長深埋硬巖TBM施工輸水隧洞重難點分析及管控

陳 誠，張 宇

(1.新疆水發建設集團有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.東北大學深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

隨著水利水電基礎工程施工技術的迅猛發展，特長深埋輸水隧洞建設數量快速增長，相關工程呈現超長、深埋的特征[1]。在特長深埋輸水隧洞施工過程中，存在隧洞埋深大、洞線長、地質條件和施工條件復雜等諸多問題，對TBM施工進度造成顯著影響，TBM施工過程中塌方、巖爆等地質災害嚴重影響掘進速率以及設備和人員安全，逐漸成為制約特長深埋輸水隧洞施工效率的關鍵。斷層破碎帶作為特殊的地質構造，常常是影響TBM順利掘進的重難點[2]，新疆某引水隧洞工程中，TBM穿越T4支洞0+717—0+750段多次穿越斷層破碎帶，期間TBM進尺較低，多次發生卡機事故，嚴重影響掘進效率[3]，2018年7月2日廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區北干一標段TBM穿越斷層破碎帶時發生嚴重卡機[4]；此外，巖爆作為一種動力災害，逐漸成為嚴重影響深埋超長隧洞的安全施工的重要因素，錦屏引水隧洞施工期間發生“11.28”極強巖爆，導致TBM被埋，多人受傷，造成嚴重的經濟損失和人員傷亡[5]。

本文結合新疆某引水隧洞工程實踐，從復雜地質條件、長距離運輸、刀具選用、長距離皮帶機選用等方面分析影響特長深埋隧洞工程施工進度的主要因素，進而把握對特長深埋隧洞工程施工進度的管控要點。

2 工程概況

某深埋TBM隧洞主洞長度41.0km，采用2臺TBM施工，TBM總掘進長度40.27km，為獨頭掘進，隧洞埋深631～791m，隧洞以Ⅱ類圍巖為主，總長20.726km，占比約50.55%，隧洞穿越區域巖性主要有鈣質砂巖、凝灰巖、凝灰質砂巖、志留系片理化凝灰巖、花崗巖夾黑云母花崗巖。根據地形地質及施工分段規劃，其中TBM有2個施工段，平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置示意圖

3 TBM施工進度重難點分析及管控

3.1 復雜地質條件

本標段隧洞開挖可能遇到的不良地質問題主要有：突涌水(泥)、斷層、塌方、巖爆等。根據隧洞段初步圍巖分類，隧洞開挖過程中需通過較大斷層帶6次，斷層巖體穩定性差，對圍巖穩定性具有顯著影響。對于可能遇到的不良地質問題，堅持“先探后掘”的原則，采用超前預報和長、短距離超前地質預報的預報機制，構成隧洞施工的地質綜合預報體系，進行不良地質預報，將預報信息適時傳輸至工程信息管理系統，通過預報來降低風險。同時制定應對各種不良地質條件情況下TBM施工方案、防護措施、應急預案。根據地質預報預測情況，針對各種不良地質地段，采取合適的掘進模式和支護參數，確保人員和TBM設備的安全，保證TBM設備正常運行。

3.1.1突涌水(泥)

該標段主要為貯存于斷層破碎帶、裂隙密集帶的基巖裂隙水。開挖結果顯示，上述地質區域大多以滲水、滴水為主，局部出現線狀流水，如圖2所示。針對可能存在的突涌水(泥)掘進段，應結合日常地質描述，首先采用超前地質預報法，預報掌子面前方的圍巖構造和含水情況，按“早探明、預注漿、快封閉，先探后掘，堵排結合，節制排放”的原則進行施工，盡可能地減少涌水對施工造成災難性的影響。

圖2 地下水特征

2022年4月19日，K229+685—698掘進段段圍巖條件較差，現場出現大范圍線狀流水和滴滲水特征，如圖3所示，統計表明該區段現場涌水量86.32m3/h。為保證施工安全有序推進，對該區域開展突涌水治理工作，嚴格遵守“早探明、預注漿、快封閉，先探后掘，堵排結合，節制排放”的原則，現場采用GEI綜合電儀法對K229+698—K229+728段在該區域開展超前地質預報，如圖4所示，三維點電阻率圖像中電阻率值整體較低，推斷該區域圍巖以出現滴滲水和線狀出水。開挖至K229+725時，掘進涌水量達185.35m3/h，現場及時停機，為保證堵水效果及施工便捷性，待TBM通過該區域后對該區域開展進一步堵水工作，對現場散水區域進行環向和縱向帷幕止水灌漿孔鉆孔，采用純壓式灌漿，待表面封堵和淺層灌漿完成后，將涌水最后匯集到主水孔中，引流孔堵水灌漿采用分段灌漿。通過現場數據記錄、測量隊灌漿堵水效果進行評價。堵水結果表明，堵水后滲水量為21.2m3/h，灌漿堵水后封堵效果減水率大于80%，且隧洞洞壁不再出現線狀流水，堵水效果滿足設計掘進要求，如圖5所示。

圖3 K229+685—698附近滴滲水

圖4 K229+698—K229+728超前地質預報結果

圖5 現場堵水效果

3.1.2斷層破碎帶

該標段內無區域性大斷裂通過，但發育f67～f71、f71-1共6條較大的次級斷層，產狀70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，斷層走向與洞線方向夾角20°～60°，破碎帶寬度10～30m，帶內以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主。掘進期間，于f69發生大范圍塌方破壞，塌腔深度最深10.3m，造成現場工期延誤長達18天。為此，提出了“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的掘進原則，做到“早探明、預加固，少擾動，強支護，勤量測，快封閉”。采用超前地質預報的方式，對未掘進區域地質條件進行探明，采用固結灌漿(化學灌漿)技術措施加固圍巖和堵水后，根據破碎地質的規模、性質，采用大管棚、小導管等超前支護或超前注漿固結地層等措施，再進行TBM掘進。

2021年11月15日TBM穿越f69斷層破碎帶時，為保證TBM順利通過，現場采用超前地質預報進一步得到消息的地質條件，隨后對護盾區域附近圍巖采用固結灌漿的方式加固圍巖，同時縮短鋼拱架間距，并封閉圍巖，后續監測表明，鋼拱架發生輕微下沉，但在允許范圍內，該方法有效地保證了圍巖的穩定性，促進了TBM順利通過。

3.1.3塌方

該標段斷層破碎帶、影響帶、節理裂隙密集帶和Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段，以及存在不利結構面組合的洞段，存在發生塌方的可能性[6]。TBM穿越不良地質段可能遇到洞室不同部位的塌方，現場統計了K229+200—K231+528區段塌方發生位置，如圖6所示，結果表明，塌方主要發生于護盾頂部附近10～2點鐘附近，此外9～10點鐘方位、2～3點鐘方位也有分布。受限于TBM結構影響，掌子面前方地質條件往往無法直接觀測獲取，為此，開展超前地質預報有助于獲取掌子面前方地質條件，一定程度上可以獲取到前方塌方風險，為進一步施工準備提供參考。

圖6 塌方區域占比

圖7是K232+270—232+370段超前地質預報結果圖，由圖7可知K232+270—320段正負反推明顯，由此推斷該區段圍巖較為破碎，節理發育，易發生塌方；K232+320—370段圍巖較上一區段有變好趨勢，易發生掉塊，局部可能存在塌方。根據監測結果，現場及時準備支護材料，最終K232+277—298區段發生多次塌方。由于現場及時支護，有效提高了現場施工效率。

圖7 K232+270—370超前地質預報成像圖

3.1.4巖爆

巖爆是一種復雜的動力性地質災害，隨著越來越多的地下工程向深部進軍，巖爆逐漸成為制約工程安全開展的重要影響因素[7-8]。本標段隧道沿線地應力高，最大主應力為36MPa，以水平主應力為主，整體為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，沿線以Ⅱ類和Ⅲ類圍巖為主，整體占比超80%，具備較高的巖爆風險[9]。K228+235—K231+358施工期間，巖爆段長度約1021.35m，占比約32.8%，其中中等巖爆占比約62.55，長度640.7m，掘進期間發生了兩次典型巖爆。微震監測作為巖爆預警的最有效手段之一，已經被廣泛應用于深埋隧道工程，因此為保證施工人員和設備安全，現場采用東北大學自主研發的SinoSeism(SSS)微震監測系統[10]，通過巖爆微震監測預警結果，及時掌握巖爆等級和位置，并采用相應的支護方案開展支護，保證現場施工安全。不同巖爆等級應采用應相的支護方案，本文以隧洞掘進期間發生的一次中等巖爆為例，詳細闡述其防控過程，此外，輕微巖爆和強烈巖爆等支護方案可以參考文獻[11]。

2021年3月16日10：00至3月18日9：00，微震監測系統捕捉到巖石破裂時間69個，累積微震釋放能為339026.8J，微震事件主要分布于10～1點鐘方位，現場地質條件調查表明，圍巖干燥且完整性好，綜合考慮預警中等巖爆。3月19日現場地質踏勘表明，3月18日16點30分于K229+630～632.8附近10點～12點鐘方位發生中等巖爆，爆坑深度0.68m，與微震事件空間分布具有較好的一致性，如圖8所示；現場施工人員反饋，巖爆發生時有顯著的噼啪聲響和悶響聲。為保證施工安全，現場施工人員聽到巖爆聲響后立刻撤離護盾附近，待巖爆聲響消失后，根據現場包坑揭露深度判定為中等巖爆，采用HW125鋼拱架和φ22mm的鋼筋排進行支護，同時采用低速率掘進，并對護盾附近進行高壓噴水，軟化圍巖。后續微震監測結果表明，該區域不再產生微震事件，同時無破壞發生，隨著時間推移，該區域微震活動區域平靜，圍巖應力調整結束。

圖8 巖爆預警結果及驗證

3.2 運輸調度管控

該標段T5支洞總長6.4km，綜合坡度11%，最大坡度11.8%，支洞高差達700多米，支洞斷面直徑為8.5m，洞內有11個錯車段(含3個會車洞)，間距約為450～700m，內部軸向架設有風道、料渣傳送帶、輸水管道、電力線纜、通信現纜、照明燈、電臺用無線通信中繼基站等設備。由于支洞內存在多種設備，實際留給車輛安全行駛的有效空間為4m×4m(截面尺寸)，T5支洞空間分配示意圖具體如圖9所示，T5支洞現場情況具體如圖10所示。另外該標段獨頭掘進距離長，TBM9掘進長度19.635km，TBM10掘進長度20.635km，長距離獨頭掘進施工對施工運輸有較高的要求。因此該標段的主支洞物料運輸、調度管理是該標段的重點和難點。

圖9 支洞空間分配示意圖

圖10 支洞現場圖

T5支洞平均每500m布置一個錯車平臺，每2000m布置一個回車洞。洞外各材料存放點或加工點到TBM服務區采用無軌方式運輸，組裝洞室至TBM掘進機施工點采用有軌運輸。TBM9、TBM10掘進、襯砌、灌漿原材料都從T5支洞進入，采用2臺20t自卸汽車進行運輸，洞內拌合站需要的水泥、粉煤灰采用1臺15t膠凝材料罐車運輸。主洞內TBM9有軌運輸距離最長約21km，TBM10有軌運輸距離最長約20km，每5km設置一個錯車平臺，TBM在掘進過程中，作業面需要的鋼枕梁、噴漿料、拱架、網片、錨桿、水泥等采用4臺CFL-150DCL德國SCHOMA內燃機軌道運輸牽引機車。為便于主支洞交通順暢安全，主支洞調度采用由盾構及掘進技術國家重點實驗室開發的“長距離隧道施工智能調度管理系統”，該系統集成無線定位系統、避讓系統、調度系統、管理系統、網絡傳輸系統為一體，高效的解決了目前長距離隧洞內的調度管理混亂的問題，大幅度提升了隧洞施工期的運輸能力和安全性。

3.3 設備選用

3.3.1TBM刀具的選用

根據不同的圍巖地質條件，不同的刀具屬性和刀具布置形式對TBM的掘進速度都會有很大的影響。選擇合適的刀具，既能有效控制施工成本，還能對施工進度起到一定的提升。該標段石英含量高(最高達35%)、巖石抗壓強度大且凝灰質砂巖段較長，硬巖段掘進造成刀具磨損嚴重。砂巖段有水會造成裹刀現象，導致刀具偏磨。試掘進期間，刀具緊固螺桿頻繁斷裂，刀具查看時間延長，同時設備廠家提供刀具為寬刃刀，耐磨但貫入度過低，提供窄刃刀后正常磨損過快，更換螺桿及刀具總時間較長，影響TBM掘進。

(1)刀圈。HD刀圈的硬度控制在HRC55-HRC57，XHD刀圈的硬度控制在HRC57-HRC59，該硬度范圍保證了刀圈在硬巖和極硬巖下的耐磨性能達到上述硬度的同時，刀圈的韌性也控制在一個合理的范圍內。刀圈的韌性保證了刀圈的使用強度，有效減少了刀圈的崩刃、斷裂等異常損壞，在使用過程中切削截面變化較小，保證了刀圈磨損過程中一直保持的貫入度。

(2)軸承。全部采用鐵姆肯重載軸承，且均為鐵姆肯原廠的正品。

(3)金屬密封。采用德國進口的格茨密封，且均為Federal Mogul原廠的正品。

(4)刀軸、刀體等結構件。刀體、刀軸的配合面均經過相應的熱處理和局部硬化，硬化層深度富裕度高，確保使用過程中避免出現松動等現象，同時顯著提高了使用壽命。

(5)刀具裝配及修復。根據工程實際工況，完善一整套完備的刀具裝配及修復流程。裝刀人員均經過嚴格專業培訓與考核，具備獨立的故障判斷、檢查、裝配及修復能力。所裝配和修復的刀具，達到了良好的使用要求。

項目部對力天重工厚刃刀(22.3mm)和羅賓斯窄刃刀(19mm)的2000m掘進使用對比分析，見表1。可以看出，TBM10針對高石英含量、高硬度花崗巖采用羅賓斯窄刃刀對TBM掘進效率提升有較大提升。

表1 TBM10刀具性能分析

3.3.2皮帶機選用

該標段TBM9掘進段連續皮帶機長度21km，TBM10掘進段連續皮帶機長度20km，因此如何保障連續皮帶機長距離安全高效運行是該標段的重點。主洞連續皮帶機是出渣系統中最關鍵的環節，連續皮帶輸送系統由可移動的皮帶輸送機尾部、皮帶存儲及張緊機構、變頻控制的皮帶輸送機驅動裝置、助力驅動裝置、皮帶托滾及支架、調心輪、皮帶輸送機卸載機構、輸送帶、皮帶打滑探測裝置、皮帶接頭、變頻控制系統、應急拉索、皮帶硫化機等組成。

長距離皮帶張力平衡的重點和難點包括：長距離皮帶自身彈性導致張力不均衡、長距離皮帶需將其張力降至最低狀態從而保證啟動時皮帶不打滑、長距離皮帶機加力站與加力站、加力站與首部驅動站之間的皮帶張力平衡、皮帶機上渣料分布不均時導致的皮帶張力不均衡、皮帶機延伸過程中由于長度增加而使得皮帶張力實時發生變化，通過PLC控制實現整條皮帶機皮帶張緊力的平衡同步，同時皮帶滿足驅動電機的啟動前3min(速度10%以內)為慢升速階段，便于緊急情況下的人員逃生。

重視皮帶機的選型，皮帶機的輸送能力需滿足最高掘進速度的要求，并留有一定的余量，以應對突變的荷載并能有效地轉運大量堆積的巖渣[12]。皮帶機出渣系統應具有調速、調向、自動清理、刮渣、防跑偏、耐磨、防滑等功能，膠帶機控制系統有故障自動診斷、顯示、報警功能[12]。選用高強度的膠帶，是完成本標段全部巖渣輸送的關鍵。此外，支洞固定皮帶機坡度較大，現場應具備防止皮帶反轉的措施。此外，長距離的連續皮帶機出渣對系統的性能及利用率提出了很高的要求，為了提高其利用率，必須對皮帶進行定期和不定期的維修保養。

4 結語

復雜地質條件、長距離運輸、刀具選用、長距離皮帶機選用等問題是特長深埋硬巖TBM施工輸水隧洞施工過程中的重難點。本文以新疆某深埋TBM隧道為研究背景，詳細分析了巖爆、塌方、斷層破碎帶、突涌水等地質災害的防控方法，采用超前地質預報和微震監測預報等技術手段能夠有效保證現場施工效率以及設備和人員安全。同時，通過優化資源配置，合理組織施工，采用“平面多工序，立體多層次”的組織工序，從運輸調度管控和設備選取方面實現工程的均衡快速施工，研究成果能夠為相近深埋TBM工程提供參考。