高地應力條件下TBM施工的應對措施及設備適應性改造

吳 濤， 趙 鵬 斌， 馬 發 明

(中國安能集團第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

隨著深埋隧洞TBM技術的應用，高地應力引起的破壞已不容忽視，其直接威脅到施工人員及設備的安全，延誤施工進度，嚴重者可致洞室變形破壞，最終影響工程的投入使用。國內外深埋隧洞的施工均面臨高地應力等地質災害，雖有共同之處，但也各具特點。筆者結合工程與設備的實際情況，分析歸納了高地應力地質條件下圍巖破壞的形式以及對施工產生的不利影響，提出了施工應對措施；并根據施工中存在的設備適應性問題，有針對性地提出了改造建議。

西藏旁多水利樞紐工程地處拉薩河中游，是拉薩河干流水電梯級開發的龍頭水庫，工程開發以灌溉、發電為主，兼顧防洪及供水。工區全線位于海拔4 000 m以上，被譽為“西藏三峽”。[1]該工程的灌溉輸水洞為無壓隧洞，其主洞段近10 km采用開敞式TBM施工，開挖直徑為4 m，逆坡掘進，坡度為1‰。TBM掘進段屬高山地形，洞身穿越的恰拉山山頂高程約5 400 m，最大埋深1 300余m，埋深大于500 m的洞段主要為新鮮花崗巖。工程場地附近巖體結構較完整，巖質堅硬，性脆；構造相對穩定，尤其是深埋地段受地質構造影響小，無斷層及褶皺構造，無或地下水很少[2]。

2 高地應力條件下的圍巖破壞形式

地下洞室施工期間，由于巖體開挖破壞了其原始地應力狀態，使得巖體內的能量得以釋放，進而引發一系列與地應力釋放相關聯的破壞現象。地應力釋放產生的破壞直接影響到TBM的正常施工[3]。筆者對其進行了分析。

2.1 地應力試驗分析結果

設計單位實施的鉆孔地應力試驗結果表明：最大水平主應力大于垂直應力、最小水平主應力，三向主應力關系為SH>Sh≥SV，且以水平主應力(NE26°)作用為主。由地勘試驗得圖1顯示的掘進里程最大主應力分布關系，89.1%的掘進洞段巖體最大主應力超過20 MPa，屬于高地應力等級范圍。根據《水力發電工程地質勘察規范》GB50287-2016中的巖爆烈度分級表，結合強度應力比計算成果可以判定：TBM掘進過程中，37.3%的掘進洞段具有發生中等巖爆等級風險。掘進方向巖體最大主應力分布情況見圖1。

圖1 掘進方向巖體最大主應力分布情況示意圖

2.2 高地應力破壞具有的特點

以該工程為例，在高地應力條件下，隨著掘進段埋深的增加，巖體應力增大，強度應力比減小，巖爆風險增大。結合圍巖巖性、巖質類型及完整性等情況，筆者總結出TBM掘進段圍巖破壞的形式主要表現為應力卸荷和巖爆。

經現場統計分析得知高地應力破壞具有以下特點：(1)埋深小，強度應力比值大的區域其節理、裂隙構造相對發育，圍巖完整性相對較差，多以應力卸荷破壞為主；(2)埋深大，強度應力比值小的區域裂隙不發育，圍巖完整性好，多以巖爆破壞為主。

2.3 應力卸荷破壞

高地應力條件下，圍巖節理、裂隙的存在使巖體成為不連續介質，不能承受傳遞較大的剪應力及拉應力而造成沿節理、裂隙面的破壞，進而引發局部失穩，主要發生在邊頂拱120°范圍。TBM施工過程中，部分洞段圍巖受刀盤及護盾的擾動，邊頂拱圍巖出現并持續沿結構面卸荷，從護盾末端出露已形成垮塌空腔，必須及時進行處理后方可繼續掘進；部分洞段從護盾末端出露，雖然整體穩定性較好，但若遇邊頂拱不利結構面組合，在重力及持續卸荷作用下，極易在主機及后配套區域形成塌方。如圖2所示，在掘進里程7 300 m右側頂拱11～15點位置發生應力卸荷垮塌，垮塌高度達4 m。由此可見，應力卸荷對人員和設備的危害特別大。掘進里程7 300 m邊頂拱應力卸荷垮塌情況見圖2。

圖2 掘進里程7 300 m邊頂拱應力卸荷垮塌

2.4 巖爆破壞

高地應力條件下，完整、堅硬的硬脆性圍巖內應力平衡重新分配時，所儲藏的應變能突然釋放造成圍巖破裂是一種動力失穩現象，其常見的破壞方式為：層狀剝落、彈射甚至拋射。

該工程發生的最大巖爆級別為中等，具體表現形式為：(1)掘進過程中，在護盾下方可明顯聽見刀盤區域有清脆的圍巖爆裂聲，出露護盾位置的圍巖已發生劈理破壞并呈現持續剝落現象；(2)出露護盾位置的圍巖整體穩定，隨著掘進洞壁(包括底拱部位)持續出現脫層、剝落等現象并向外側發展；(3)出露護盾位置的圍巖整體穩定，掘進過程中突然會出現巖石碎片從圍巖體內剝離、崩出，此種破壞具有不確定性，危險性極大。一般巖爆持續的時間可達5 d，前2日的表現尤為突出。如圖3所示，在掘進里程3 850 m撐靴位置右側洞壁發生巖爆，出現大面積崩塌，厚度達2 m。由此可見，巖爆嚴重威脅到施工人員、設備的安全。掘進里程3 850 m右側撐靴外側巖爆崩塌情況見圖3。

圖3 掘進里程3 850 m右側撐靴外側巖爆崩塌

3 高地應力地質條件對TBM施工的影響分析

高地應力地質條件對TBM施工影響較大，主要表現在以下幾個方面。

3.1 TBM掘進功效降低

TBM利用刀盤刀具擠裂巖石的方式破巖，破巖難度亦隨著巖體內應力的增加而增大。根據運行統計，高地應力段TBM施工功效降低程度高達52%；因長期受巖體高應力作用，刀盤的整體耐受力嚴重降低，因TBM刀盤、刀箱疲勞損壞而引發停機事故造成工期延誤。此外，巖石應力的不規律性極易引發滾刀發生偏心受力破壞，加之刀具更換頻率增加，對施工進度影響較大。

3.2 地質問題的處理難度大

在高地應力洞段，掌子面位置高地應力引起塌方易造成護盾支撐不足進而引發主機前段卡機，一旦卡機，需立即停機進行處理；護盾后側的高地應力卸荷及巖爆會造成設備損壞，進而引起塌方，一旦塌方，亦需立即停機進行處理。另外，受小斷面設備作業空間的限制，卡機及塌方的處置難度增大，經統計分析，高地應力區域地質問題的處理工序占總時長的29.5%。

3.3 無法精準有效組織圍巖支護

洞室開挖成型后，由于無法準確量測其圍巖應力，進而無法準確預判應力釋放卸荷程度。支護過程中，出露護盾位置的圍巖若出現應力破壞，則需采取加強支護處理。出露圍巖整體性較好，若未采取支護處理，一旦破壞加劇引起塌方其后果不堪設想；若預判存在高地應力破壞而采取加強支護的方式進行處理，但從后評價分析此相當一部分處理屬過度支護。因此，現場經驗不足導致無法精準有效組織圍巖支護施工而造成資源浪費，工期延誤。

4 高地應力洞段施工采取的應對措施

高地應力破壞防護的重要內容是精準預判掘進前方的圍巖地質條件并預分析應力分布情況。該工程利用TSP、微震監測等技術，結合現場情況綜合研判了掘進前方巖體的性質，提前發出巖爆風險預警，并適時調整掘進參數并加強支護措施以避免高地應力破壞[4]。

4.1 超前預報

利用TSP200超前地質探測儀探明前方圍巖波速、完整性及含水情況。通過對超前鉆機鉆探、皮帶出渣情況和掘進參數等因素的變化進行分析，綜合判斷前方的地質條件。而后采取微震監測手段，通過已布置的傳感器實時監測巖體的穩定性并分析確定巖爆空間位置信息，進而預報巖體卸荷和巖爆等地應力分布情況。基于上述監測分析結果，可有針對性地提出相應的應對措施及建議。

4.2 支護處理原則及措施

結合該工程取得的相關經驗，高地應力洞段安全處置控制原則主要有兩個方面：一是盡可能地改善掌子面前方的圍巖應力狀態，可采取超前導洞應力釋放預處理對策，從源頭上實現對巖爆發生的可能性和發生程度的控制，減緩并加固施工安全和及時性方面的壓力，減小加固支護的工程量；二是提高洞室圍巖的抗沖擊能力，即采用鋼拱架與錨網噴聯合支護的手段，及時加固圍巖結構，盡量減小開挖巖層的暴露面并縮短暴露的時間，通過加強支護系統，達到延緩或抑制巖爆發生的目的[5]。

由于洞室斷面尺寸較小且設備自身占據隧洞的空間較大，導致超前導洞應力釋放方案無法實施，而施工洞段的圍巖最大巖爆等級為中等，也無需采取超前導洞的控制方式。結合現場實際，該工程采取了加強支護方式抑制應力釋放的破壞。實踐證明：由環形鋼拱架、鋼纖維噴混凝土、鋼筋網片和錨桿構成的支護系統可在一定程度上抵擋劇烈的破壞性沖擊，施工效果明顯，安全整體可控。

4.3 調整掘進參數

由于掘進參數(推力、刀盤轉速、貫入度、掘進速度等)受開挖尺寸、地質條件及撐靴支撐效果等因素的影響，該工程總結出高地應力條件下掘進參數調整的基本原則：“遇強推強，遇弱緩進、支護為先，安全第一”。具體為：巖爆區域，掘進巖體較硬、完整性較好，破巖難度較大，采取大推力、高轉速的方式推進；塌方區域或地質破碎帶圍巖條件相對差，須視圍巖變化情況采取小推力、低轉速、緩掘進的方式推進；掘進速度必須與圍巖支護進度相匹配，不可冒進。另外，需及時掌握并控制巖爆發生的部位，調整掘進速度，盡量將巖爆發生位置調整控制在護盾或已加強支護的區域，以減小不利影響。

5 設備適應性改造建議

高地應力地質條件下掘進機的設備適應性十分關鍵，隨著TBM設備在施工中的應用，施工現場的需求與設備功能之間存在偏差。根據高地應力對掘進施工的制約情況，筆者對撐靴、護盾系統、支護系統等設備的適應性提出了改造建議，希望能為今后高地應力隧洞TBM設備選型提供參考。

5.1 增大撐靴面積

高地應力條件下，圍巖內應力釋放現象比較突出，而撐靴對巖面的擠壓則會加劇圍巖應力的釋放而引發邊墻垮塌，甚至撐靴損壞。

建議：增加撐靴接觸巖面的面積，降低單位面積巖面的作用力，可在一定程度上降低邊墻巖爆、塌方的發生率；另外，在TBM需較大推進力時，撐靴面增大將在很大程度上降低單位面積的反作用力，避免撐靴變形損壞。

5.2 護盾后端改造

掘進完成后，出露在護盾后方的圍巖是加強支護的關鍵區域，也是支護施工中最為危險的區域。

建議：加長指形護盾的長度，并在后端主梁上設置拱架、鋼筋網片、錨桿等初期支護綜合作業區，實現機械化的流水作業，并盡量減少人員的投入；支護完成后，人員及相關支護設備應能及時退回護盾下方，從而在一定程度上確保施工安全。

5.3 支護系統的優化

5.3.1 錨桿鉆機設置建議

錨桿支護在傳統支護方式中已得到較好的應用，而該工程系統錨桿支護使用較少。實際配置的液壓錨桿鉆機因體型較大，受設備結構尺寸及操作空間限制，鉆孔位置及角度無法根據出露的地質構造及時調整，無法滿足錨桿支護的技術要求。

建議：施工中配置可靈活調節的風動鉆機(小體積)，并在護盾后側合理規劃錨桿鉆機操作平臺，進而使防巖爆錨桿能夠得到較好的應用。

5.3.2 應急噴混凝土設置建議

受開挖斷面及主機段設備結構尺寸限制，設備規劃將噴混凝土系統設置于后配套3號臺車位，因此而造成噴混凝土位置相對滯后，施工時圍巖開挖后只能進行鋼拱架、網片臨時加固，而無法及時噴混凝土封閉裸露面，需待掘進40 m后進行系統噴護。噴護前因圍巖暴露時間長，加大了二次破壞的風險。

建議：在護盾后側設置應急噴混凝土系統，及時對圍巖裸露段進行初期封閉，從而為后續施工提供安全保障。

5.3.3 鋼拱架設計優化

該工程考慮到傳統錨桿無法實現拱架鎖固功能，在現場將240°范圍拱架優化為360°全斷面拱架，并結合受力情況調整了拱架間距，合理布置了拱架間的連接方式，實現了拱架支撐的整體性。本實例中全斷面拱架方式在實際施工中得到了較好的應用，效果顯著。

6 結論及建議

深埋隧洞因地質條件復雜，環境條件惡劣，則其前期鉆探、地質勘探工作不可能詳盡。TBM施工中的超前地質預報工作尤為重要，但目前所采用的電磁、地震波等監測手段均無法提供掌子面作業條件，在設備區域內進行的相關監測，其監測結果的準確性將受到影響，會對圍巖研判及處置工作指導存在偏差。筆者建議：今后類似工程要高度重視超前地質預報工作，研制更為先進、可靠的超前地質預報設備與方法，盡可能地了解掘進面的地質情況。