輸水隧洞TBM遇突涌水施工技術措施探討

張志峰

摘 要：由于圍巖因素的不確定性與復雜性，TBM在掘進過程中遭遇突涌水時將會影響TBM正常掘進，這不僅會增加停機時間，嚴重時還會導致人員傷亡以及設備損壞，造成重大經濟損失。針對TBM遇突涌水時，從TBM設備淹機預防、突涌水、大流量地下水逃生等方面提出了相應的應急預案，為類似施工提供解決思路。

關鍵詞：TBM；引水隧洞；突涌水；技術措施

中圖分類號：TV672? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）11-0028-03

0 引言

隨著基礎設施建設的快速發展，TBM在引水隧洞、鐵路隧道及城市軌道交通隧道等工程領域的應用越來越廣泛[1]。近年來，越來越多的位于特殊的地形地貌和復雜地質的超大埋深超長隧洞（道） 工程開工建設，如新疆、陜西等地正在實施的水利水電等工程項目[2]。

與傳統的隧道施工方法相比，TBM法掘進速率可達傳統鉆爆法的3～10倍，但TBM在施工過程對不良地質條件適應性較差。當TBM遭遇軟弱大變形、涌水、巖爆等不良地質時，會導致TBM停機時間較長，掘進利用率降低，也會增加施工工期與成本，嚴重時還會造成人員傷亡。為此，本文主要針對TBM突涌水提出相應的施工應急預案，防止TBM在掘進過程中遭遇重大的停機事故。

1 工程概況

新疆某隧洞主洞長度38.253 km，采用2臺TBM施工，開挖洞徑7.0 m，其中：鉆爆法開挖段樁號KS172+888～KS173+618，長度0.73 km；上游掘進洞段樁號KS155+000～KS172+888，長度17.888 km；下游掘進洞段樁號KS173+618～KS193+253，長度19.635 km。

該輸水隧洞共發育15條較大的次級斷層（f43～f51，f54～f59），產狀50～85°NW∠50～88°、280～300°NE∠30～40°，斷層走向與洞線方向夾角25～88°，破碎帶寬度10～30 m，最寬達60 m。隧洞富水部位主要分布在斷層破碎帶及影響帶、裂隙密集帶，TBM通過時可能出現突涌水地質災害，在掘進過程必須予以充分重視。為確保順利通過，以超前地質預報為先導、以安全施工為前提、以控制掘進參數和加強支護為手段穩步施工。

2 施工應急預案

2.1 TBM設備淹機預防應急預案

2.1.1 超前地質預報

超前地質預報是隧洞施工最常見的預測前部巖石狀態的手段之一。施工單位根據預測結果，采取相應的預處理措施，可以有效地避免因不良地質導致的卡機、停擺。可結合超前封堵注漿、超前錨桿支護等手段提前對不良地質進行處理，保證掘進施工順利進行。

2.1.1.1 隧洞地震波法

本工程由山東大學組織的超前地質預報團隊，采用地震波法對TBM掘進方向富水情況進行探明，并根據現有的地質資料做好預防準備工作。

2.1.1.2 工程地質調查法

實地踏勘與分析主要包括原地貌描繪地質走向、水文水系觀測等。利用已開挖的工程地質資料，預測不良地質構造對相應隧洞的影響范圍、程度、大小，提前做出預防措施，為其他超前預測預報提供先決條件。

2.1.1.3TBM掘進參數和巖渣性狀的預報方法

根據TBM與巖石相互作用的狀態和皮帶機出渣情況，實時監測判斷前方掌子面巖石的情況和變化趨勢，根據不同情況及時作出掘進策略的調整[3]。TBM掘進參數的變化情況可從操作室顯示屏直接觀察，巖渣的變化可從操作室視頻監控顯示觀察，也可從皮帶機上的出渣直接觀察[4]。

TBM掘進中，推進力大、貫入度小、振動大、扭矩變化幅度小，巖渣基本為片狀，表明掌子面前方巖石堅硬、完整。推進力較大、貫入度較大、振動大、扭矩變化幅度大，巖渣除片狀以外含形狀各異的大石塊和少量渣土，表明前方巖石較硬，但節理裂隙較發育，甚至有斷層塌方。推進力較小、貫入度大、振動小，巖渣含大量渣土或非片狀小石塊，表明前方巖石為軟弱破碎。

2.1.1.4 超前地質鉆孔

當預報前方有相對規模較大的區域性斷裂帶、破碎段、地下水發育等地段，有必要進一步確認。采取超前地質鉆孔技術，利用超前地質鉆機進行鉆孔取芯或鉆孔出水測水壓及流量，根據鉆孔資料來推斷隧洞前方的地質情況，采取適合的施工方案。

2.1.2 排水規劃

本工程按備用排水規模986 m3/h考慮，其中：上游施工段420 m3/h，下游施工段566 m3/h，隧洞排水以管道排水為主，施工期將安排專人對排水管路進行巡檢，確保達到設計排水量。

主洞排水采用臥式離心泵接力方式，集中排至主支洞交叉部位樁號173+223.00 m處集水倉，然后由支洞臥式離心泵兩級排至洞外廢水沉淀池。洞外采用臥式離心泵一級排至渣場儲水池。

支洞長5 152.2 m，縱坡11.5%，支洞最大排水規模986 m3/h，設置兩級排水，其中：第一級布置在主洞樁號173+223.00 m位置，第二級布置在支洞樁號2+519.00 m位置。

上游施工段排水長度18 253 m，縱坡1/2 583，排水規模420 m3/h，高差7.1 m，為逆坡掘進、順坡排水。排水設備按50%排水規模進行配置，即Q=210 m3/h，超過210 m3/h的水量將采取自流方式排至主洞樁號173+223.00 m集水倉，每4 000 m布置1套排水設備。

下游施工段排水長度20 000 m，縱坡1/2 583，排水規模566 m3/h，高差7.7 m，為順坡掘進、反坡排水，采取逐級強排方式，每4 000 m布置1套排水設備。

2.1.3 地下水處理原則

具體有以下4點：①隧洞掌子面滲、涌水，出水量低于排水量50%，可以快速掘進，擇機封堵；出水量大于排水量50%，停機進行封堵出水點，并進行超前堵水灌漿后繼續掘進作業。②圍巖裂隙或空隙浸出的滴、滲水或小股線狀水，可進行引流，以改善施工環境，TBM設備掘進通過后擇機封堵。③線狀涌水（線流）、射流、股狀涌水（股流），出水量低于排水量50%時，可以快速掘進，擇機封堵。出水量大于排水量50%時，停機淺層封堵出水點，TBM通過后，進行深層灌漿封堵。④富水洞段中，常規排水規模達到設計排水規模的80%時，停機堵水。施工排水規劃見表1。

2.1.4 先探后掘

突水、涌水的前兆標志是節理裂隙組數及滲水量增加，常常含有泥質物質或渾濁。在施工接近可能產生突然涌水地段時，充分利用TBM上配置的超前地質預報手段，做好超前地質預報。堅持預報在前，最大限度查明地下水狀態，先探后掘，以確保隧洞施工安全。

2.1.5 停電、設備故障處理

供電系統檢修、故障停電時，按常規Q=120 m3/h排水量考慮。洞外排水設備功率75 kW，采用1臺120 kW柴油發電機組供電。洞內除上游洞段考慮自流方式外，主要考慮支洞排水、下游洞段排水施工用電，總功率920 kW。在洞口設置2臺550 kW應急發電機組，系統停電后，通過逆變向洞內供電排水。

TBM上配備應急發電機組和水泵，在主電源斷電時，起動備用供電系統和水泵，避免水淹損壞設備。

2.2 突涌水應急預案

2.2.1 應急排水

在TBM施工過程中，若上游段（逆坡掘進）突遇涌水使TBM無法繼續掘進時，立即組織人員在樁號173+223.00 m集水倉處采用砂袋筑壩攔截，防止涌水進入下游危脅下游設備與人員安全。依靠自流及上游段排水系統排入集水倉，由支洞排水系統將涌水排出洞外。

在TBM施工過程中，若下游段（順坡掘進）突遇涌水使TBM無法繼續掘進時，涌水將全部集中流向掌子面，直接危脅下游設備、人員安全。下游段排水系統配置，一般排水規模Q=435 m3/h，備用排水規模Q=566 m3/h，立即啟用所有排水設備，排水能力Q=566 m3/h，根據排水能力、涌水量的平衡關系，涌水難以控制時，采取梯級筑壩、梯級存水措施，緩解排水壓力。與此同時將TBM設備φ100供水管路改為應急排水管路，排水能力60 m3/h，為救援爭取更多時間。在此期間增設排水管路以及排水設備，最大限度減少受淹損失[5]。下游段梯級筑壩高度與存水量關系見表2。

2.2.2 地下水封堵

通過超前地質預報預測掌子面前方地下水對圍巖及排水能力的影響程度，根據預測結果可采取局部超前鉆孔注漿、全周邊淺層超前鉆孔注漿、全斷面深層超前鉆孔注漿。

超前鉆孔注漿可在前部隧洞圍巖周圍形成水泥結石層，固結圍巖的同時封閉地下水通路。根據富水區的預測水量不同情況，分3種處理方式：①對高壓、大涌水量的富水區進行全斷面深層超前注漿堵水施工。②對低壓、較大涌水量的富水區進行全周邊淺層超前注漿堵水施工。③較小地下水量進行局部超前鉆孔注漿。地下水處理方案流程見圖1。

2.3 大流量地下水逃生預案

上游段逆坡掘進、順坡排水，涌水向下游自流，人員受困可能性較小。下游段順坡掘進、逆坡排水，出現突涌水后，人員可能受困，根據排水能力、涌水量的平衡關系，估算淹沒高度以及淹沒時間，當下游段下游水位達到1.2 m時，仍持續上漲，人員開始撤離。

2.3.1 逃生路線

一旦發生大流量涌水，現場人員通過主洞有軌運輸通道逃至主支洞交叉口，然后通過支洞無軌運輸通道向洞外緊急撤離逃生。

2.3.2 逃生方式

具體有以下3種：①橡膠救生筏、救生衣、救生圈。逃生時身戴救生用具防止出水過大逃離困難。②交通車輛。乘坐主洞有軌運輸人車和支洞的無軌運輸載人車輛。③安全逃生指示牌。懸掛緊急撤離路線指示牌，為逃生提供醒目標志。

3 結束語

本文主要介紹了TBM法施工遇突涌水段時可采取的施工應急預案，分別在TBM設備淹機預防、突涌水以及大流量地下水逃生等方面給出了詳細的應急預案，為TBM遭遇涌水時提供了一些應急解決措施，從而保證TBM在遭遇涌水時可以順利掘進，避免不必要的停機時間。

參考文獻

[1] 錢七虎，李朝甫，傅德明.全斷面掘進機在中國地下工程中的應用現狀及前景展望[J].建筑機械，2002（5）：28-35+4.

[2] 鄧銘江.深埋超特長輸水隧洞TBM集群施工關鍵技術探析[J].巖土工程學報，2016，38（4）：577-587.

[3] 龔秋明. 掘進機隧道掘進概論[M].北京：科學出版社，2014．

[4] 王占生，王夢恕.TBM在不良地質地段的安全通過技術[J].中國安全科學學報，2002（4）：58-62.

[5] 廖有林.隧道TBM法施工遇突涌水段的預防處理措施[J].建筑技術開發，2020，47（17）：48-49.