输水隧洞TBM遇突涌水施工技术措施探讨

张志峰

摘 要：由于围岩因素的不确定性与复杂性，TBM在掘进过程中遭遇突涌水时将会影响TBM正常掘进，这不仅会增加停机时间，严重时还会导致人员伤亡以及设备损坏，造成重大经济损失。针对TBM遇突涌水时，从TBM设备淹机预防、突涌水、大流量地下水逃生等方面提出了相应的应急预案，为类似施工提供解决思路。

关键词：TBM；引水隧洞；突涌水；技术措施

中图分类号：TV672                              文献标识码：A                                   文章编号：2096-6903（2023）11-0028-03

0 引言

随着基础设施建设的快速发展，TBM在引水隧洞、铁路隧道及城市轨道交通隧道等工程领域的应用越来越广泛[1]。近年来，越来越多的位于特殊的地形地貌和復杂地质的超大埋深超长隧洞（道） 工程开工建设，如新疆、陕西等地正在实施的水利水电等工程项目[2]。

与传统的隧道施工方法相比，TBM法掘进速率可达传统钻爆法的3～10倍，但TBM在施工过程对不良地质条件适应性较差。当TBM遭遇软弱大变形、涌水、岩爆等不良地质时，会导致TBM停机时间较长，掘进利用率降低，也会增加施工工期与成本，严重时还会造成人员伤亡。为此，本文主要针对TBM突涌水提出相应的施工应急预案，防止TBM在掘进过程中遭遇重大的停机事故。

1 工程概况

新疆某隧洞主洞长度38.253 km，采用2台TBM施工，开挖洞径7.0 m，其中：钻爆法开挖段桩号KS172+888～KS173+618，长度0.73 km；上游掘进洞段桩号KS155+000～KS172+888，长度17.888 km；下游掘进洞段桩号KS173+618～KS193+253，长度19.635 km。

该输水隧洞共发育15条较大的次级断层（f43～f51，f54～f59），产状50～85°NW∠50～88°、280～300°NE∠30～40°，断层走向与洞线方向夹角25～88°，破碎带宽度10～30 m，最宽达60 m。隧洞富水部位主要分布在断层破碎带及影响带、裂隙密集带，TBM通过时可能出现突涌水地质灾害，在掘进过程必须予以充分重视。为确保顺利通过，以超前地质预报为先导、以安全施工为前提、以控制掘进参数和加强支护为手段稳步施工。

2 施工应急预案

2.1 TBM设备淹机预防应急预案

2.1.1 超前地质预报

超前地质预报是隧洞施工最常见的预测前部岩石状态的手段之一。施工单位根据预测结果，采取相应的预处理措施，可以有效地避免因不良地质导致的卡机、停摆。可结合超前封堵注浆、超前锚杆支护等手段提前对不良地质进行处理，保证掘进施工顺利进行。

2.1.1.1 隧洞地震波法

本工程由山东大学组织的超前地质预报团队，采用地震波法对TBM掘进方向富水情况进行探明，并根据现有的地质资料做好预防准备工作。

2.1.1.2 工程地质调查法

实地踏勘与分析主要包括原地貌描绘地质走向、水文水系观测等。利用已开挖的工程地质资料，预测不良地质构造对相应隧洞的影响范围、程度、大小，提前做出预防措施，为其他超前预测预报提供先决条件。

2.1.1.3TBM掘进参数和岩渣性状的预报方法

根据TBM与岩石相互作用的状态和皮带机出渣情况，实时监测判断前方掌子面岩石的情况和变化趋势，根据不同情况及时作出掘进策略的调整[3]。TBM掘进参数的变化情况可从操作室显示屏直接观察，岩渣的变化可从操作室视频监控显示观察，也可从皮带机上的出渣直接观察[4]。

TBM掘进中，推进力大、贯入度小、振动大、扭矩变化幅度小，岩渣基本为片状，表明掌子面前方岩石坚硬、完整。推进力较大、贯入度较大、振动大、扭矩变化幅度大，岩渣除片状以外含形状各异的大石块和少量渣土，表明前方岩石较硬，但节理裂隙较发育，甚至有断层塌方。推进力较小、贯入度大、振动小，岩渣含大量渣土或非片状小石块，表明前方岩石为软弱破碎。

2.1.1.4 超前地质钻孔

当预报前方有相对规模较大的区域性断裂带、破碎段、地下水发育等地段，有必要进一步确认。采取超前地质钻孔技术，利用超前地质钻机进行钻孔取芯或钻孔出水测水压及流量，根据钻孔资料来推断隧洞前方的地质情况，采取适合的施工方案。

2.1.2 排水规划

本工程按备用排水规模986 m3/h考虑，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为主，施工期将安排专人对排水管路进行巡检，确保达到设计排水量。

主洞排水采用卧式离心泵接力方式，集中排至主支洞交叉部位桩号173+223.00 m处集水仓，然后由支洞卧式离心泵两级排至洞外废水沉淀池。洞外采用卧式离心泵一级排至渣场储水池。

支洞长5 152.2 m，纵坡11.5%，支洞最大排水规模986 m3/h，设置两级排水，其中：第一级布置在主洞桩号173+223.00 m位置，第二级布置在支洞桩号2+519.00 m位置。

上游施工段排水长度18 253 m，纵坡1/2 583，排水规模420 m3/h，高差7.1 m，为逆坡掘进、顺坡排水。排水设备按50%排水规模进行配置，即Q=210 m3/h，超过210 m3/h的水量将采取自流方式排至主洞桩号173+223.00 m集水仓，每4 000 m布置1套排水设备。

下游施工段排水长度20 000 m，纵坡1/2 583，排水规模566 m3/h，高差7.7 m，为顺坡掘进、反坡排水，采取逐级强排方式，每4 000 m布置1套排水设备。

2.1.3 地下水处理原则

具体有以下4点：①隧洞掌子面渗、涌水，出水量低于排水量50%，可以快速掘进，择机封堵；出水量大于排水量50%，停机进行封堵出水点，并进行超前堵水灌浆后继续掘进作业。②围岩裂隙或空隙浸出的滴、渗水或小股线状水，可进行引流，以改善施工环境，TBM设备掘进通过后择机封堵。③线状涌水（线流）、射流、股状涌水（股流），出水量低于排水量50%时，可以快速掘进，择机封堵。出水量大于排水量50%时，停机浅层封堵出水点，TBM通过后，进行深层灌浆封堵。④富水洞段中，常规排水规模达到设计排水规模的80%时，停机堵水。施工排水规划见表1。

2.1.4 先探后掘

突水、涌水的前兆标志是节理裂隙组数及渗水量增加，常常含有泥质物质或浑浊。在施工接近可能产生突然涌水地段时，充分利用TBM上配置的超前地质预报手段，做好超前地质预报。坚持预报在前，最大限度查明地下水狀态，先探后掘，以确保隧洞施工安全。

2.1.5 停电、设备故障处理

供电系统检修、故障停电时，按常规Q=120 m3/h排水量考虑。洞外排水设备功率75 kW，采用1台120 kW柴油发电机组供电。洞内除上游洞段考虑自流方式外，主要考虑支洞排水、下游洞段排水施工用电，总功率920 kW。在洞口设置2台550 kW应急发电机组，系统停电后，通过逆变向洞内供电排水。

TBM上配备应急发电机组和水泵，在主电源断电时，起动备用供电系统和水泵，避免水淹损坏设备。

2.2 突涌水应急预案

2.2.1 应急排水

在TBM施工过程中，若上游段（逆坡掘进）突遇涌水使TBM无法继续掘进时，立即组织人员在桩号173+223.00 m集水仓处采用砂袋筑坝拦截，防止涌水进入下游危胁下游设备与人员安全。依靠自流及上游段排水系统排入集水仓，由支洞排水系统将涌水排出洞外。

在TBM施工过程中，若下游段（顺坡掘进）突遇涌水使TBM无法继续掘进时，涌水将全部集中流向掌子面，直接危胁下游设备、人员安全。下游段排水系统配置，一般排水规模Q=435 m3/h，备用排水规模Q=566 m3/h，立即启用所有排水设备，排水能力Q=566 m3/h，根据排水能力、涌水量的平衡关系，涌水难以控制时，采取梯级筑坝、梯级存水措施，缓解排水压力。与此同时将TBM设备φ100供水管路改为应急排水管路，排水能力60 m3/h，为救援争取更多时间。在此期间增设排水管路以及排水设备，最大限度减少受淹损失[5]。下游段梯级筑坝高度与存水量关系见表2。

2.2.2 地下水封堵

通过超前地质预报预测掌子面前方地下水对围岩及排水能力的影响程度，根据预测结果可采取局部超前钻孔注浆、全周边浅层超前钻孔注浆、全断面深层超前钻孔注浆。

超前钻孔注浆可在前部隧洞围岩周围形成水泥结石层，固结围岩的同时封闭地下水通路。根据富水区的预测水量不同情况，分3种处理方式：①对高压、大涌水量的富水区进行全断面深层超前注浆堵水施工。②对低压、较大涌水量的富水区进行全周边浅层超前注浆堵水施工。③较小地下水量进行局部超前钻孔注浆。地下水处理方案流程见图1。

2.3 大流量地下水逃生预案

上游段逆坡掘进、顺坡排水，涌水向下游自流，人员受困可能性较小。下游段顺坡掘进、逆坡排水，出现突涌水后，人员可能受困，根据排水能力、涌水量的平衡关系，估算淹没高度以及淹没时间，当下游段下游水位达到1.2 m时，仍持续上涨，人员开始撤离。

2.3.1 逃生路线

一旦发生大流量涌水，现场人员通过主洞有轨运输通道逃至主支洞交叉口，然后通过支洞无轨运输通道向洞外紧急撤离逃生。

2.3.2 逃生方式

具体有以下3种：①橡胶救生筏、救生衣、救生圈。逃生时身戴救生用具防止出水过大逃离困难。②交通车辆。乘坐主洞有轨运输人车和支洞的无轨运输载人车辆。③安全逃生指示牌。悬挂紧急撤离路线指示牌，为逃生提供醒目标志。

3 结束语

本文主要介绍了TBM法施工遇突涌水段时可采取的施工应急预案，分别在TBM设备淹机预防、突涌水以及大流量地下水逃生等方面给出了详细的应急预案，为TBM遭遇涌水时提供了一些应急解决措施，从而保证TBM在遭遇涌水时可以顺利掘进，避免不必要的停机时间。

参考文献

[1] 钱七虎，李朝甫，傅德明.全断面掘进机在中国地下工程中的应用现状及前景展望[J].建筑机械，2002（5）：28-35+4.

[2] 邓铭江.深埋超特长输水隧洞TBM集群施工关键技术探析[J].岩土工程学报，2016，38（4）：577-587.

[3] 龚秋明. 掘进机隧道掘进概论[M].北京：科学出版社，2014．

[4] 王占生，王梦恕.TBM在不良地质地段的安全通过技术[J].中国安全科学学报，2002（4）：58-62.

[5] 廖有林.隧道TBM法施工遇突涌水段的预防处理措施[J].建筑技术开发，2020，47（17）：48-49.