引洮工程TBM施工极软岩隧洞段工程地质问题分析与评价

张成俭

(甘肃省水利水电勘测设计研究院 兰州 730000)

1 引言

国外的实践证明,在相同的条件下TBM掘进速度约为常规钻爆法的3～10倍[1]。

基于此,在一些发达国家TBM法已经广泛应用于矿山巷道、公路铁路隧道、水利水电隧洞以及国防地下工程的施工之中,并明确规定3km以上的隧道必须采用TBM法施工[2,3]。目前我国正在建设和规划中的跨流域大型水电工程深埋长隧道中,TBM法施工也在逐渐扩大使用。TBM法施工对地质环境的适应及综合管理水平要求较高,受到诸如岩石节理、低围岩强度、初始裂纹、地下水以及原岩应力等多种因素的综合影响。围岩大变形造成刀盘被卡,TBM施工停滞,突水涌泥、涌砂及塌方冒顶等地质灾害,导致TBM掘进效率低,对TBM施工和隧洞安全形成威胁[4]。

本文根据引洮供水工程7#引水隧洞极软岩段TBM施工的具体工程实践,探讨了TBM施工隧洞,查明不良地质地段分布、分析影响TBM施工进度,易造成掘进机被困主要地质因素的重要性。

2 工程概况及地质环境

2.1 工程概况

引洮供水工程是重点解决甘肃省中部地区干旱缺水问题,改变该地区贫穷落后面貌和生态环境恶化状况的大型跨流域调水工程,设计引水流量32m3/s,加大流量 36m3/s,引水总干渠长110.48km,其中隧洞18座、长92.97km,占总干渠长的84.2%。

引洮供水一期工程总干渠7#隧洞位于甘肃省渭源县境内,隧洞穿越东峪沟-秦祁河之间的低中山区,全长17.3km(桩号46+715～64+001),最大埋深368m,圆形断面,设计开挖洞径5.75m(净直径4.96m)。隧洞属软岩、极软岩长隧洞,地质环境复杂,施工难度大,是引洮供水一期工程控制性工程之一,采用一台单护盾TBM自出口向进口掘进,预制六边形管片衬砌。表1为7#引水隧洞工程施工计划安排情况。

2.2 地质环境

7#隧洞地处薄层黄土覆盖的基岩低中山区,新寨梁地势最高,海拔2475m,该梁北西-南东向延伸10余公里,两侧支沟属季节性河流。隧洞区位于渭源中新生代盆地,沉积了巨厚层的山麓、河湖相碎屑岩,以白垩系和上第三系地层为主。隧洞进口段3.6km洞身岩性为白垩系砂岩、泥质页岩夹泥质粉砂岩,单斜状岩层;其余13.6km围岩由上第三系临夏组 (N2L)红色碎屑岩构成,主要岩性包括泥质粉砂岩、砂质泥岩、细砂岩、粉细砂岩、砂砾岩、含砾砂岩等。隧洞所处地段受地质构造影响轻微,断裂不发育,仅分布舒缓褶皱。颗粒稍粗的碎屑岩中赋存层状孔隙～裂隙水,水量较小,具承压性。

表1 7#引水隧洞工程施工分段概况

3 隧洞围岩工程地质水文地质特征

3.1 强度特征

隧洞上第三系临夏组(N2L),按岩性、工程地质特性划分为3个工程地质岩组:①细砂岩组(由于结构疏松,也俗称疏松砂岩);②粉细砂岩组;③粉砂岩、砂质泥岩组。

对3个岩组分类进行了十余组岩石颗粒分析、物理力学试验,其干密度为2.0～2.1 g/cm3,孔隙率20%～24%,饱和单轴抗压强度多小于2.5MPa,小值平均值多小于 1MPa,变形模量 470～1000MPa。

此类岩石力学指标的水敏性很强。含水量越高,其力学强度特征值越低,天然或干燥状态下具有较高的强度和承载力,但当含水率增加时,各特征值衰减很快。含水率与抗压强度呈半对数负相关(图1)。由于水理性质差,遇水极易崩解泥化,在干湿交替条件下结构遭到破坏,很快剥落崩解(表2)。

图1 泥质粉砂岩抗压强度与含水率变化曲线

表2 各岩性崩解试验成果表

通过试验数据分析认为:此类岩石成岩作用差,岩性软弱,强度极低,属极软岩(饱和抗压强度Rb＜5MPa)。遇水易软化泥化、崩解,具承载力低,易产生塑性变形的特征。

岩性不均一,造成各岩组间力学性质差异,但均具有极软岩力学特性,岩体强度主要受含水量控制,围岩稳定性受岩体强度控制,变形破坏形式主要表现为塑性变形下的剪切破坏。

3.2 岩体结构特征

隧洞岩体主要结构面为原生结构面(岩层面),少量为裂隙面,岩体完整性较好,完整性系数0.60～0.80。

按岩性组及其岩层结构特征,上述岩体划分以下几种结构类型(表3)。

表3 围岩岩体结构划分

表4 岩体透水性试验成果表

3.3 岩体透水性

表4为经钻孔压水、注水、提水测试岩体透水性试验资料,试验结果显示隧洞各岩性组透水性相差较大;其透水性与岩石孔隙率、各粒径含量关系密切;细砂岩(疏松砂岩)透水性较强,粉细砂岩次之,泥质粉砂岩最弱。按岩土体渗透性分级,划分为弱透水、弱～微透水、微～极微透水3级。

3.4 围岩地下水分布与状态

据先行施工的7#隧洞阎家沟竖井人工开挖揭示(当时TBM设备尚未到场),隧洞疏松砂岩段地下水位较高,稍具承压性,井壁有渗水～局部线状流水(井断面直径4.4m,含水层厚约15m,经量测最大涌水量达1m3/h),施工过程中有流砂、坍塌等现象,经过施工单位积极慎重处理,竖井如期完成。

人工开挖中遇到的困难,让施工单位重点关注TBM设备对该组地层的适应性。

为此在初步设计基础上,结合TBM掘进机施工特点,通过补充勘察进一步细化了疏松砂岩含水层的分段桩号、地下水位及水化学成分、估算围岩中地下水涌水量、预测围岩掘进时突水(突泥)的可能性,分析TBM掘进机在含水疏松砂岩段地层中存在的施工困难、安全隐患等问题,为后续要进场的TBM顺利施工提供前期地质指导与预报。

补充勘察资料揭示,隧洞围岩地下水属层状孔隙—裂隙水,地下水受含水岩层的岩性控制。含水层岩性以细砂岩、砂砾岩、粗砂岩为主,泥质粉砂岩,砂质泥岩构成隔水层。

隔水层与含水层呈互层状分布,构成隧洞地下水具多层承压性结构。据钻孔勘探资料,隧洞设计高程以上分布有2～3层承压水,含水层厚者20～30m,薄者仅数米,底层水位一般高于上层水位,承压水头最高达110m(高出隧洞顶板)。经钻孔连续提水试验,孔内各层地下水均可以疏干,单个含水层最大涌水量0.62L/m·min。

受区内气候干旱,降雨稀少,地形破碎,沟谷发育等因素,地下水含水层延展性、连同性较差,围岩地下水补给能力有限,富水性不强,水量一般不大。采用水平巷道地下水动力学法和隧道单位长度最大用水量估算:10m洞段涌水量小于25L/10m·min。

由此推断,地下水位以下的细砂岩(疏松砂岩),在地质历史期已达到饱和,但由于岩体裂隙不发育,隧洞开挖后,围岩中的孔隙水在重力作用下,向临空面渗出,需要较长时间,围岩及掌子面会表现为以滴渗水为主,局部为线状流水。

4 TBM掘进机施工中可能出现的地质问题

近20多年来,TBM施工在国内被逐步推广应用,有许多成功的经验。如甘肃引大入秦30A隧洞,采用 TBM施工平均月进尺 980m,最高达1400m。

但由于TBM设备对不良地质条件的适应性较差,在隧道施工条件愈加复杂,技术要求更高的今天,对地质问题的预见和重视不够、处理不当,会酿成严重的工程事故,影响工程的安全和效益。

分析本隧洞的基本地质环境和围岩工程地质水文地质特征,TBM施工中可能出现的主要工程地质问题有隧道围岩大变形、涌水突泥、饱水洞段的地基沉陷等。

4.1 隧洞极软岩的塑性大变形破坏问题

构成7#隧道围岩的上第三系地层,由于成岩时间较短、固结较差,孔隙率大,结构“松散”。特殊的组构和力学特征,是导致其塑性变形大的根本。经理论分析,其变形的临界深度约为85m,即当隧道埋深大于该值时将发生塑性屈服。

本隧洞埋深多为200余m,最大300余m,塑性变形不可避免。科研单位对7#隧洞进行过收敛变形理论计算 ,在埋深 200、250、300、350m 时,计算径向变形值分别为11.5、18.4、27.3、39.8cm。计算结果受洞径和埋深影响较大。对上述数据用有限单元法进行的数值模拟分析显示,二者误差在10%以内。对应埋深下,塑性区的范围在7～10m,按塌落拱公式计算,塌落高度5～7m。

极软岩的塑性大变形主要表现为洞周围岩的快速收敛,严重时会导致TBM卡机事故发生。当变形造成预制管片紧贴岩壁或后面空隙太小,而无法充填豆砾石和回填灌浆,管片会出现裂缝或管片间出现错台现象。

由于单护盾TBM的推进动力要靠油缸施反力给安装好的管片,已经出现错台的管片间,由于接触面积减小,受力不均,产生集中应力,将导致错台的加剧,管片的旋转,以及新生裂缝的产生。管片结构遭到破坏,会影响隧洞的运行安全,拆除和重新安装费时费工,TBM设备在极软岩洞段非正常停机时间延长,会增加盾体被围岩收敛变形而抱死的风险。

4.2 隧洞含水疏松砂岩段突泥或流沙问题

隧道含水层岩性以细砂岩(疏松砂岩)为主,局部夹砂砾岩、粗砂岩,泥质粉砂岩,砂质泥岩构成隔水层,隔水层与含水层呈互层状分布。疏松砂岩颗粒级配以粒径 0.25～0.075mm分布居多,超过50%,颗粒间胶结程度差或无胶结,钻探中取芯困难,塌孔现象明显。

由于区内地质构造不发育,地层产状较为平缓,厚度数十米的疏松砂岩,在洞身段的分布长度可达数百米。在隧洞掘进中,扰动或破坏天然含水层,揭露、截断部分导水通道(或者揭穿承压含水层顶底板),使地下水从掌子面岩体裂隙空隙中集中涌出,伴随着围岩中细粒流失、孔隙率调整,进而可能导致疏松砂岩中的细砂颗粒顺势向临空面流动,出现流砂、坍塌问题。

TBM自桩号61+435.341进入含水疏松砂岩地层后,掘进速度逐渐开始下降,多次出现施工机械被困、C1皮带瞬间被卡死现象、掌子面坍塌严重、同时出渣量增大几到十几倍的现象。2010年10月6日12:30分左右,TBM施工至桩号60+939.83时(距离出口3061.17m),发生了突泥涌沙地质灾害,TBM施工机械被完全困死。

流沙或涌水是水—岩相互作用的结果,疏松砂岩在封闭地质环境中,长期承受高水位地下水饱和作用,隧道掘进破坏了原来的水—岩平衡,在疏松砂岩集中分布洞段出现流沙或涌水是一种大概率事件,轻则影响TBM 施工效率,重则淹埋机体,造成主要部件损害,使设备长时间不能正常工作。

4.3 隧洞地基不均匀沉陷问题

隧洞围岩岩相岩性复杂多变,极软岩岩体干湿效应显著。施工用水或地下水的运移,都会改变天然围岩含水量,如果盾体底板部位地下水或施工用水造成的积水不能及时排除,较长时间浸泡地基,会破坏岩体结构,加上盾体前部和刀盘部位重量集中,在动荷载作用下,可能存在隧洞部分地段,地基强度不能满足TBM掘进机对承载力的要求,施工中出现TBM掘进机“栽头”、洞线偏移等机头不易控制现象。

2010年11月8日,TBM盾体内及后配套拖车底部泥砂清理完毕后恢复掘进,准备快速通过疏松砂岩不良地质段。在掘进2.9m后发生了严重的TBM“栽头”,经数次增大推力恢复掘进,栽头趋势依然很明显,且造成后部管片大面积破损、开裂,再次停止掘进。

在TBM停机过程中,刀盘位置仍存在继续下沉现象,这是10月 6日以来,地基遇水长期浸泡,岩体结构遭到破坏而软化泥化直接导致的。

5 防治措施建议

(1)在极软岩洞段开挖时,要充分考虑围岩的收敛变形对施工的影响,加强各工序、各环节组织管理,尽可能减少TBM掘进机的停滞时间,以减小盾体被挤压的风险。为了使盾体在受到轻微挤压时仍能快速通过,可在盾体外壳涂抹油脂类物质,以减少护盾与洞壁之间的摩擦阻力。

(2)对埋深较大的极软岩洞段,由于总变形量较大,可以通过适当超挖,加大隧洞开挖直径,增大护盾与围岩之间的间隙,给围岩收敛变形留足较大空间。根据对隧洞围岩在不同埋深处收敛变形值的理论计算模型计算结果,考虑其变形特征和时段的分布规律,建议预留变形量选取9～13cm。

(3)疏松砂岩分布洞段,可能出现流沙或涌水地质灾害,建议施工中应结合勘察分段资料,充分利用TBM自带的围岩预报系统和自带超前钻机,加强前方围岩事先探测,并根据具地质情况进行预先固结处理,减少灾害的发生或损失。

1 王思敬.中国岩石力学与工程世纪成就[M].南京:河海大学出版社,2004:582-597

2 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):28-36

3 苏华友,任月宗,薛继洪.不良地质条件对TBM施工的影响与探讨[J].中国钨业,Vol,24,No.2:44-47

4 戴永浩,陈卫忠等.大坂膨胀性泥岩引水隧洞长期稳定性分析.岩石力学与工程学报[J],Vol.29 Supp.1:3227-3234

5 甘肃省水利水电勘测设计研究院.7#洞补充勘察工程地质勘察报告[D]

6 甘肃省水利水电勘测设计研究院.上第三系红层隧洞围岩工程地质特性研究报告