引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段突涌水涌泥施工技術(shù)探討

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段突涌水涌泥施工技術(shù)探討

李召朋， 李鵬

(中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司，西安710065)

【摘要】引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞從工程量和技術(shù)難度方面均可謂是水利史上里程碑式的工程。本文通過(guò)對(duì)TBM工法施工段施工過(guò)程中面臨的突涌水、突泥段情況介紹分析，提出應(yīng)對(duì)措施，以期為今后同類工程施工提供參考。

【關(guān)鍵詞】隧洞； TBM工法； 突涌水； 涌泥； 技術(shù)措施

中圖分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Discussion on Hanjiang River Diversion to Weihe River Qinling Tunnel

TBM Construction Segment Sudden Surge Water Gushing Mud

Construction Technology

LI Zhao-peng, LI Peng

(SinohydroCorporationEngineeringBureau15Co.,Ltd.,Xi’an710065,China)

Abstract：Hanjiang River Diversion to Weihe River Project Qingling Tunnel is milestone project in water conservancy history in the aspect of engineering quantity and technical difficulty. In the paper, sudden surge water and gushing mud condition in TBM method construction section process are introduced and analyzed, handling measures are proposed, thereby providing reference for constructing similar projects in the future.

Keywords：tunnel; TBM construction method; sudden surge water; gushing mud; technical measure

1工程概況

陜西省引漢濟(jì)渭工程是由漢江向渭河關(guān)中地區(qū)調(diào)水的省內(nèi)南水北調(diào)骨干工程，是緩解近期陜西關(guān)中渭河沿線城市和工業(yè)缺水問(wèn)題的根本性措施。工程主要由黃金峽水庫(kù)樞紐、黃金峽水源泵站、黃金峽至三河口輸水工程、三河口水庫(kù)和秦嶺隧洞五部分組成。

秦嶺隧洞進(jìn)水口位于三河口水庫(kù)壩后匯流池，出口位于渭河一級(jí)支流黑河金盆水庫(kù)右側(cè)支溝黃池溝內(nèi)，任務(wù)是將漢江流域調(diào)出水量自流送入渭河流域關(guān)中地區(qū)。隧洞為明流洞，全長(zhǎng)81.779km，設(shè)計(jì)流量70m3/s，多年平均輸水量15.0億m3,隧洞平均坡降1/2500。采用鉆爆法+2臺(tái)TBM法施工，鉆爆法施工橫斷面為馬蹄形，斷面尺寸7.0m×7.0m，TBM法施工斷面為圓形，斷面直徑7.16m/8.03m。工區(qū)位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，高程范圍1050～2420m，洞室最大埋深約為2000m，其埋深在國(guó)內(nèi)僅次于錦屏二級(jí)引水發(fā)電洞最大埋深(2500m)，屬于深埋長(zhǎng)隧洞。

2問(wèn)題提出

根據(jù)前期地質(zhì)勘探資料，工程區(qū)地表水發(fā)育，隧洞線路通過(guò)的斷層帶較多，僅TBM施工段就有16條之多，斷層帶物質(zhì)為碎裂巖、糜棱巖、斷層角礫以及斷層泥礫，寬30～190m不等。地下水主要儲(chǔ)存于層理、風(fēng)化節(jié)理、裂隙中，其中K54+240～K62+902.517段的斷層帶預(yù)測(cè)隧洞正常涌水量為12268m3/d，屬于地下水中等富水區(qū)。已竣工的隧道最大涌水量與正常涌水量之比一般為1.44～2.77，最大4.79。

隧洞通過(guò)各斷層破碎帶，由于構(gòu)造裂隙水較發(fā)育，地下水循環(huán)較快，施工中有可能產(chǎn)生突然涌水現(xiàn)象。在通過(guò)斷層泥礫帶、含泥質(zhì)地層的影響帶時(shí)有可能產(chǎn)生突涌水涌泥現(xiàn)象。特別是在下穿常流水河道段落時(shí)，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)由于地質(zhì)構(gòu)造而導(dǎo)致河道外明流水沿?cái)鄬訋ǖ罎B入施工洞室內(nèi)的現(xiàn)象。由此給隧洞掘進(jìn)造成不良后果，使掘進(jìn)作業(yè)無(wú)法進(jìn)行。尤其是TBM工法在斷層破碎帶、褶皺帶中掘進(jìn)，圍巖變形大，易造成塌方，掘進(jìn)方向難以控制，TBM撐靴落空無(wú)法推進(jìn)是主要的工程難點(diǎn)。同時(shí)，TBM工法在此類地層中的處理措施和手段不如鉆爆法靈活，無(wú)法對(duì)掌子面實(shí)施有效的封閉，鉆爆法施工所采用的很多超前注漿加固措施在TBM工法下效果大打折扣。基于此，采取有效措施順利通過(guò)軟巖變形段，防止涌水、突泥，及時(shí)、迅速處理突發(fā)事件，是引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程的技術(shù)關(guān)鍵。

3施工應(yīng)對(duì)措施

3.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

結(jié)合蘭渝鐵路西秦嶺特長(zhǎng)隧道、西康鐵路秦嶺隧道等近年來(lái)穿越秦嶺的鐵路隧道施工經(jīng)驗(yàn)，引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞突涌水涌泥段施工的總體思路是：強(qiáng)化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的作用，將其作為工序管理，針對(duì)不同情況區(qū)別對(duì)待，以主動(dòng)采取措施為主，加強(qiáng)初期支護(hù)。

采取綜合手段對(duì)工程的斷層破碎帶、接觸帶水文地質(zhì)狀況進(jìn)行詳實(shí)的分析、確認(rèn)。施工過(guò)程中使用的超前地質(zhì)探測(cè)手段包括以下幾種：

a.隧洞施工過(guò)程中，通過(guò)TSP203+、HSP-T、RTP206巖體溫度法等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行掌子面前方中長(zhǎng)距離預(yù)報(bào)。

b.超前鉆機(jī)鉆探驗(yàn)證，鉆孔深度根據(jù)地質(zhì)預(yù)報(bào)的斷層帶長(zhǎng)度確定；若斷層帶延伸長(zhǎng)度較長(zhǎng)，已超出TBM上配備的超前鉆機(jī)鉆進(jìn)最大距離，可先鉆進(jìn)一定的長(zhǎng)度，以后再次鉆進(jìn)時(shí)鉆孔重疊5m；掌握不良地質(zhì)體的發(fā)育范圍，地下水水量、水壓等地質(zhì)參數(shù)。

根據(jù)勘測(cè)階段研究及已施工段揭示的地質(zhì)情況，確定超前水平鉆探段落，預(yù)計(jì)鉆探段長(zhǎng)度940m，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件掌子面按1～4孔布設(shè)，每孔每次鉆進(jìn)暫按30m考慮，孔徑暫按75mm考慮。

c.在掘進(jìn)過(guò)程中通過(guò)觀察巖渣性狀、大小、含水量，預(yù)判掌子面前方總體情況。

3.2軟巖變形

通過(guò)斷層泥礫帶時(shí)，由于巖質(zhì)軟弱，洞室埋深較大，地應(yīng)力值相對(duì)較高，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比大，施工中有可能產(chǎn)生軟巖塑性變形，造成片幫剝落、掉塊、斷面收斂變形大、成洞困難等。處理的總體思路是：錨、注、噴一體化(錨、注為核心)—圍巖加固—支護(hù)。

在物探結(jié)果預(yù)測(cè)前方為軟弱圍巖時(shí)，施作超前探孔予以驗(yàn)證，視探孔取芯分析情況決定掘進(jìn)措施。軟弱圍巖段按照“超前支護(hù)、短進(jìn)尺、勤換步、早封閉、強(qiáng)支護(hù)、初期支護(hù)一次到位”的原則組織施工。掘進(jìn)措施、支護(hù)方法和手段視具體實(shí)施情況由項(xiàng)目部制定施工方案報(bào)發(fā)包人、設(shè)計(jì)、監(jiān)理審批后實(shí)施。主要包括以下幾個(gè)方面：

a.利用超前鉆機(jī)，施作超前小導(dǎo)管或超前管棚預(yù)支護(hù)后再掘進(jìn)通過(guò)。

b.由于TBM護(hù)盾較短，發(fā)生卡盾的幾率相對(duì)降低，若圍巖收斂變形比較輕微或者速度較慢，掘進(jìn)通過(guò)后將圍巖暴露出來(lái)，出護(hù)盾后加強(qiáng)初期支護(hù)，視情況采用錨、網(wǎng)、拱架聯(lián)合支護(hù)，必要時(shí)出護(hù)盾后立即噴射混凝土，同時(shí)加強(qiáng)觀測(cè)，并盡量減少刀盤噴水，發(fā)現(xiàn)有圍巖塑性變形或膨脹現(xiàn)象，立即停止噴水，并加快速度盡快通過(guò)。

c.遇軟巖變形不均造成TBM掘進(jìn)方向偏離的情況下，首先注意隨時(shí)校正TBM姿態(tài)，監(jiān)理同意后及時(shí)采用混凝土對(duì)軟弱巖體進(jìn)行換填。

d.若隧洞洞壁承載力低，無(wú)法提供支撐反力時(shí)，在撐靴處采用噴錨網(wǎng)+鋼拱+灌注混凝土的聯(lián)合支護(hù)方式對(duì)撐靴部位洞壁處理后再掘進(jìn)，必要時(shí)打錨索加強(qiáng)初期支護(hù)后再掘進(jìn)通過(guò)。

e.若圍巖收斂變形較為嚴(yán)重，首先利用TBM的擴(kuò)挖功能，外墊邊刀加大開(kāi)挖直徑，圍巖出護(hù)盾后，及時(shí)施作初期支護(hù)，必要時(shí)采用短進(jìn)尺、加密拱架、加強(qiáng)配筋將仰拱塊減薄(減小鋼架槽高度的仰拱塊厚度)或現(xiàn)澆仰拱、噴射鋼纖維混凝土等措施加強(qiáng)支護(hù)。

f.若TBM被卡，則加大掘進(jìn)推力并在護(hù)盾與圍巖間強(qiáng)行注入潤(rùn)滑劑，減少護(hù)盾與圍巖間的摩擦，勉強(qiáng)通過(guò)后立即施作初期支護(hù)系統(tǒng)。若TBM無(wú)法推進(jìn)，則通過(guò)護(hù)盾范圍內(nèi)人工擴(kuò)挖。

g.在變形量極大、速度快的極端情況下，TBM擴(kuò)挖不足以克服卡盾，掌子面自穩(wěn)定能力差，不具備全斷面TBM掘進(jìn)條件，則從護(hù)盾后開(kāi)繞洞至掌子面，采用鉆爆法處理后，TBM步進(jìn)通過(guò)的方法。

3.3突涌水

3.3.1規(guī)模小的涌水段施工

TBM在可能發(fā)生小規(guī)模涌水洞段采取以下措施組織掘進(jìn)施工：

a.開(kāi)挖過(guò)程中在圍巖穩(wěn)定、能安全通過(guò)時(shí)盡量維持涌突水的排水通路，嚴(yán)禁隨意封堵，通過(guò)后采用封堵和導(dǎo)排措施對(duì)集中的涌突水進(jìn)行治理。

b.圍巖呈滴水和線狀滲水，TBM正常掘進(jìn)。掘進(jìn)過(guò)程中利用TBM自帶的錨桿鉆機(jī)對(duì)出水點(diǎn)鉆排水孔，埋設(shè)導(dǎo)管排水，導(dǎo)水效果不好的設(shè)盲溝或截水圈排水。

c.根據(jù)掌子面集中涌突水情況進(jìn)行判斷，只要隧洞底部水位滿足施工條件，仰拱塊作業(yè)區(qū)具備作業(yè)能力且圍巖穩(wěn)定性較好時(shí)，TBM正常掘進(jìn)。待出水點(diǎn)出護(hù)盾后，采用錨桿鉆機(jī)施工排水孔，進(jìn)行導(dǎo)排，若遇地下水壓力較大，采用鋼板將地下水引至隧洞邊墻上，待TBM通過(guò)后進(jìn)行堵水注漿處理。

3.3.2規(guī)模大的涌水段施工

通過(guò)物探、超前鉆孔等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法判明前方掌子面突涌水流量大、隧洞底部不具備作業(yè)條件的情況下,必須停止掘進(jìn)，采取超前小導(dǎo)管、管棚支護(hù)、超前注漿封堵處理，其超前注漿和支護(hù)采用TBM自帶的設(shè)備進(jìn)行，必要時(shí)增加設(shè)備。注漿處理根據(jù)實(shí)際情況選擇水泥—水玻璃雙液漿、HSC水泥漿、超細(xì)水泥—水玻璃漿和聚氨酯類化學(xué)灌漿材料，待出水量明顯減小具備掘進(jìn)條件時(shí)再行掘進(jìn)。與此同時(shí)，增加臨時(shí)大功率潛水泵和抽水管路，將水抽排至后配套之外至少50m區(qū)域。

通過(guò)TBM自帶設(shè)備進(jìn)行超前注漿加固后，掌子面圍巖條件仍無(wú)實(shí)質(zhì)性改良的情況下，調(diào)整施工方案，后退刀盤，從護(hù)盾后打繞洞進(jìn)入掌子面進(jìn)行超前管棚支護(hù)、超前預(yù)注漿加固及堵水處理。TBM掘進(jìn)通過(guò)后采取徑向固結(jié)灌漿、帷幕灌漿處理。

3.4突泥

根據(jù)施工過(guò)程中對(duì)工程地質(zhì)情況的深入了解，采用超前地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)探明掌子面前方地質(zhì)情況。為防止泥漿涌入危及TBM設(shè)備和人員安全，先采取超前注漿封堵、加固，然后采用超前管棚注漿預(yù)加固后再掘進(jìn)。若突泥量大，采用以上加固措施后仍不具備掘進(jìn)條件或處理時(shí)間長(zhǎng)、工期不可控時(shí)，則采取從護(hù)盾后部施作繞洞到TBM前方進(jìn)行人工鉆爆法開(kāi)挖，TBM步進(jìn)通過(guò)。

4結(jié)語(yǔ)

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程地質(zhì)條件復(fù)雜、富水?dāng)鄬訋л^多，如處理不及時(shí)，將對(duì)TBM施工造成災(zāi)難性后果。因此，在工程實(shí)施過(guò)程中必須加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)和信息反饋工作，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整施工方案和處理措施，不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能優(yōu)質(zhì)高效、降低成本、節(jié)約投資，并使工程最終安全穩(wěn)定投入運(yùn)行。