长深埋硬岩TBM施工输水隧洞重难点分析及管控

陈 诚，张 宇

(1.新疆水发建设集团有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000；2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819)

1 概述

随着水利水电基础工程施工技术的迅猛发展，特长深埋输水隧洞建设数量快速增长，相关工程呈现超长、深埋的特征[1]。在特长深埋输水隧洞施工过程中，存在隧洞埋深大、洞线长、地质条件和施工条件复杂等诸多问题，对TBM施工进度造成显著影响，TBM施工过程中塌方、岩爆等地质灾害严重影响掘进速率以及设备和人员安全，逐渐成为制约特长深埋输水隧洞施工效率的关键。断层破碎带作为特殊的地质构造，常常是影响TBM顺利掘进的重难点[2]，新疆某引水隧洞工程中，TBM穿越T4支洞0+717—0+750段多次穿越断层破碎带，期间TBM进尺较低，多次发生卡机事故，严重影响掘进效率[3]，2018年7月2日广西桂中治旱乐滩水库引水灌区北干一标段TBM穿越断层破碎带时发生严重卡机[4]；此外，岩爆作为一种动力灾害，逐渐成为严重影响深埋超长隧洞的安全施工的重要因素，锦屏引水隧洞施工期间发生“11.28”极强岩爆，导致TBM被埋，多人受伤，造成严重的经济损失和人员伤亡[5]。

本文结合新疆某引水隧洞工程实践，从复杂地质条件、长距离运输、刀具选用、长距离皮带机选用等方面分析影响特长深埋隧洞工程施工进度的主要因素，进而把握对特长深埋隧洞工程施工进度的管控要点。

2 工程概况

某深埋TBM隧洞主洞长度41.0km，采用2台TBM施工，TBM总掘进长度40.27km，为独头掘进，隧洞埋深631～791m，隧洞以Ⅱ类围岩为主，总长20.726km，占比约50.55%，隧洞穿越区域岩性主要有钙质砂岩、凝灰岩、凝灰质砂岩、志留系片理化凝灰岩、花岗岩夹黑云母花岗岩。根据地形地质及施工分段规划，其中TBM有2个施工段，平面布置如图1所示。

图1 平面布置示意图

3 TBM施工进度重难点分析及管控

3.1 复杂地质条件

本标段隧洞开挖可能遇到的不良地质问题主要有：突涌水(泥)、断层、塌方、岩爆等。根据隧洞段初步围岩分类，隧洞开挖过程中需通过较大断层带6次，断层岩体稳定性差，对围岩稳定性具有显著影响。对于可能遇到的不良地质问题，坚持“先探后掘”的原则，采用超前预报和长、短距离超前地质预报的预报机制，构成隧洞施工的地质综合预报体系，进行不良地质预报，将预报信息适时传输至工程信息管理系统，通过预报来降低风险。同时制定应对各种不良地质条件情况下TBM施工方案、防护措施、应急预案。根据地质预报预测情况，针对各种不良地质地段，采取合适的掘进模式和支护参数，确保人员和TBM设备的安全，保证TBM设备正常运行。

3.1.1突涌水(泥)

该标段主要为贮存于断层破碎带、裂隙密集带的基岩裂隙水。开挖结果显示，上述地质区域大多以渗水、滴水为主，局部出现线状流水，如图2所示。针对可能存在的突涌水(泥)掘进段，应结合日常地质描述，首先采用超前地质预报法，预报掌子面前方的围岩构造和含水情况，按“早探明、预注浆、快封闭，先探后掘，堵排结合，节制排放”的原则进行施工，尽可能地减少涌水对施工造成灾难性的影响。

图2 地下水特征

2022年4月19日，K229+685—698掘进段段围岩条件较差，现场出现大范围线状流水和滴渗水特征，如图3所示，统计表明该区段现场涌水量86.32m3/h。为保证施工安全有序推进，对该区域开展突涌水治理工作，严格遵守“早探明、预注浆、快封闭，先探后掘，堵排结合，节制排放”的原则，现场采用GEI综合电仪法对K229+698—K229+728段在该区域开展超前地质预报，如图4所示，三维点电阻率图像中电阻率值整体较低，推断该区域围岩以出现滴渗水和线状出水。开挖至K229+725时，掘进涌水量达185.35m3/h，现场及时停机，为保证堵水效果及施工便捷性，待TBM通过该区域后对该区域开展进一步堵水工作，对现场散水区域进行环向和纵向帷幕止水灌浆孔钻孔，采用纯压式灌浆，待表面封堵和浅层灌浆完成后，将涌水最后汇集到主水孔中，引流孔堵水灌浆采用分段灌浆。通过现场数据记录、测量队灌浆堵水效果进行评价。堵水结果表明，堵水后渗水量为21.2m3/h，灌浆堵水后封堵效果减水率大于80%，且隧洞洞壁不再出现线状流水，堵水效果满足设计掘进要求，如图5所示。

图3 K229+685—698附近滴渗水

图4 K229+698—K229+728超前地质预报结果

图5 现场堵水效果

3.1.2断层破碎带

该标段内无区域性大断裂通过，但发育f67～f71、f71-1共6条较大的次级断层，产状70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，断层走向与洞线方向夹角20°～60°，破碎带宽度10～30m，带内以糜棱岩、碎裂岩及断层角砾岩为主。掘进期间，于f69发生大范围塌方破坏，塌腔深度最深10.3m，造成现场工期延误长达18天。为此，提出了“先探后掘、超前处理、紧跟加固”的掘进原则，做到“早探明、预加固，少扰动，强支护，勤量测，快封闭”。采用超前地质预报的方式，对未掘进区域地质条件进行探明，采用固结灌浆(化学灌浆)技术措施加固围岩和堵水后，根据破碎地质的规模、性质，采用大管棚、小导管等超前支护或超前注浆固结地层等措施，再进行TBM掘进。

2021年11月15日TBM穿越f69断层破碎带时，为保证TBM顺利通过，现场采用超前地质预报进一步得到消息的地质条件，随后对护盾区域附近围岩采用固结灌浆的方式加固围岩，同时缩短钢拱架间距，并封闭围岩，后续监测表明，钢拱架发生轻微下沉，但在允许范围内，该方法有效地保证了围岩的稳定性，促进了TBM顺利通过。

3.1.3塌方

该标段断层破碎带、影响带、节理裂隙密集带和Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段，以及存在不利结构面组合的洞段，存在发生塌方的可能性[6]。TBM穿越不良地质段可能遇到洞室不同部位的塌方，现场统计了K229+200—K231+528区段塌方发生位置，如图6所示，结果表明，塌方主要发生于护盾顶部附近10～2点钟附近，此外9～10点钟方位、2～3点钟方位也有分布。受限于TBM结构影响，掌子面前方地质条件往往无法直接观测获取，为此，开展超前地质预报有助于获取掌子面前方地质条件，一定程度上可以获取到前方塌方风险，为进一步施工准备提供参考。

图6 塌方区域占比

图7是K232+270—232+370段超前地质预报结果图，由图7可知K232+270—320段正负反推明显，由此推断该区段围岩较为破碎，节理发育，易发生塌方；K232+320—370段围岩较上一区段有变好趋势，易发生掉块，局部可能存在塌方。根据监测结果，现场及时准备支护材料，最终K232+277—298区段发生多次塌方。由于现场及时支护，有效提高了现场施工效率。

图7 K232+270—370超前地质预报成像图

3.1.4岩爆

岩爆是一种复杂的动力性地质灾害，随着越来越多的地下工程向深部进军，岩爆逐渐成为制约工程安全开展的重要影响因素[7-8]。本标段隧道沿线地应力高，最大主应力为36MPa，以水平主应力为主，整体为华力西期花岗岩夹黑云母花岗岩，沿线以Ⅱ类和Ⅲ类围岩为主，整体占比超80%，具备较高的岩爆风险[9]。K228+235—K231+358施工期间，岩爆段长度约1021.35m，占比约32.8%，其中中等岩爆占比约62.55，长度640.7m，掘进期间发生了两次典型岩爆。微震监测作为岩爆预警的最有效手段之一，已经被广泛应用于深埋隧道工程，因此为保证施工人员和设备安全，现场采用东北大学自主研发的SinoSeism(SSS)微震监测系统[10]，通过岩爆微震监测预警结果，及时掌握岩爆等级和位置，并采用相应的支护方案开展支护，保证现场施工安全。不同岩爆等级应采用应相的支护方案，本文以隧洞掘进期间发生的一次中等岩爆为例，详细阐述其防控过程，此外，轻微岩爆和强烈岩爆等支护方案可以参考文献[11]。

2021年3月16日10：00至3月18日9：00，微震监测系统捕捉到岩石破裂时间69个，累积微震释放能为339026.8J，微震事件主要分布于10～1点钟方位，现场地质条件调查表明，围岩干燥且完整性好，综合考虑预警中等岩爆。3月19日现场地质踏勘表明，3月18日16点30分于K229+630～632.8附近10点～12点钟方位发生中等岩爆，爆坑深度0.68m，与微震事件空间分布具有较好的一致性，如图8所示；现场施工人员反馈，岩爆发生时有显著的噼啪声响和闷响声。为保证施工安全，现场施工人员听到岩爆声响后立刻撤离护盾附近，待岩爆声响消失后，根据现场包坑揭露深度判定为中等岩爆，采用HW125钢拱架和φ22mm的钢筋排进行支护，同时采用低速率掘进，并对护盾附近进行高压喷水，软化围岩。后续微震监测结果表明，该区域不再产生微震事件，同时无破坏发生，随着时间推移，该区域微震活动区域平静，围岩应力调整结束。

图8 岩爆预警结果及验证

3.2 运输调度管控

该标段T5支洞总长6.4km，综合坡度11%，最大坡度11.8%，支洞高差达700多米，支洞断面直径为8.5m，洞内有11个错车段(含3个会车洞)，间距约为450～700m，内部轴向架设有风道、料渣传送带、输水管道、电力线缆、通信现缆、照明灯、电台用无线通信中继基站等设备。由于支洞内存在多种设备，实际留给车辆安全行驶的有效空间为4m×4m(截面尺寸)，T5支洞空间分配示意图具体如图9所示，T5支洞现场情况具体如图10所示。另外该标段独头掘进距离长，TBM9掘进长度19.635km，TBM10掘进长度20.635km，长距离独头掘进施工对施工运输有较高的要求。因此该标段的主支洞物料运输、调度管理是该标段的重点和难点。

图9 支洞空间分配示意图

图10 支洞现场图

T5支洞平均每500m布置一个错车平台，每2000m布置一个回车洞。洞外各材料存放点或加工点到TBM服务区采用无轨方式运输，组装洞室至TBM掘进机施工点采用有轨运输。TBM9、TBM10掘进、衬砌、灌浆原材料都从T5支洞进入，采用2台20t自卸汽车进行运输，洞内拌合站需要的水泥、粉煤灰采用1台15t胶凝材料罐车运输。主洞内TBM9有轨运输距离最长约21km，TBM10有轨运输距离最长约20km，每5km设置一个错车平台，TBM在掘进过程中，作业面需要的钢枕梁、喷浆料、拱架、网片、锚杆、水泥等采用4台CFL-150DCL德国SCHOMA内燃机轨道运输牵引机车。为便于主支洞交通顺畅安全，主支洞调度采用由盾构及掘进技术国家重点实验室开发的“长距离隧道施工智能调度管理系统”，该系统集成无线定位系统、避让系统、调度系统、管理系统、网络传输系统为一体，高效的解决了目前长距离隧洞内的调度管理混乱的问题，大幅度提升了隧洞施工期的运输能力和安全性。

3.3 设备选用

3.3.1TBM刀具的选用

根据不同的围岩地质条件，不同的刀具属性和刀具布置形式对TBM的掘进速度都会有很大的影响。选择合适的刀具，既能有效控制施工成本，还能对施工进度起到一定的提升。该标段石英含量高(最高达35%)、岩石抗压强度大且凝灰质砂岩段较长，硬岩段掘进造成刀具磨损严重。砂岩段有水会造成裹刀现象，导致刀具偏磨。试掘进期间，刀具紧固螺杆频繁断裂，刀具查看时间延长，同时设备厂家提供刀具为宽刃刀，耐磨但贯入度过低，提供窄刃刀后正常磨损过快，更换螺杆及刀具总时间较长，影响TBM掘进。

(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，该硬度范围保证了刀圈在硬岩和极硬岩下的耐磨性能达到上述硬度的同时，刀圈的韧性也控制在一个合理的范围内。刀圈的韧性保证了刀圈的使用强度，有效减少了刀圈的崩刃、断裂等异常损坏，在使用过程中切削截面变化较小，保证了刀圈磨损过程中一直保持的贯入度。

(2)轴承。全部采用铁姆肯重载轴承，且均为铁姆肯原厂的正品。

(3)金属密封。采用德国进口的格茨密封，且均为Federal Mogul原厂的正品。

(4)刀轴、刀体等结构件。刀体、刀轴的配合面均经过相应的热处理和局部硬化，硬化层深度富裕度高，确保使用过程中避免出现松动等现象，同时显著提高了使用寿命。

(5)刀具装配及修复。根据工程实际工况，完善一整套完备的刀具装配及修复流程。装刀人员均经过严格专业培训与考核，具备独立的故障判断、检查、装配及修复能力。所装配和修复的刀具，达到了良好的使用要求。

项目部对力天重工厚刃刀(22.3mm)和罗宾斯窄刃刀(19mm)的2000m掘进使用对比分析，见表1。可以看出，TBM10针对高石英含量、高硬度花岗岩采用罗宾斯窄刃刀对TBM掘进效率提升有较大提升。

表1 TBM10刀具性能分析

3.3.2皮带机选用

该标段TBM9掘进段连续皮带机长度21km，TBM10掘进段连续皮带机长度20km，因此如何保障连续皮带机长距离安全高效运行是该标段的重点。主洞连续皮带机是出渣系统中最关键的环节，连续皮带输送系统由可移动的皮带输送机尾部、皮带存储及张紧机构、变频控制的皮带输送机驱动装置、助力驱动装置、皮带托滚及支架、调心轮、皮带输送机卸载机构、输送带、皮带打滑探测装置、皮带接头、变频控制系统、应急拉索、皮带硫化机等组成。

长距离皮带张力平衡的重点和难点包括：长距离皮带自身弹性导致张力不均衡、长距离皮带需将其张力降至最低状态从而保证启动时皮带不打滑、长距离皮带机加力站与加力站、加力站与首部驱动站之间的皮带张力平衡、皮带机上渣料分布不均时导致的皮带张力不均衡、皮带机延伸过程中由于长度增加而使得皮带张力实时发生变化，通过PLC控制实现整条皮带机皮带张紧力的平衡同步，同时皮带满足驱动电机的启动前3min(速度10%以内)为慢升速阶段，便于紧急情况下的人员逃生。

重视皮带机的选型，皮带机的输送能力需满足最高掘进速度的要求，并留有一定的余量，以应对突变的荷载并能有效地转运大量堆积的岩渣[12]。皮带机出渣系统应具有调速、调向、自动清理、刮渣、防跑偏、耐磨、防滑等功能，胶带机控制系统有故障自动诊断、显示、报警功能[12]。选用高强度的胶带，是完成本标段全部岩渣输送的关键。此外，支洞固定皮带机坡度较大，现场应具备防止皮带反转的措施。此外，长距离的连续皮带机出渣对系统的性能及利用率提出了很高的要求，为了提高其利用率，必须对皮带进行定期和不定期的维修保养。

4 结语

复杂地质条件、长距离运输、刀具选用、长距离皮带机选用等问题是特长深埋硬岩TBM施工输水隧洞施工过程中的重难点。本文以新疆某深埋TBM隧道为研究背景，详细分析了岩爆、塌方、断层破碎带、突涌水等地质灾害的防控方法，采用超前地质预报和微震监测预报等技术手段能够有效保证现场施工效率以及设备和人员安全。同时，通过优化资源配置，合理组织施工，采用“平面多工序，立体多层次”的组织工序，从运输调度管控和设备选取方面实现工程的均衡快速施工，研究成果能够为相近深埋TBM工程提供参考。