城市深埋隧洞TBM施工超前地質預報體系及應用

葉焰中 高健 羅來輝 孫云志 胡坤生 馮建偉

摘要：針對城市深埋隧洞TBM施工的特點，分析了施工中超前地質預報環境、各預報方法的適應性，研究提出了以地質分析為核心，物探為主，長短預報距離相結合、定性定量相結合、多種物性參數相結合、多種方法相互應證的綜合預報體系。將該體系應用于深圳羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，為該工程的超前地質預報提供了有力的技術支撐。研究成果可供粵港澳大灣區類似的城市TBM施工超前地質預報參考。

關鍵詞：城市深埋隧洞； TBM施工； 超前地質預報； 羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程； 粵港澳大灣區

中圖法分類號： TV53

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.012

0引 言

許多城市因建筑密集，加上地鐵和綜合體開發，淺層地下空間利用難度和成本都越來越大［1］，因而逐步尋求利用深層地下空間，如建設各類深埋隧洞工程。城市淺埋隧洞一般采用礦山法、盾構法及頂管法等施工方法，而深埋隧洞由于大多位于硬質巖層中，常常采用TBM法施工。

城市人口密集，高樓林立，地面與地下建筑物眾多，各類管線密布，深埋隧洞施工安全風險大。TBM施工雖具掘進速度快等優點，但地質適應性差，國內外已發生多例事故，如引紅濟石工程存在突水涌泥、軟巖大變形，致卡機66次，TBM停機長達3 a；廣深鐵路客運專線獅子洋隧道大規模塌方，造成人員傷亡，嚴重影響施工進度。采用超前地質預報可避免或減少該類事故的有效手段，已成為大家的普遍認識。

當前國內外在鉆爆法開挖的隧道（洞）中超前地質預報的理論技術研究與工程應用方面已經取得了重要進展和良好的效果，但由于TBM施工隧洞環境具有特殊性和復雜性，其超前地質預報的研究與應用還進展緩慢，仍然是國內外公認的難題［2］。近年來，國內各行業發布了一批超前地質預報規范，如T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質預報技術規程》、DL/T 5783-2019《鐵路隧道超前地質預報技術規程》及GB 50487-2008《水電水利地下工程地質超前預報技術規程》，這些規范多為鉆爆法超前地質預報的技術要求，國內未見針對TBM施工的超前地質預報規程規范。面對日益增多的城市深埋隧道（洞）工程，本文研究提出一套適于城市深埋隧洞TBM施工的超前地質預報體系，以為該類工程的超前地質預報技術作有益探索。

1城市深埋隧洞及其TBM施工特點

本文研究的城市深埋隧洞（道）一般指分布于城區埋深大的鐵路隧道、公路隧道及引（排）水隧洞等，區別于山嶺深埋長隧洞（道），也不同于埋藏較淺的城市軌道交通、市政隧道，主要有以下特點。

（1） 埋深大。GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》規定：深埋隧洞一般埋深大于600 m，市政排水工程深隧埋深一般30～60 m。本文城市深埋隧洞一般指埋深大于50 m的隧洞。

（2） 地表敏感建筑物多。采用深埋隧洞的城市地面及地下淺層建設空間極其有限，一般各類建（構）筑物數量及類型分布眾多，高樓林立，地下管線（道）密布。如各類房屋，地鐵、高鐵、公路等交叉建筑物，通信、電力、燃氣、供（排）水管線等。此外還可能涉及對環境要求高的生態環境區、地表水體等。

（3） 地質條件復雜。隧洞埋深大，大多位于基巖內，可能涉及斷層破碎帶、富水體、軟弱巖層、深風化槽、不整合接觸帶、蝕變巖體、高地應力及有毒有害氣體等不良地質。

（4） 施工安全風險大。受不良地質影響，深埋隧洞可能遭遇突泥涌水、巖爆、塌方、卡機、埋機等重大災害，還可能引起地面沉陷等次生災害。不但可能造成施工人員傷亡，設備受損，影響工程施工進度；還可能使地面及淺層建（構）筑物變形、損毀，影響其正常安全使用功能，如房屋倒塌、道路（橋梁）中斷、管線破裂，影響城市交通、信息、生產及生活，甚至人員傷亡。近年來國內城市地鐵施工已出現過多起安全事故。

城市深埋隧洞大多位于硬質巖層中，一般多采用TBM施工方法。TBM施工的優劣對比如表1所列。

2TBM超前地質預報體系

城市深埋隧洞TBM施工風險大，超前地質預報可預報掌子面前方不良地質體的位置、產狀及其圍巖結構的完整性與含水的可能性，為正確選擇掘進方式、支護設計參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧洞涌水、突泥、塌方、巖爆等地質災害及時提供信息，以便采取相應施工預案，保證施工安全。

相對于傳統的隧道鉆爆法施工，TBM掘進對地質條件和巖石力學參數的依賴性較強，掘進面前方地質條件的準確及時獲知對于TBM安全高效掘進至關重要。為保障TBM施工安全，超前地質預報工作將發揮不可替代的作用。

2.1TBM施工環境特征

TBM施工環境具有“封閉性、空間小、干擾大，時間短”的特征（圖1）。① TBM依靠刀盤切削巖體向前推進，掌子面被刀盤擋住，無法直接觀察掌子面地質情況，雙護盾TBM四周還有護盾、管片保護，基本在一個封閉的空間作業；② TBM體積龐大，占據了工作面后方大部分隧洞空間，導致可用于超前地質預報的空間十分狹小；③ TBM具有復雜的電工系統與金屬結構，電磁干擾十分嚴重；④ TBM掘進速度快，工序銜接緊密，進行超前地質預報的時間短。

2.2隧洞圍巖物性參數特征

影響TBM施工的因素眾多，其中隧洞圍巖物性參數是重要的地質因素。隧洞圍巖物性參數主要有巖石的單軸抗壓強度Rc、磨蝕值CAI、巖體的完整性系數KV、破碎帶寬度L、滲透系數K、單位涌水量q、最大地應力σm等。

（1） 巖石單軸抗壓強度Rc大小直接影響TBM掘進速度。一般而言，Rc在40～75 MPa時，TBM施工效率高，大于150 MPa與小于15 MPa時不利于TBM施工。

（2） 磨蝕值CAI是是反映刀具磨損及掘進速度的重要參數。指數越高，機械磨損越嚴重，停機換刀次數與時間越多，影響掘進速度。根據大量工程實例，TBM在低—中等耐磨性圍巖中掘進速度較快。

（3） 巖體的完整性系數KV是影響TBM掘進效率的重要地質因素。一般情況，巖體完整性高時，TBM掘進慢，反之則速度快，但完整性太低，如呈碎裂或散體狀時，圍巖不能自穩。根據工程經驗，0.45≤KV≤075時，TBM掘時效率最高。

（4） 破碎帶寬度L對TBM施工影響較大。L＜5 m，TBM可采用調速等措施直接通過；10 m＜L＜30 m，需對破碎帶采取處理措施；L＞30 m時，則需開挖支洞處理。

（5） 圍巖滲透系數K＞10-2 cm/s時，易產生涌水突泥，不利于TBM施工；隨著滲透系數的減小，TBM施工條件越好。

（6） 單位涌水量q越大，隧洞遇到突涌水風險越高，TBM適應性越差。

（7） 最大地應力σm也對隧洞施工存在較大影響，對于深埋軟弱地層，高地應力往往導致隧洞圍巖產生大變形與巖爆，是危及施工安全的主導因素。

2.3綜合超前地質預報技術方案

隧道施工中會揭露不同類型的不良地質體，如斷層破碎帶、含水構造等，每種不良地質體的地質屬性和地球物理響應有很大差異，預報重點也有所不同。因此針對不同類型的不良地質體探測所采用的超前地質預報方案不是一成不變的，應根據其地質屬性與地球物理響應，制定差異化且有針對性的綜合超前地質預報方案，實現多種超前地質預報方法的優化組合，為實際工程中綜合超前預報工作的實施提供決策依據。

每一種超前預報方法都有其適用條件和優缺點，針對不同類型的不良地質情況，應該選擇合適的超前地質預報方法。隧洞施工超前地質預報方法有3類，即地質分析預報法、物探探測預報法、超前鉆探法。此外，對于城市深埋隧洞（道），地表及淺部分布有許多敏感建（構）筑物，將洞內地質觀測與洞外監測（以下簡稱內觀及監測）納入超前地質預報對預防地面塌陷等次生地質災害具重要意義。

TBM施工隧洞環境對許多常規預報方法具較大影響，甚至無法實施。經分析比較及總結工程經驗，適于TBM施工隧洞環境的超前地質預報方法主要有地質分析法、地震波法、電法、超前鉆探法、內觀及監測等，其中地震波法中TGS、TRT、HSP法及電法中激發極化法效果相對較好，應用較廣。根據TBM施工超前地質預報方法的選擇原則，結合城市隧洞的特點，研究形成了多種物性參數相結合、多種方法相互印證的城市深埋隧洞綜合超前地質預報方案（表2）。

2.4TBM超前地質預報實施原則

根據TBM超前地質預報“精細化、定量化、綜合化”的發展方向，融合地質、物探、施工、監測等多學科知識，參照類似工程經驗，擬定以下城市隧洞TBM超前地質預報實施原則：

（1） 重視TBM施工環境。TBM施工環境復雜，必須重視施工環境對預報工作實施及預報成果精度的影響。

（2） 加強內觀與監測。相對山嶺隧洞，城市隧洞施工風險高，應加強洞內涌水量、地溫、有毒有害氣體的觀測及地表敏感部位與建筑物的沉降、地下與地表水水位的監測，保證施工及地表建筑物的安全。

（3） 以地質分析為核心，以物探為主。將地質分析貫穿整個預報工作全過程。在預報過程中，要充分利用物探手段獲取掌子面前方不良地質體等信息。

（4） 長短預報距離相結合。采用地質分析方法時，利用已有與施工時獲取的資料進行宏觀分析預測，再進行進行長距離預測，最后采用激發極化法、超前鉆探法及內觀與監測進行中、短距離補充。

（5） 定性與定量相結合。地質分析法與超前鉆探主要對地層、不良地質體等作定性判斷，物探預報方法與監測成果多提供定量分析，在預報實施時需相互結合，相互印證。

（6） 多種物性參數互補。充分利用勘察成果中巖體力學參數，物探方法、監測所獲取的物性參數進行綜合分析，相互印證，相互補充。

3工程應用

3.1工程概況

羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內兩個配套項目之一，工程位于深圳市西部城區，由1條輸水干線隧洞與6條支線隧洞組成。干線隧洞長約21.7 km，隧洞內徑5.2 m，主要采用TBM法施工；支線隧洞采用鉆爆、頂管及明挖法施工。

該工程沿線分布變質巖、沉積巖及侵入巖三大類，涉及震旦系、奧陶系、三疊系、侏羅系等7大地層，巖性復雜，軟硬不一；隧洞穿越6條較大規模斷裂；隧洞下穿茅洲河、松崗河、阿婆髻水庫等多處水體；存在斷層破碎帶、風化深槽、軟弱圍巖等9類不良地質體，地質條件復雜。隧洞TBM施工存在風化深槽引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，斷裂引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，軟弱圍巖變形問題，下穿地表水體段圍巖突水（泥）問題，有毒有害氣體問題及高地溫與熱害問題。

3.2TBM超前地質預報實施方案

根據場地影響TBM施工的巖性、構造、隧洞圍巖參數、圍巖級別及不良地質體性質等，分析研究形成了羅田水庫—鐵崗水庫干線輸水隧洞TBM施工超前地預報分段實施方案（表3）。

4結 語

本文針對城市深埋隧洞，結合TBM施工特點，從TBM施工環境特征入手，分析了隧洞圍巖物性參數特征，根據不良地質體的地質屬性和地球物理響應，選擇了適于TBM施工環境的超前地質預報方法，并強調了“內觀與監測法”對城市隧洞施工超前地質預報的重要意義。經分析對比及總結工程經驗，形成了多種物性參數相結合、多種方法相互應證的城市隧洞綜合超前地質預報方案。同時提出了重視TBM施工環境，加強內觀與監測，以地質分析為核心。以物探為主，長短預報距離相結合，定性與定量相結合，多種物性參數互補的實施原則，構成了城市深埋隧洞TBM施工超前地質預報體系。該體系已成功應用于深圳羅田水庫—鐵崗水庫輸水隧洞工程，為該工程的超前地質預報提供了有力的技術支撐，可供粵港澳大灣區類似工程的TBM施工超前地質預報參考。

參考文獻：

［1］林忠軍，深層隧道排水系統在城市排水規劃中的應用［J］.城市道橋與防洪，2014（5）：143-147，13.

［2］高健，徐磊，彭揚平，等.深埋長隧洞TBM施工超前地質預報與綜合信息管理關鍵技術研究報告［R］.武漢：長江勘測規劃設計有限責任公司，2021.

［3］揣連成.TBM施工中綜合地質預報技術及施工對策研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

（編輯：黃文晉）