全斷面掘進施工隧洞圍巖失穩風險識別與對策研究

肖大鵬

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003）

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全斷面掘進施工隧洞圍巖失穩風險識別與對策研究

肖大鵬

（遼寧省水利水電科學研究院，遼寧沈陽110003）

摘要：針對全斷面掘進施工在隧洞工程實踐中存在的風險，構建隧洞施工圍巖失穩風險故障樹模型，并采用層次分析法評估圍巖失穩風險項。結果表明，高壓涌水與巖爆是影響全斷面掘進施工圍巖失穩的關鍵風險項。同時，針對關鍵風險項提出全斷面掘進施工在遭遇高壓涌水層以及巖爆風險時應采取的對策。研究成果可為同類型水工隧洞工程的施工風險識別與防治提供決策依據。

關鍵詞：全斷面掘進施工；隧洞圍巖失穩；風險識別；對策

跨區域輸水隧洞工程作為緩解區域水資源短缺壓力，促進區域城鎮化與工業化進程的工程手段，已成為保障區域經濟、社會可持續健康發展的重要舉措。與常規隧洞工程對比，跨區域輸水隧洞具有埋深大、距離長、施工地質環境復雜等特點［1］。因此，有必要識別該類工程全斷面掘進施工中圍巖失穩風險項，探索關鍵風險的應對措施，從而提升全斷面掘進施工的的效率與安全性。國內學者針對全斷面掘進施工應用技術開展了一系列研究，高勤生等探討了新型化學灌漿技術在全斷面掘進施工圍巖加固施工中的應用原則；徐衛亞等分析了深埋隧洞TBM盾殼卡機的風險概率；張軍偉等提出了大伙房水庫輸水隧洞TBM選型應遵循的原則與關鍵技術；田永清探討了萬家寨引黃工程地質條件對隧洞TBM法施工的影響。這些研究成果對改進全斷面掘進施工工藝具有重要的指導作用，然而針對全斷面掘進施工圍巖失穩風險項的識別及關鍵風險對策的研究尚需深入。

1　全斷面掘進施工面臨的風險因素

跨區域輸水隧洞工程一般包括取水工程與輸水工程兩部分，該類工程尤以輸水工程中隧洞工程施工條件最為復雜。此類水工輸水隧洞工程常須穿越一系列煤層、礦區以及自然保護區，區域水文地質條件復雜，地下巖層常遭遇松散巖、碎屑巖以及碳酸鹽類裂隙水，含水層賦水結構多樣化，且多具有一定承壓性。隧洞穿越區域基巖常呈弱風化，巖體少有膨脹性且未見大規模的巖體崩塌及滑坡現象，受地應力的影響，隧洞沿線部分軟質巖具備發生塑性形變以及流變的可能［2］。輸水隧洞采取全斷面掘進施工，常須穿越數十條斷裂帶以及多個地質單元與向斜構造，隧洞掘進時遭受透水、滲流以及圍巖塌落等風險因素的威脅。

2　隧洞工程圍巖失穩風險識別與評估

2.1 隧洞圍巖失穩風險故障樹構建

全斷面掘進施工隧洞工程涉及大埋深、長距離且施工環境復雜施工段的全斷面掘進施工，圍巖失穩風險對施工效率與安全至關重要［3］。因此，有必要針對該類工程隧洞圍巖失穩問題識別并評估其風險項，探索圍巖失穩破壞的成因機理。

故障樹（FTA）作為風險識別與綜合度量的有效工具，通過圖形演繹分析的方式來描述風險事件發生的邏輯順序，可定量地由隧洞圍巖失穩出發計算識別系統性事故的成因［4］。結合全斷面掘進施工圍巖失穩風險項，構建深埋隧洞圍巖失穩故障樹，如圖1所示。

2.2 基于層次分析法的圍巖失穩風險識別與評估

針對隧洞圍巖失穩故障樹系統的風險識別可采用層次分析法，通過構建層次清晰的評估指標體系，采取專家法賦值各層次風險項的權重，并將各風險項置于9標度值表格中從而構建判斷矩陣，如表1所示。通過求解矩陣特征根與特征向量，進而獲取具備一致性的判斷矩陣，其所對應的特征向量即為各風險項的權重，從而識別出影響圍巖失穩的關鍵風險因子［5］。

圖1　深埋隧洞圍巖失穩故障樹系統

表1　圍巖失穩風險項權重數量化

全斷面掘進施工隧洞工程部分施工段隧洞圍巖結構不均一，且斷裂帶及節理裂隙發育，處于大埋深的隧洞圍巖地處高地應力、強流變以及高滲透壓等不利地質環境中，易引發涌泥突水、巖爆、圍巖變形等地質災害。因此，選取巖爆、高壓涌水、洞口滑坡、遇破碎帶、高地溫、軟巖變形作為圍巖失穩的風險項進行分析，采取層次分析法計算各風險項的權重值如表2所示。

表2　圍巖失穩風險項權重值

由表2可知，圍巖失穩各風險項的權重排序為：巖爆（0.267）＞高壓涌水（0.243）＞軟巖變形（0.131）＞高地溫（0.142）＞遇破碎帶（0.089）＞洞口滑坡（0.063）＞遇溶洞（0.065）。因此，以0.2作為歸類標準，圍巖失穩的關鍵風險項為巖爆與高壓涌水，關鍵風險項的識別可為深埋隧洞全斷面掘進施工方案的優化提供科學依據。

3　隧洞施工圍巖失穩關鍵風險項對策

3.1 高壓涌水層的處置措施

全斷面掘進施工隧洞工程在穿越具有承壓性的地下高壓涌水層時，會引發大量涌水灌入土倉，造成土倉水壓力的急劇升高，從而致使泥漿直接由螺旋輸運機上口涌出，在淹沒全斷面掘進機底部管片吊裝機械的同時，甚至引發大面積軟土地層的沉降，嚴重威脅施工人員安全。鑒于此，可采用如下措施指導穿越高壓涌水層的掘進施工。

3.1.1 全斷面掘進前的預加固處理

其要點主要包括：①采取全斷面掘進施工時，一般會在中盾處預留若干根超前預注漿孔，可通過這些預注漿孔鉆孔形成長度達15～20m的超前注漿孔，并采用注漿機注入1∶1比例的水玻璃-水泥漿液或聚氨酯實施超前加固注漿處理［6］，從而在掘進輪廓外構成止水環以防止涌水。②實施超前注漿應選取凝膠時間介于1min～5min的雙液漿，凝膠時間過短會造成管路堵塞，凝膠時間過長則達不到預期止水效果［7］。③注漿完成之后應進行地層加固穩定性與用水量的檢驗，注漿效果要求全斷面掘進機械掌子面穩定且總涌水量小于0.5m3/min，否則應再次實施注漿封堵。

3.1.2 全斷面掘進中的參數控制與聚合物摻加

在全斷面掘進中宜從如下方面實施掘進參數控制并摻入聚合物：①可通過調整出渣量、加快掘進速度、注入高壓氣體等形式使得土倉土壓力大于地層土壓力與靜水壓力之和，從而降低涌入土倉的地下水量。②在調整掘進參數的同時，應通過摻加高分子聚合物來改善切削土體的滲透性與流塑性，以防止大孔隙率粗砂水土分離，降低土體滲透性，從而實現封堵地下涌水的目的。

3.1.3 全斷面掘進后的注漿處理

為有效阻隔地下高壓涌水灌入成型管片以及巖層間的孔隙，確保隧洞防水效果，應在全斷面掘進通過洞段通過注入聚氨酯以及二次補注的方式密實巖體與管片間的縫隙，從而構成全斷面掘進施工隧洞的第一層防水屏障。具體工序包括：①將管片置于涌水、滲漏的部位作為中心點，在該中心點前后每隔3環實施一次聚氨酯注漿，形

成地下水封堵帶［8］。②注漿之后應對封堵帶間的管片實施二次補強注漿，注入雙液漿以密實孔隙，從而構筑包裹管片的完整止水屏障。

3.2 巖爆風險防治措施

巖爆作為全斷面施工掘進中的地質災害，嚴重威脅施工進度與人員生命安全，因此，針對該類工程隧洞巖爆風險可采取如下防治措施。

3.2.1 圍巖加固

可通過噴錨支護的形式，在掘進施工中實施鋼筋網與錨桿加固。針對塌腔較大、圍巖軟弱以至影響全斷面掘進機械撐靴通過的圍巖洞段，可采取噴射混凝土及架設鋼拱架的方式加固圍巖。

3.2.2 釋放應力

針對巖爆易發生圍巖洞段，可采取超前錨桿支護鉆機鉆取應力釋放孔，通過注入高壓水來釋放部分圍巖應力，從而防止巖爆的發生。

3.2.3 改進支護形式

可采用永久支護與臨時支護結合的方式實現支護的迅速錨固，同時可將普通錨桿更換為水脹錨桿或脹殼式機械預應力錨桿，配合架設柔性尼龍防護網，從而強化支護結構并可有效防止巖爆落石［9］。另外，可采用摻加速凝劑或5%～10%超細沸石粉的混凝土，在提升混凝土強度、降低終凝時間的同時實現快速加固與封閉圍巖的目的。

4　結語

通過構建基于層次分析法的故障樹模型，識別出了影響全斷面掘進施工隧洞工程圍巖失穩的關鍵風險項［10］。對全斷面掘進施工圍巖失穩關鍵風險項的識別，有利于針對易發生風險洞段實施超前監控、鉆探、預加固、灌漿、支護及設備改進等風險防范舉措，從而為滿足隧洞掘進施工的進度要求與安全提供有力保障。

參考文獻

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［3］田永清.萬家寨引黃工程南干線7～#隧洞TBM施工工程地質條件分析［J］.水利水電技術，2010，41（07）：14-16.

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［8］康業淵，蘇懷智，馬文麗.基于遺傳-層次分析法的堤防安全綜合評價［J］.人民黃河，2014，36（02）：9-12.

［9］葛寨輝.富水粉細砂層拆除被困TBM刀盤注漿加固技術［J］.隧道建設，2012，32（S2）：105-110.

［10］溫森，徐衛亞.洞室變形引起的雙護盾TBM施工事故風險分析［J］.巖石力學與工程學報.2011（S1）.

作者簡介：肖大鵬（1982年—），男，工程師。

收稿日期：2015-09-21

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.02.033

中圖分類號：TV554

文獻標識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）02-0089-02