TBM施工隧洞常見地質災害及其預測與防治措施

楊繼華, 楊風威, 苗　棟, 張黨立

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州　450003)

0　引言

TBM是集機械、電子、液壓、控制等技術為一體的自動化隧洞開挖襯砌成套設備，其隧洞施工具有快速、高效、優質、安全及環保的技術特點,已廣泛應用于水利水電、交通、國防及市政等隧洞工程施工中,其掘進速度一般為傳統鉆爆法的3～10倍[1-4]。

TBM施工的隧洞多為長大隧洞,相對于短隧洞,長大隧洞一般要穿越多個不同的地質、地貌和構造單元,施工中發生地質災害的可能性較高。由于TBM設備龐大,對不良地質條件的適應性遠沒有鉆爆法靈活,施工中一旦發生地質災害,輕則工期延誤,重則人員傷亡、設備損毀。針對TBM施工中的地質災害,多位學者和技術人員進行了相關研究,并得出了一些有益的結論,尚彥軍[5]等對印度克什米爾、中國云南和臺灣省3個TBM施工隧洞的地質災害進行了分析,并對TBM遇險最終被常規鉆爆法的失誤進行了反思;羅志虎等[6]針對錦屏二級水電站引水隧洞巖爆地質災害進行了研究,分析了其發生規律、影響范圍及危害程度并提出了相應的對策;車曉明[7]列舉了TBM施工中的主要地質災害并提出了相關勘察工作建議;劉波[8]以引黃工程全斷面雙護盾掘進機為例,對斷層破碎帶塌方引起的卡機地質災害進行了分析,提出了超前探測、超前灌漿等處理措施;袁亮等[9]研究了錦屏二級水電站引水隧洞TBM所遇的突涌水地質災害并提出了施工對策。

本文對TBM隧洞施工常見的地質災害類型、超前地質預報方法及針對不同地質災害的處理措施進行系統總結,相關研究結果可以為TBM選型、施工處理提供參考。

1　TBM施工常見地質災害

1.1　斷層破碎帶塌方

當隧洞穿越大的地質構造帶時,往往伴隨著斷層發育,斷層寬度從數米到數百米不等,斷層帶內一般巖體破碎、風化程度高、巖石強度低、富含地下水,圍巖穩定性差,特別是斷層走向與洞軸線小角度相交時,對隧洞圍巖穩定性更為不利。當TBM掘進性,在刀盤的擾動下,隧洞掌子面和洞壁圍巖容易塌方,當塌方量較大時,對于護盾式TBM,塌方巖體堵塞刀盤或堆積在護盾頂部造成“卡機”;對于開敞式TBM,塌方巖體會進入TBM主機,掩埋設備,處理起來十分麻煩。如云南昆明上公山引水隧洞、中國臺灣雪山(坪林)公路隧道在施工中多次塌方,嚴重延誤了工期,最終導致TBM被拆除改用鉆爆法施工,給業主和施工承包造成了巨大的損失。另外,斷層巖體軟弱破碎、巖石強度低,無法為TBM的支撐靴提供足夠的接地比壓,必須對撐靴部位進行換填或加固,導致掘進速度緩慢,增加工期和施工成本。

1.2　軟巖大變形

當TBM在深埋軟巖地層中掘進時,在高地應力作用下,軟巖會發生較大的塑性收斂變形,由于TBM護盾與開挖洞壁之間的空間很小(一般<5 cm),容許圍巖變形的空間有限,當變形量過大時,則會導致圍巖“抱死”護盾,引起“卡機”事故。如萬家寨引黃工程雙護盾TBM掘進至樁號48+190.477時,在停機的2 h內,快速收縮的圍巖將護盾緊緊箍住,圍巖變形速率達到3～4 cm/h,即使將操作推力調到最高,也無法使TBM移動,最后采取在護盾外人工擴挖軟弱巖石35 m3,TBM才得以重新啟動[10]。軟巖大變形還會造成管片安裝與豆礫石回填灌漿困難,或引起已安裝好的管片損壞,出現裂縫、錯臺等。

1.3　巖爆

巖爆是高地應力狀態下地下洞室中圍巖脆性破壞時應變能突然釋放造成的一種動力失穩現象,其表現為巖石的片幫、剝落、巖石彈射拋擲等。對于TBM施工隧洞,巖爆直接威脅到施工人員的人身安全、設備安全,導致TBM掘進速度降低,初期支護難度、工程量、時間、成本大幅度增加[11-12]。錦屏二級水電站施工排水洞在前101 d內,僅掘進1 027 m,期間規模較大的巖爆就發生了3次,受巖爆影響長度為214 m,其中中等以上巖爆長度36 m,每次都不得不停機處理,不能發揮TBM快速掘進的優勢,而在2009年11月28日掘進至SK9+283時的發生的極強巖爆更是使TBM受到毀滅性的破壞[13]。西康鐵路秦嶺隧洞巖爆也頻繁發生,成為TBM施工中的主要地質災害之一。

1.4　涌水

當掘進過程中突然遭遇涌水時,地下水直接沖淋或浸泡設備,損壞設備器件,影響正常的掘進施工,甚至會威脅設備和人員的安全,制約TBM掘進速度,特別是當TBM順坡掘進時,如果遇到大量的涌水無法及時排出,則TBM有被淹沒的危險。如在桃花鋪一號隧道IDK196+010～IDK196+130段,主要巖性為大理巖,節理、裂隙發育,寬張；局部地段溶蝕較嚴重,地下水發育,多股狀涌水,面狀出水,初期最大涌水量達1 829 m3/d。錦屏二級水電站引水隧洞截至2010年底,1號TBM和2號TBM實際遭受大小不同的地下水近30余次,其中集中出水較大的突涌水4次,最大涌水量達到1.5 m3/s。涌水處理難度大,會占用大量的施工時間,降低TBM的掘進速度。

1.5　其它地質災害

TBM隧洞施工中除了以上四項主要的地質災害外,其它的地質災害還有溶洞、高地溫、瓦斯及有害氣體等。如1985年施工的廣西天生橋二級水電站引水隧洞沿線巖溶發育,泥石流最大涌出量達1.0×104m3,最大涌水量達到3.8 m3/s,嚴重影響TBM掘進進度,累計10年僅掘進了7.5 km。當TBM在含煤系地層掘進時,巖層中常含有CO、CH4等易燃、易爆及有害氣體,嚴重威脅到人員及設備的安全[14]。

2　地質災害超前預報

超前地質預報在TBM隧洞施工中具有重要的作用。通過超前預報可以查明掌子面前方不良地質體或地質災害“危險源”的類型、位置及規模,并對可能造成的地質災害提出預警,從而事前做好施工預案,將地質災害造成的時間、經濟損失降到最低,保證TBM順利、安全的施工。目前TBM隧洞施工超前地質預報方法較多,但歸納起來可分為兩類,一類是直接方法,一類是間接方法。

2.1　直接法超前地質預報

直接法超前地質預報又可分為隧洞沿線區域地質分析、施工地質描述、基于碴料和掘進參數的超前地質預報、超前地質鉆探等。

2.1.1隧洞沿線區域地質分析

在TBM施工前,利用收集的隧洞區域各種工程地質圖、水文地質圖和構造綱要圖等,初步分析隧洞所在地區的主要構造類型、地層特征、空間分布及其對隧洞圍巖穩定性的影響程度。在區域地質分析的基礎上,分析TBM隧洞施工可能遇到的不良地質問題及其分布范圍、發生的可能性和對TBM施工的影響程度。主要包括以下內容:地層巖性、構造型式、巖體結構、斷層破碎帶、地下水條件、溶洞、地溫、有害氣體等。以上分析可為TBM施工的可行性研究、TBM設備選型及施工預案提供工程地質依據。

2.1.2施工地質描述

隧洞開挖過程中的地質狀態,能客觀地、真實地反映圍巖的實際情況。在TBM停機維護時,對隧洞掌子面、洞壁及頂拱進行地質素描,素描包括以下內容:地層巖性、節理裂隙的發育情況、巖石風化程度、斷層分布及其走向、地下水狀態、軟弱巖層的厚度及分布范圍等,根據以上內容可對圍巖穩定性做出評價并采用合適的支護方式。同時可根據已開挖圍巖的地質條件對掌子面前方的圍巖進行初步預測。

2.1.3基于碴料和掘進參數的超前地質預報

TBM開挖產生的碴料一般由片狀、塊狀和粉狀巖碴構成,圍巖類型不同,各部分所占比例不同,巖塊的粒徑大小也不同。通過對巖碴的觀察,可以獲得巖性、巖石強度、巖體結構、構造特征、風化特征和地下水情況等[15]。通過分析碴料可知地質情況,如圍巖較完整,則巖碴以片狀為主;如圍巖節理裂隙較發育,則巖碴以塊狀為主;如遇斷層破碎帶,則碴料不均勻,巖粉含量降低同時伴有構造巖出現。

TBM的掘進參數也可在一定程度上反映圍巖地質狀況,掘進參數主要有刀盤推力、刀盤扭矩、貫入度、掘進速度等。在硬巖中掘進時,一般刀盤推力先達到最大值,而扭矩未達到額定值,同時伴隨著刀盤貫入度低,掘進速度緩慢;在軟巖中掘進時,一般扭矩先達到額定值,而推力未達到最大值,同時伴隨著刀盤貫入度高,掘進速度快;當在節理密集發育的地層中掘進時,掘進推力變化較大,同時伴隨著機器的振動。

在圍巖地質條件變化不大的情況下,根據碴料、TBM掘進參數等可對掌子面前方地質情況做出判別；但在圍巖地質條件變化大的情況下,可結合區域地質勘察資料、地下水活動情況進行綜合分析判斷。

2.1.4超前地質鉆探

TBM上一般配有超前鉆機,可對掌子面前方10～30 m范圍內的巖體進行鉆探[16-17]。超前鉆機可分為兩種:一種是沖擊式鉆機,鉆進速度快,占用施工時間較少,但無法采取巖芯;另一種是地質鉆機,鉆進速度慢,占用施工時間較多,但可采取原狀巖芯。

對于沖擊式鉆機,可利用鉆速變化,預測掌子面前方巖性軟、硬變化、斷層破碎帶及地下水情況等。一般在鉆進過程中保持鉆進壓力不變,以每鉆進20 cm所需要的時間作為鉆速指標,在巖性變化不大的情況下,鉆速大小主要取決于巖體破碎程度；完整巖體鉆速較慢,破碎巖體鉆進較快。因斷層帶巖性一般有明顯變化,故可利用鉆孔回水的顏色對斷層做出判斷,另外也可利用鉆孔完成后的地下水流量及壓力對富水帶進行預測。對于地質鉆機,通過采取的巖芯可對掌子面前方一定范圍的巖性特征、風化程度、巖石強度及地下水情況進行判斷,同時可確定圍巖結構面的類型、產狀、形態、密度和張開度、粗糙度及充填物等?？衫貌扇〉脑瓲顜r芯計算巖芯采取率和RQD值,并按RQD值對圍巖進行分類。

2.2　間接法超前地質預報

間接法超前地質預報一般指的采用物探的技術來獲取地質信息。目前國內、外采用的物探預報方法按其原理可分為地震法、電法、聲波反射法及地質雷達法等。

2.2.1地震法

目前采用地震法為原理的超前地質預報系統較多,如TSP(Tunnel Seismic Prediction,隧洞地震法預測)、TVSP(Tunnel Vertical Seismic Profiling,隧洞垂向地震剖面法)、ISIS(Integrated Seismic Imaging System,綜合地震成像系統)及TRT(True Reflect Tomography,真地震反射成像技術)等。

地震法超前地質預報預測距離較遠,一般可達100～200 m,可有效探測掌子面前方地質體的性質(軟弱帶、破碎帶、斷層、溶洞,含水層等)、位置及規模,可作為長期地質預報技術。

2.2.2電法

目前采用電法原理的主要是德國Geohydraulik Data公司開發研制Beam技術(Bore-tunnelling Electrical Ahead Monitoring)[18-19]。Beam技術是建立在對電參數持續觀測的基礎上,通過測取一個與巖體中孔隙有關的電能儲存能力的參數PFE(Percentage frequency effect)和視電阻率的變化,預報掌子面前方圍巖的完整性和含水性。Beam法TBM超前地質預報的最大特點是其所有的裝置都安裝在TBM的刀盤和外側鋼環上,隨著隧洞的開挖掘進,可以連續不斷獲得探測成果,并及時處理得出掌子面前方的PFE曲線,來預測前方巖體性狀及含水情況。Beam最長探測距離超過30 m,適合作為短期超前地質預報技術,其對水體有良好的探測效果。

2.2.3聲波反射法

目前國內以聲波反射法為原理的超前地質預報系統主要為HSP。HSP隧洞超前地質預報系統以聲波反射為原理,由中鐵西南科學研究院有限公司開發生產,早期主要用于鉆爆法隧洞施工,經過改進,目前同樣適用TBM隧洞施工[20-21]。

HSP聲波反射法原理是建立在彈性波理論基礎上的,傳播過程遵循惠更斯—菲涅爾原理和費馬原理。采用聲波法探測不良地質的前提是:聲波在巖土體中的傳播速度及幅度等參數和巖土體的組成成分、密度、彈性模量及巖體的結構狀態等有關,不良地質體如斷層破碎帶、風化帶、巖溶洞穴,地下水富集帶等與周邊地質體存在明顯的聲學特性差異。通過數據解譯,可對隧洞掌子面前方圍巖的工程地質條件或不良地質體做出判斷,其探測距離可達100～150 m,可作為長期超前地質預報技術。

HSP超前地質預報技術操作方便,可在TBM掘進時采集信號,不受場限制,采集數據所需要時間少,不影響TBM的快速施工,已在國內多條TBM施工隧洞得到成功應用。

2.2.4地質雷達法

目前生產地質雷達超前地質預報系統的廠家較多,其所采用的原理基本相同。地質雷達是利用高頻電磁脈沖波探測目標體,通過發射天線向地下目標體發射高頻寬帶短脈沖電磁波,經過地層或目標體反射后為接收天線所接收。電磁波在介質中傳播時,其路徑、電磁場強度與波形將隨所通過介質的電磁性質及幾何形態變化而變化。因此,根據接收到波的傳播時間、幅度與波形等資料,可探測地下介質的結構、構造埋藏深度等[22-23]。

地質雷達可有效探測隧洞掌子面前方10～30 m以內的不良地質體,可作為短期超前地質預報技術,具有適用范圍廣、準確程度高、數據采集耗時少、不影響施工、費用低等優點,適合于TBM隧洞施工。

3　地質災害防治措施

3.1　斷層破碎帶塌方

3.1.1超前支護

采用TBM超前鉆機向掌子面前方鉆設超前錨桿,對掌子面前方圍巖提前進行支護,并對前方圍巖進行注漿固結。如果地下水不活躍,可注入水泥漿液；如果地下水流量較大,可采用化學灌漿,以形成在錨固圈保護下的掘進作業。為防止掌子面圍巖塌方,在掘進前應對掌子面噴射混凝土。

3.1.2人工處理

如果斷層破碎帶塌方量較大,堵塞刀盤或卡死護盾,可采用人工開挖旁洞至刀盤前方清除塌方體。當斷層破碎帶較寬時,可采用鉆爆法開挖,穿過斷層帶后TBM步進通過。

3.2　軟巖大變形

3.2.1適當超挖及快速通過

如遇到短時間內快速收斂變形的圍巖,可調整TBM刀盤邊刀并安裝擴挖刀,適當超挖增加護盾與開挖面之間的空隙以避免護盾被卡住。軟弱圍巖的變形與時間有直接的關系,因此當掘進到快速收斂洞段時,應增加掘進時間,減小機械維護時間,使TBM在圍巖發生足夠大的變形之前盡快通過。

3.2.2人工處理

一旦發生護盾被卡事故,可采用人工辦法鑿除護盾周邊的坍塌體和收縮圍巖,以減少對護盾的擠壓,并對前方巖體采用強化固結灌漿的辦法，以保持和提高圍巖的完整性、穩定性。

3.3　巖爆

3.3.1提前釋放巖體中的應力

可利用超前鉆在掌子面上打超前鉆孔,對掌子面的高地應力提前釋放,必要時可打垂直洞壁巖面的徑向應力釋放孔。如果預測的地應力較高,可在超前鉆孔裝設炸藥震裂完整巖體,也可向超前鉆孔內注入高壓水使圍巖內部形成破裂帶,從而降低掌子面和洞壁的高應力,以降低應力集中導致巖爆的可能性。

3.3.2巖爆處理措施

巖爆發生時,針對不同的巖爆類型,采取相應的處理措施。發生輕微巖爆時,采用噴射混凝土和局部掛網相結合的支護方式。發生中等巖爆時,系統安裝鋼拱架、噴射系統錨桿及設置系統錨桿。發生強巖爆時,系統安裝鋼拱架、采用工字鋼、鋼筋等縱向連接加固,與噴錨網形成聯合支護體系。強巖爆對施工人員及施工設備的威脅極大,必要時進行避讓,待巖爆強度基本平靜下來再進行處理。

3.4　涌水

3.4.1逆向掘進

TBM盡量采取逆向掘進的方式,即由下游向上游方向逆坡掘進,充分利用隧洞順坡向排水的功能,降低大量涌水時TBM被淹的風險。

3.4.2超前排水

根據超前地質預報結果,一旦發現掌子面前方的含水帶,可采用超前鉆打排水孔排水,同時增加洞內排水泵的數量,及時的將地下水排出洞外。

3.4.3注漿堵水

對于大量的涌水,如果在隧洞內打排水孔并不能明顯減小涌水量,可采用高壓灌注水泥漿或化學注漿方式堵塞住圍巖中地下水活動通道,達到止水的目的,以保證隧洞圍巖的穩定性和施工順利進行。

3.5　其它地質災害

對于高地溫問題,施工過程中應及時進行監測,并可在TBM上配備噴淋設施向掌子面和洞壁圍巖噴水降溫,同時加強通風以降低隧洞的溫度。針對有害氣體問題,可在侵入巖及斷層破碎帶等有害氣體易出露部位進行超前探測,將有害氣體排出洞外并監測有害氣體含量,加強通風,同時采取嚴格的防火措施,確保洞內人員的施工安全。

4　結語

對于TBM施工隧洞中常出現的地質災害及其危害程度,以下幾個方面應引起足夠的重視:

(1)TBM施工隧洞可能遇到的地質災害類型與鉆爆法隧洞基本相同,但TBM設備由數十個子系統集成,任何一個環節出現問題,都會影響TBM的正常運行,其對不良地質條件的適應性差,地質災害對其危害程度遠大于鉆爆法施工。

(2)詳細、準確的地質資料是TBM快速、安全施工的重要保證。當沒有預警的情況下遭遇不良地質條件時,發生地質災害的可能性大。在前期的地質勘察中,應查明施工可能遇到的地質災害類型其分布范圍、發生的可能性和對TBM施工的影響程度,為TBM施工的可行性研究、TBM設備選型及施工預案提供基礎地質資料。在施工期間,充分利用各種地質資料和超前地質預報成果,建立工程地質模型,及時對遇到的問題作出評估。

(3)當隧洞穿越的地層具有以下特征時,應避免采用或慎用TBM施工:類砂性土構成的軟弱圍巖和具中等強度以上的膨脹巖隧洞;斷層發育多且寬,溶洞發育多的隧洞;匯水構造和涌漏水嚴重隧洞;巖石單軸抗壓強度超過300 MPa的隧洞;巖石中耐磨性礦物如石英等含量高的隧洞。

(4)應根據TBM隧洞施工的技術特點,針對不同類型的地質災害采取相應的超前地質預報方法和防治措施,注重新技術和新方法的應用。同時應加強隧洞施工信息和經驗交流,減少類似條件下地質災害發生頻度。

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