城市深埋隧洞TBM施工超前地质预报体系及应用

叶焰中 高健 罗来辉 孙云志 胡坤生 冯建伟

摘要：针对城市深埋隧洞TBM施工的特点，分析了施工中超前地质预报环境、各预报方法的适应性，研究提出了以地质分析为核心，物探为主，长短预报距离相结合、定性定量相结合、多种物性参数相结合、多种方法相互应证的综合预报体系。将该体系应用于深圳罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程，为该工程的超前地质预报提供了有力的技术支撑。研究成果可供粤港澳大湾区类似的城市TBM施工超前地质预报参考。

关键词：城市深埋隧洞； TBM施工； 超前地质预报； 罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程； 粤港澳大湾区

中图法分类号： TV53

文献标志码： A

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

0引 言

许多城市因建筑密集，加上地铁和综合体开发，浅层地下空间利用难度和成本都越来越大［1］，因而逐步寻求利用深层地下空间，如建设各类深埋隧洞工程。城市浅埋隧洞一般采用矿山法、盾构法及顶管法等施工方法，而深埋隧洞由于大多位于硬质岩层中，常常采用TBM法施工。

城市人口密集，高楼林立，地面与地下建筑物众多，各类管线密布，深埋隧洞施工安全风险大。TBM施工虽具掘进速度快等优点，但地质适应性差，国内外已发生多例事故，如引红济石工程存在突水涌泥、软岩大变形，致卡机66次，TBM停机长达3 a；广深铁路客运专线狮子洋隧道大规模塌方，造成人员伤亡，严重影响施工进度。采用超前地质预报可避免或减少该类事故的有效手段，已成为大家的普遍认识。

当前国内外在钻爆法开挖的隧道（洞）中超前地质预报的理论技术研究与工程应用方面已经取得了重要进展和良好的效果，但由于TBM施工隧洞环境具有特殊性和复杂性，其超前地质预报的研究与应用还进展缓慢，仍然是国内外公认的难题［2］。近年来，国内各行业发布了一批超前地质预报规范，如T/CECS 616-2019《隧道施工超前地质预报技术规程》、DL/T 5783-2019《铁路隧道超前地质预报技术规程》及GB 50487-2008《水电水利地下工程地质超前预报技术规程》，这些规范多为钻爆法超前地质预报的技术要求，国内未见针对TBM施工的超前地质预报规程规范。面对日益增多的城市深埋隧道（洞）工程，本文研究提出一套适于城市深埋隧洞TBM施工的超前地质预报体系，以为该类工程的超前地质预报技术作有益探索。

1城市深埋隧洞及其TBM施工特点

本文研究的城市深埋隧洞（道）一般指分布于城区埋深大的铁路隧道、公路隧道及引（排）水隧洞等，区别于山岭深埋长隧洞（道），也不同于埋藏较浅的城市轨道交通、市政隧道，主要有以下特点。

（1） 埋深大。GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》规定：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浅层建设空间极其有限，一般各类建（构）筑物数量及类型分布众多，高楼林立，地下管线（道）密布。如各类房屋，地铁、高铁、公路等交叉建筑物，通信、电力、燃气、供（排）水管线等。此外还可能涉及对环境要求高的生态环境区、地表水体等。

（3） 地质条件复杂。隧洞埋深大，大多位于基岩内，可能涉及断层破碎带、富水体、软弱岩层、深风化槽、不整合接触带、蚀变岩体、高地应力及有毒有害气体等不良地质。

（4） 施工安全风险大。受不良地质影响，深埋隧洞可能遭遇突泥涌水、岩爆、塌方、卡机、埋机等重大灾害，还可能引起地面沉陷等次生灾害。不但可能造成施工人员伤亡，设备受损，影响工程施工进度；还可能使地面及浅层建（构）筑物变形、损毁，影响其正常安全使用功能，如房屋倒塌、道路（桥梁）中断、管线破裂，影响城市交通、信息、生产及生活，甚至人员伤亡。近年来国内城市地铁施工已出现过多起安全事故。

城市深埋隧洞大多位于硬质岩层中，一般多采用TBM施工方法。TBM施工的优劣对比如表1所列。

2TBM超前地质预报体系

城市深埋隧洞TBM施工风险大，超前地质预报可预报掌子面前方不良地质体的位置、产状及其围岩结构的完整性与含水的可能性，为正确选择掘进方式、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、塌方、岩爆等地质灾害及时提供信息，以便采取相应施工预案，保证施工安全。

相对于传统的隧道钻爆法施工，TBM掘进对地质条件和岩石力学参数的依赖性较强，掘进面前方地质条件的准确及时获知对于TBM安全高效掘进至关重要。为保障TBM施工安全，超前地质预报工作将发挥不可替代的作用。

2.1TBM施工环境特征

TBM施工环境具有“封闭性、空间小、干扰大，时间短”的特征（图1）。① TBM依靠刀盘切削岩体向前推进，掌子面被刀盘挡住，无法直接观察掌子面地质情况，双护盾TBM四周还有护盾、管片保护，基本在一个封闭的空间作业；② TBM体积庞大，占据了工作面后方大部分隧洞空间，导致可用于超前地质预报的空间十分狭小；③ TBM具有复杂的电工系统与金属结构，电磁干扰十分严重；④ TBM掘进速度快，工序衔接紧密，进行超前地质预报的时间短。

2.2隧洞围岩物性参数特征

影响TBM施工的因素众多，其中隧洞围岩物性参数是重要的地质因素。隧洞围岩物性参数主要有岩石的单轴抗压强度Rc、磨蚀值CAI、岩体的完整性系数KV、破碎带宽度L、渗透系数K、单位涌水量q、最大地应力σm等。

（1） 岩石单轴抗压强度Rc大小直接影响TBM掘进速度。一般而言，Rc在40～75 MPa时，TBM施工效率高，大于150 MPa与小于15 MPa时不利于TBM施工。

（2） 磨蚀值CAI是是反映刀具磨损及掘进速度的重要参数。指数越高，机械磨损越严重，停机换刀次数与时间越多，影响掘进速度。根据大量工程实例，TBM在低—中等耐磨性围岩中掘进速度较快。

（3） 岩体的完整性系数KV是影响TBM掘进效率的重要地质因素。一般情况，岩体完整性高时，TBM掘进慢，反之则速度快，但完整性太低，如呈碎裂或散体状时，围岩不能自稳。根据工程经验，0.45≤KV≤075时，TBM掘时效率最高。

（4） 破碎带宽度L对TBM施工影响较大。L＜5 m，TBM可采用调速等措施直接通过；10 m＜L＜30 m，需对破碎带采取处理措施；L＞30 m时，则需开挖支洞处理。

（5） 围岩渗透系数K＞10-2 cm/s时，易产生涌水突泥，不利于TBM施工；随着渗透系数的减小，TBM施工条件越好。

（6） 单位涌水量q越大，隧洞遇到突涌水风险越高，TBM适应性越差。

（7） 最大地应力σm也对隧洞施工存在较大影响，对于深埋软弱地层，高地应力往往导致隧洞围岩产生大变形与岩爆，是危及施工安全的主导因素。

2.3综合超前地质预报技术方案

隧道施工中会揭露不同类型的不良地质体，如断层破碎带、含水构造等，每种不良地质体的地质属性和地球物理响应有很大差异，预报重点也有所不同。因此针对不同类型的不良地质体探测所采用的超前地质预报方案不是一成不变的，应根据其地质属性与地球物理响应，制定差异化且有针对性的综合超前地质预报方案，实现多种超前地质预报方法的优化组合，为实际工程中综合超前预报工作的实施提供决策依据。

每一种超前预报方法都有其适用条件和优缺点，针对不同类型的不良地质情况，应该选择合适的超前地质预报方法。隧洞施工超前地质预报方法有3类，即地质分析预报法、物探探测预报法、超前钻探法。此外，对于城市深埋隧洞（道），地表及浅部分布有许多敏感建（构）筑物，将洞内地质观测与洞外监测（以下简称内观及监测）纳入超前地质预报对预防地面塌陷等次生地质灾害具重要意义。

TBM施工隧洞环境对许多常规预报方法具较大影响，甚至无法实施。经分析比较及总结工程经验，适于TBM施工隧洞环境的超前地质预报方法主要有地质分析法、地震波法、电法、超前钻探法、内观及监测等，其中地震波法中TGS、TRT、HSP法及电法中激发极化法效果相对较好，应用较广。根据TBM施工超前地质预报方法的选择原则，结合城市隧洞的特点，研究形成了多种物性参数相结合、多种方法相互印证的城市深埋隧洞综合超前地质预报方案（表2）。

2.4TBM超前地质预报实施原则

根据TBM超前地质预报“精细化、定量化、综合化”的发展方向，融合地质、物探、施工、监测等多学科知识，参照类似工程经验，拟定以下城市隧洞TBM超前地质预报实施原则：

（1） 重视TBM施工环境。TBM施工环境复杂，必须重视施工环境对预报工作实施及预报成果精度的影响。

（2） 加强内观与监测。相对山岭隧洞，城市隧洞施工风险高，应加强洞内涌水量、地温、有毒有害气体的观测及地表敏感部位与建筑物的沉降、地下与地表水水位的监测，保证施工及地表建筑物的安全。

（3） 以地质分析为核心，以物探为主。将地质分析贯穿整个预报工作全过程。在预报过程中，要充分利用物探手段获取掌子面前方不良地质体等信息。

（4） 长短预报距离相结合。采用地质分析方法时，利用已有与施工时获取的资料进行宏观分析预测，再进行进行长距离预测，最后采用激发极化法、超前钻探法及内观与监测进行中、短距离补充。

（5） 定性与定量相结合。地质分析法与超前钻探主要对地层、不良地质体等作定性判断，物探预报方法与监测成果多提供定量分析，在预报实施时需相互结合，相互印证。

（6） 多种物性参数互补。充分利用勘察成果中岩体力学参数，物探方法、监测所获取的物性参数进行综合分析，相互印证，相互补充。

3工程应用

3.1工程概况

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程深圳境内两个配套项目之一，工程位于深圳市西部城区，由1条输水干线隧洞与6条支线隧洞组成。干线隧洞长约21.7 km，隧洞内径5.2 m，主要采用TBM法施工；支线隧洞采用钻爆、顶管及明挖法施工。

该工程沿线分布变质岩、沉积岩及侵入岩三大类，涉及震旦系、奥陶系、三叠系、侏罗系等7大地层，岩性复杂，软硬不一；隧洞穿越6条较大规模断裂；隧洞下穿茅洲河、松岗河、阿婆髻水库等多处水体；存在断层破碎带、风化深槽、软弱围岩等9类不良地质体，地质条件复杂。隧洞TBM施工存在风化深槽引起的隧洞涌水、围岩变形问题，断裂引起的隧洞涌水、围岩变形问题，软弱围岩变形问题，下穿地表水体段围岩突水（泥）问题，有毒有害气体问题及高地温与热害问题。

3.2TBM超前地质预报实施方案

根据场地影响TBM施工的岩性、构造、隧洞围岩参数、围岩级别及不良地质体性质等，分析研究形成了罗田水库—铁岗水库干线输水隧洞TBM施工超前地预报分段实施方案（表3）。

4结 语

本文针对城市深埋隧洞，结合TBM施工特点，从TBM施工环境特征入手，分析了隧洞围岩物性参数特征，根据不良地质体的地质属性和地球物理响应，选择了适于TBM施工环境的超前地质预报方法，并强调了“内观与监测法”对城市隧洞施工超前地质预报的重要意义。经分析对比及总结工程经验，形成了多种物性参数相结合、多种方法相互应证的城市隧洞综合超前地质预报方案。同时提出了重视TBM施工环境，加强内观与监测，以地质分析为核心。以物探为主，长短预报距离相结合，定性与定量相结合，多种物性参数互补的实施原则，构成了城市深埋隧洞TBM施工超前地质预报体系。该体系已成功应用于深圳罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程，为该工程的超前地质预报提供了有力的技术支撑，可供粤港澳大湾区类似工程的TBM施工超前地质预报参考。

参考文献：

［1］林忠军，深层隧道排水系统在城市排水规划中的应用［J］.城市道桥与防洪，2014（5）：143-147，13.

［2］高健，徐磊，彭扬平，等.深埋长隧洞TBM施工超前地质预报与综合信息管理关键技术研究报告［R］.武汉：长江勘测规划设计有限责任公司，2021.

［3］揣连成.TBM施工中综合地质预报技术及施工对策研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

（编辑：黄文晋）