑5.75m(凈直徑4.96m)。隧洞屬軟巖、極軟巖長隧洞,地質(zhì)環(huán)境復雜,施工難度大,是引洮供水一期工程控制性工程之一,采用一臺單護盾TBM自出口向進口掘進,預制六邊形管片襯砌。表1為7#引水隧洞工程施工計劃安排情況。

2.2 地質(zhì)環(huán)境

7#隧洞地處薄層黃土覆蓋的基巖低中山區(qū),新寨梁地勢最高,海拔2475m,該梁北西-南東向延伸10余公里,兩側支溝屬季節(jié)性河流。隧洞區(qū)位于渭源中新生代盆地,沉積了巨厚層的山麓、河湖相碎屑巖,以白堊系和上第三系地層為主。隧洞進口段3.6km洞身巖性為白堊系砂巖、泥質(zhì)頁巖夾泥質(zhì)粉砂巖,單斜狀巖層;其余13.6km圍巖由上第三系臨夏組 (N2L)紅色碎屑巖構成,主要巖性包括泥質(zhì)粉砂巖、砂質(zhì)泥巖、細砂巖、粉細砂巖、砂礫巖、含礫砂巖等。隧洞所處地段受地質(zhì)構造影響輕微,斷裂不發(fā)育,僅分布舒緩褶皺。顆粒稍粗的碎屑巖中賦存層狀孔隙～裂隙水,水量較小,具承壓性。

表1 7#引水隧洞工程施工分段概況

3 隧洞圍巖工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征

3.1 強度特征

隧洞上第三系臨夏組(N2L),按巖性、工程地質(zhì)特性劃分為3個工程地質(zhì)巖組:①細砂巖組(由于結構疏松,也俗稱疏松砂巖);②粉細砂巖組;③粉砂巖、砂質(zhì)泥巖組。

對3個巖組分類進行了十余組巖石顆粒分析、物理力學試驗,其干密度為2.0～2.1 g/cm3,孔隙率20%～24%,飽和單軸抗壓強度多小于2.5MPa,小值平均值多小于 1MPa,變形模量 470～1000MPa。

此類巖石力學指標的水敏性很強。含水量越高,其力學強度特征值越低,天然或干燥狀態(tài)下具有較高的強度和承載力,但當含水率增加時,各特征值衰減很快。含水率與抗壓強度呈半對數(shù)負相關(圖1)。由于水理性質(zhì)差,遇水極易崩解泥化,在干濕交替條件下結構遭到破壞,很快剝落崩解(表2)。

圖1 泥質(zhì)粉砂巖抗壓強度與含水率變化曲線

表2 各巖性崩解試驗成果表

通過試驗數(shù)據(jù)分析認為:此類巖石成巖作用差,巖性軟弱,強度極低,屬極軟巖(飽和抗壓強度Rb＜5MPa)。遇水易軟化泥化、崩解,具承載力低,易產(chǎn)生塑性變形的特征。

巖性不均一,造成各巖組間力學性質(zhì)差異,但均具有極軟巖力學特性,巖體強度主要受含水量控制,圍巖穩(wěn)定性受巖體強度控制,變形破壞形式主要表現(xiàn)為塑性變形下的剪切破壞。

3.2 巖體結構特征

隧洞巖體主要結構面為原生結構面(巖層面),少量為裂隙面,巖體完整性較好,完整性系數(shù)0.60～0.80。

按巖性組及其巖層結構特征,上述巖體劃分以下幾種結構類型(表3)。

表3 圍巖巖體結構劃分

表4 巖體透水性試驗成果表

3.3 巖體透水性

表4為經(jīng)鉆孔壓水、注水、提水測試巖體透水性試驗資料,試驗結果顯示隧洞各巖性組透水性相差較大;其透水性與巖石孔隙率、各粒徑含量關系密切;細砂巖(疏松砂巖)透水性較強,粉細砂巖次之,泥質(zhì)粉砂巖最弱。按巖土體滲透性分級,劃分為弱透水、弱～微透水、微～極微透水3級。

3.4 圍巖地下水分布與狀態(tài)

據(jù)先行施工的7#隧洞閻家溝豎井人工開挖揭示(當時TBM設備尚未到場),隧洞疏松砂巖段地下水位較高,稍具承壓性,井壁有滲水～局部線狀流水(井斷面直徑4.4m,含水層厚約15m,經(jīng)量測最大涌水量達1m3/h),施工過程中有流砂、坍塌等現(xiàn)象,經(jīng)過施工單位積極慎重處理,豎井如期完成。

人工開挖中遇到的困難,讓施工單位重點關注TBM設備對該組地層的適應性。

為此在初步設計基礎上,結合TBM掘進機施工特點,通過補充勘察進一步細化了疏松砂巖含水層的分段樁號、地下水位及水化學成分、估算圍巖中地下水涌水量、預測圍巖掘進時突水(突泥)的可能性,分析TBM掘進機在含水疏松砂巖段地層中存在的施工困難、安全隱患等問題,為后續(xù)要進場的TBM順利施工提供前期地質(zhì)指導與預報。

補充勘察資料揭示,隧洞圍巖地下水屬層狀孔隙—裂隙水,地下水受含水巖層的巖性控制。含水層巖性以細砂巖、砂礫巖、粗砂巖為主,泥質(zhì)粉砂巖,砂質(zhì)泥巖構成隔水層。

隔水層與含水層呈互層狀分布,構成隧洞地下水具多層承壓性結構。據(jù)鉆孔勘探資料,隧洞設計高程以上分布有2～3層承壓水,含水層厚者20～30m,薄者僅數(shù)米,底層水位一般高于上層水位,承壓水頭最高達110m(高出隧洞頂板)。經(jīng)鉆孔連續(xù)提水試驗,孔內(nèi)各層地下水均可以疏干,單個含水層最大涌水量0.62L/m·min。

受區(qū)內(nèi)氣候干旱,降雨稀少,地形破碎,溝谷發(fā)育等因素,地下水含水層延展性、連同性較差,圍巖地下水補給能力有限,富水性不強,水量一般不大。采用水平巷道地下水動力學法和隧道單位長度最大用水量估算:10m洞段涌水量小于25L/10m·min。

由此推斷,地下水位以下的細砂巖(疏松砂巖),在地質(zhì)歷史期已達到飽和,但由于巖體裂隙不發(fā)育,隧洞開挖后,圍巖中的孔隙水在重力作用下,向臨空面滲出,需要較長時間,圍巖及掌子面會表現(xiàn)為以滴滲水為主,局部為線狀流水。

4 TBM掘進機施工中可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題

近20多年來,TBM施工在國內(nèi)被逐步推廣應用,有許多成功的經(jīng)驗。如甘肅引大入秦30A隧洞,采用 TBM施工平均月進尺 980m,最高達1400m。

但由于TBM設備對不良地質(zhì)條件的適應性較差,在隧道施工條件愈加復雜,技術要求更高的今天,對地質(zhì)問題的預見和重視不夠、處理不當,會釀成嚴重的工程事故,影響工程的安全和效益。

分析本隧洞的基本地質(zhì)環(huán)境和圍巖工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征,TBM施工中可能出現(xiàn)的主要工程地質(zhì)問題有隧道圍巖大變形、涌水突泥、飽水洞段的地基沉陷等。

4.1 隧洞極軟巖的塑性大變形破壞問題

構成7#隧道圍巖的上第三系地層,由于成巖時間較短、固結較差,孔隙率大,結構“松散”。特殊的組構和力學特征,是導致其塑性變形大的根本。經(jīng)理論分析,其變形的臨界深度約為85m,即當隧道埋深大于該值時將發(fā)生塑性屈服。

本隧洞埋深多為200余m,最大300余m,塑性變形不可避免。科研單位對7#隧洞進行過收斂變形理論計算 ,在埋深 200、250、300、350m 時,計算徑向變形值分別為11.5、18.4、27.3、39.8cm。計算結果受洞徑和埋深影響較大。對上述數(shù)據(jù)用有限單元法進行的數(shù)值模擬分析顯示,二者誤差在10%以內(nèi)。對應埋深下,塑性區(qū)的范圍在7～10m,按塌落拱公式計算,塌落高度5～7m。

極軟巖的塑性大變形主要表現(xiàn)為洞周圍巖的快速收斂,嚴重時會導致TBM卡機事故發(fā)生。當變形造成預制管片緊貼巖壁或后面空隙太小,而無法充填豆礫石和回填灌漿,管片會出現(xiàn)裂縫或管片間出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象。

由于單護盾TBM的推進動力要靠油缸施反力給安裝好的管片,已經(jīng)出現(xiàn)錯臺的管片間,由于接觸面積減小,受力不均,產(chǎn)生集中應力,將導致錯臺的加劇,管片的旋轉(zhuǎn),以及新生裂縫的產(chǎn)生。管片結構遭到破壞,會影響隧洞的運行安全,拆除和重新安裝費時費工,TBM設備在極軟巖洞段非正常停機時間延長,會增加盾體被圍巖收斂變形而抱死的風險。

4.2 隧洞含水疏松砂巖段突泥或流沙問題

隧道含水層巖性以細砂巖(疏松砂巖)為主,局部夾砂礫巖、粗砂巖,泥質(zhì)粉砂巖,砂質(zhì)泥巖構成隔水層,隔水層與含水層呈互層狀分布。疏松砂巖顆粒級配以粒徑 0.25～0.075mm分布居多,超過50%,顆粒間膠結程度差或無膠結,鉆探中取芯困難,塌孔現(xiàn)象明顯。

由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)構造不發(fā)育,地層產(chǎn)狀較為平緩,厚度數(shù)十米的疏松砂巖,在洞身段的分布長度可達數(shù)百米。在隧洞掘進中,擾動或破壞天然含水層,揭露、截斷部分導水通道(或者揭穿承壓含水層頂?shù)装?,使地下水從掌子面巖體裂隙空隙中集中涌出,伴隨著圍巖中細粒流失、孔隙率調(diào)整,進而可能導致疏松砂巖中的細砂顆粒順勢向臨空面流動,出現(xiàn)流砂、坍塌問題。

TBM自樁號61+435.341進入含水疏松砂巖地層后,掘進速度逐漸開始下降,多次出現(xiàn)施工機械被困、C1皮帶瞬間被卡死現(xiàn)象、掌子面坍塌嚴重、同時出渣量增大幾到十幾倍的現(xiàn)象。2010年10月6日12:30分左右,TBM施工至樁號60+939.83時(距離出口3061.17m),發(fā)生了突泥涌沙地質(zhì)災害,TBM施工機械被完全困死。

流沙或涌水是水—巖相互作用的結果,疏松砂巖在封閉地質(zhì)環(huán)境中,長期承受高水位地下水飽和作用,隧道掘進破壞了原來的水—巖平衡,在疏松砂巖集中分布洞段出現(xiàn)流沙或涌水是一種大概率事件,輕則影響TBM 施工效率,重則淹埋機體,造成主要部件損害,使設備長時間不能正常工作。

4.3 隧洞地基不均勻沉陷問題

隧洞圍巖巖相巖性復雜多變,極軟巖巖體干濕效應顯著。施工用水或地下水的運移,都會改變天然圍巖含水量,如果盾體底板部位地下水或施工用水造成的積水不能及時排除,較長時間浸泡地基,會破壞巖體結構,加上盾體前部和刀盤部位重量集中,在動荷載作用下,可能存在隧洞部分地段,地基強度不能滿足TBM掘進機對承載力的要求,施工中出現(xiàn)TBM掘進機“栽頭”、洞線偏移等機頭不易控制現(xiàn)象。

2010年11月8日,TBM盾體內(nèi)及后配套拖車底部泥砂清理完畢后恢復掘進,準備快速通過疏松砂巖不良地質(zhì)段。在掘進2.9m后發(fā)生了嚴重的TBM“栽頭”,經(jīng)數(shù)次增大推力恢復掘進,栽頭趨勢依然很明顯,且造成后部管片大面積破損、開裂,再次停止掘進。

在TBM停機過程中,刀盤位置仍存在繼續(xù)下沉現(xiàn)象,這是10月 6日以來,地基遇水長期浸泡,巖體結構遭到破壞而軟化泥化直接導致的。

5 防治措施建議

(1)在極軟巖洞段開挖時,要充分考慮圍巖的收斂變形對施工的影響,加強各工序、各環(huán)節(jié)組織管理,盡可能減少TBM掘進機的停滯時間,以減小盾體被擠壓的風險。為了使盾體在受到輕微擠壓時仍能快速通過,可在盾體外殼涂抹油脂類物質(zhì),以減少護盾與洞壁之間的摩擦阻力。

(2)對埋深較大的極軟巖洞段,由于總變形量較大,可以通過適當超挖,加大隧洞開挖直徑,增大護盾與圍巖之間的間隙,給圍巖收斂變形留足較大空間。根據(jù)對隧洞圍巖在不同埋深處收斂變形值的理論計算模型計算結果,考慮其變形特征和時段的分布規(guī)律,建議預留變形量選取9～13cm。

(3)疏松砂巖分布洞段,可能出現(xiàn)流沙或涌水地質(zhì)災害,建議施工中應結合勘察分段資料,充分利用TBM自帶的圍巖預報系統(tǒng)和自帶超前鉆機,加強前方圍巖事先探測,并根據(jù)具地質(zhì)情況進行預先固結處理,減少災害的發(fā)生或損失。

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3 蘇華友,任月宗,薛繼洪.不良地質(zhì)條件對TBM施工的影響與探討[J].中國鎢業(yè),Vol,24,No.2:44-47

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5 甘肅省水利水電勘測設計研究院.7#洞補充勘察工程地質(zhì)勘察報告[D]

6 甘肅省水利水電勘測設計研究院.上第三系紅層隧洞圍巖工程地質(zhì)特性研究報告