TBM施工隧洞常见地质灾害及其预测与防治措施

杨继华, 杨风威, 苗　栋, 张党立

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州　450003)

0　引言

TBM是集机械、电子、液压、控制等技术为一体的自动化隧洞开挖衬砌成套设备，其隧洞施工具有快速、高效、优质、安全及环保的技术特点,已广泛应用于水利水电、交通、国防及市政等隧洞工程施工中,其掘进速度一般为传统钻爆法的3～10倍[1-4]。

TBM施工的隧洞多为长大隧洞,相对于短隧洞,长大隧洞一般要穿越多个不同的地质、地貌和构造单元,施工中发生地质灾害的可能性较高。由于TBM设备庞大,对不良地质条件的适应性远没有钻爆法灵活,施工中一旦发生地质灾害,轻则工期延误,重则人员伤亡、设备损毁。针对TBM施工中的地质灾害,多位学者和技术人员进行了相关研究,并得出了一些有益的结论,尚彦军[5]等对印度克什米尔、中国云南和台湾省3个TBM施工隧洞的地质灾害进行了分析,并对TBM遇险最终被常规钻爆法的失误进行了反思;罗志虎等[6]针对锦屏二级水电站引水隧洞岩爆地质灾害进行了研究,分析了其发生规律、影响范围及危害程度并提出了相应的对策;车晓明[7]列举了TBM施工中的主要地质灾害并提出了相关勘察工作建议;刘波[8]以引黄工程全断面双护盾掘进机为例,对断层破碎带塌方引起的卡机地质灾害进行了分析,提出了超前探测、超前灌浆等处理措施;袁亮等[9]研究了锦屏二级水电站引水隧洞TBM所遇的突涌水地质灾害并提出了施工对策。

本文对TBM隧洞施工常见的地质灾害类型、超前地质预报方法及针对不同地质灾害的处理措施进行系统总结,相关研究结果可以为TBM选型、施工处理提供参考。

1　TBM施工常见地质灾害

1.1　断层破碎带塌方

当隧洞穿越大的地质构造带时,往往伴随着断层发育,断层宽度从数米到数百米不等,断层带内一般岩体破碎、风化程度高、岩石强度低、富含地下水,围岩稳定性差,特别是断层走向与洞轴线小角度相交时,对隧洞围岩稳定性更为不利。当TBM掘进性,在刀盘的扰动下,隧洞掌子面和洞壁围岩容易塌方,当塌方量较大时,对于护盾式TBM,塌方岩体堵塞刀盘或堆积在护盾顶部造成“卡机”;对于开敞式TBM,塌方岩体会进入TBM主机,掩埋设备,处理起来十分麻烦。如云南昆明上公山引水隧洞、中国台湾雪山(坪林)公路隧道在施工中多次塌方,严重延误了工期,最终导致TBM被拆除改用钻爆法施工,给业主和施工承包造成了巨大的损失。另外,断层岩体软弱破碎、岩石强度低,无法为TBM的支撑靴提供足够的接地比压,必须对撑靴部位进行换填或加固,导致掘进速度缓慢,增加工期和施工成本。

1.2　软岩大变形

当TBM在深埋软岩地层中掘进时,在高地应力作用下,软岩会发生较大的塑性收敛变形,由于TBM护盾与开挖洞壁之间的空间很小(一般<5 cm),容许围岩变形的空间有限,当变形量过大时,则会导致围岩“抱死”护盾,引起“卡机”事故。如万家寨引黄工程双护盾TBM掘进至桩号48+190.477时,在停机的2 h内,快速收缩的围岩将护盾紧紧箍住,围岩变形速率达到3～4 cm/h,即使将操作推力调到最高,也无法使TBM移动,最后采取在护盾外人工扩挖软弱岩石35 m3,TBM才得以重新启动[10]。软岩大变形还会造成管片安装与豆砾石回填灌浆困难,或引起已安装好的管片损坏,出现裂缝、错台等。

1.3　岩爆

岩爆是高地应力状态下地下洞室中围岩脆性破坏时应变能突然释放造成的一种动力失稳现象,其表现为岩石的片帮、剥落、岩石弹射抛掷等。对于TBM施工隧洞,岩爆直接威胁到施工人员的人身安全、设备安全,导致TBM掘进速度降低,初期支护难度、工程量、时间、成本大幅度增加[11-12]。锦屏二级水电站施工排水洞在前101 d内,仅掘进1 027 m,期间规模较大的岩爆就发生了3次,受岩爆影响长度为214 m,其中中等以上岩爆长度36 m,每次都不得不停机处理,不能发挥TBM快速掘进的优势,而在2009年11月28日掘进至SK9+283时的发生的极强岩爆更是使TBM受到毁灭性的破坏[13]。西康铁路秦岭隧洞岩爆也频繁发生,成为TBM施工中的主要地质灾害之一。

1.4　涌水

当掘进过程中突然遭遇涌水时,地下水直接冲淋或浸泡设备,损坏设备器件,影响正常的掘进施工,甚至会威胁设备和人员的安全,制约TBM掘进速度,特别是当TBM顺坡掘进时,如果遇到大量的涌水无法及时排出,则TBM有被淹没的危险。如在桃花铺一号隧道IDK196+010～IDK196+130段,主要岩性为大理岩,节理、裂隙发育,宽张；局部地段溶蚀较严重,地下水发育,多股状涌水,面状出水,初期最大涌水量达1 829 m3/d。锦屏二级水电站引水隧洞截至2010年底,1号TBM和2号TBM实际遭受大小不同的地下水近30余次,其中集中出水较大的突涌水4次,最大涌水量达到1.5 m3/s。涌水处理难度大,会占用大量的施工时间,降低TBM的掘进速度。

1.5　其它地质灾害

TBM隧洞施工中除了以上四项主要的地质灾害外,其它的地质灾害还有溶洞、高地温、瓦斯及有害气体等。如1985年施工的广西天生桥二级水电站引水隧洞沿线岩溶发育,泥石流最大涌出量达1.0×104m3,最大涌水量达到3.8 m3/s,严重影响TBM掘进进度,累计10年仅掘进了7.5 km。当TBM在含煤系地层掘进时,岩层中常含有CO、CH4等易燃、易爆及有害气体,严重威胁到人员及设备的安全[14]。

2　地质灾害超前预报

超前地质预报在TBM隧洞施工中具有重要的作用。通过超前预报可以查明掌子面前方不良地质体或地质灾害“危险源”的类型、位置及规模,并对可能造成的地质灾害提出预警,从而事前做好施工预案,将地质灾害造成的时间、经济损失降到最低,保证TBM顺利、安全的施工。目前TBM隧洞施工超前地质预报方法较多,但归纳起来可分为两类,一类是直接方法,一类是间接方法。

2.1　直接法超前地质预报

直接法超前地质预报又可分为隧洞沿线区域地质分析、施工地质描述、基于碴料和掘进参数的超前地质预报、超前地质钻探等。

2.1.1隧洞沿线区域地质分析

在TBM施工前,利用收集的隧洞区域各种工程地质图、水文地质图和构造纲要图等,初步分析隧洞所在地区的主要构造类型、地层特征、空间分布及其对隧洞围岩稳定性的影响程度。在区域地质分析的基础上,分析TBM隧洞施工可能遇到的不良地质问题及其分布范围、发生的可能性和对TBM施工的影响程度。主要包括以下内容:地层岩性、构造型式、岩体结构、断层破碎带、地下水条件、溶洞、地温、有害气体等。以上分析可为TBM施工的可行性研究、TBM设备选型及施工预案提供工程地质依据。

2.1.2施工地质描述

隧洞开挖过程中的地质状态,能客观地、真实地反映围岩的实际情况。在TBM停机维护时,对隧洞掌子面、洞壁及顶拱进行地质素描,素描包括以下内容:地层岩性、节理裂隙的发育情况、岩石风化程度、断层分布及其走向、地下水状态、软弱岩层的厚度及分布范围等,根据以上内容可对围岩稳定性做出评价并采用合适的支护方式。同时可根据已开挖围岩的地质条件对掌子面前方的围岩进行初步预测。

2.1.3基于碴料和掘进参数的超前地质预报

TBM开挖产生的碴料一般由片状、块状和粉状岩碴构成,围岩类型不同,各部分所占比例不同,岩块的粒径大小也不同。通过对岩碴的观察,可以获得岩性、岩石强度、岩体结构、构造特征、风化特征和地下水情况等[15]。通过分析碴料可知地质情况,如围岩较完整,则岩碴以片状为主;如围岩节理裂隙较发育,则岩碴以块状为主;如遇断层破碎带,则碴料不均匀,岩粉含量降低同时伴有构造岩出现。

TBM的掘进参数也可在一定程度上反映围岩地质状况,掘进参数主要有刀盘推力、刀盘扭矩、贯入度、掘进速度等。在硬岩中掘进时,一般刀盘推力先达到最大值,而扭矩未达到额定值,同时伴随着刀盘贯入度低,掘进速度缓慢;在软岩中掘进时,一般扭矩先达到额定值,而推力未达到最大值,同时伴随着刀盘贯入度高,掘进速度快;当在节理密集发育的地层中掘进时,掘进推力变化较大,同时伴随着机器的振动。

在围岩地质条件变化不大的情况下,根据碴料、TBM掘进参数等可对掌子面前方地质情况做出判别；但在围岩地质条件变化大的情况下,可结合区域地质勘察资料、地下水活动情况进行综合分析判断。

2.1.4超前地质钻探

TBM上一般配有超前钻机,可对掌子面前方10～30 m范围内的岩体进行钻探[16-17]。超前钻机可分为两种:一种是冲击式钻机,钻进速度快,占用施工时间较少,但无法采取岩芯;另一种是地质钻机,钻进速度慢,占用施工时间较多,但可采取原状岩芯。

对于冲击式钻机,可利用钻速变化,预测掌子面前方岩性软、硬变化、断层破碎带及地下水情况等。一般在钻进过程中保持钻进压力不变,以每钻进20 cm所需要的时间作为钻速指标,在岩性变化不大的情况下,钻速大小主要取决于岩体破碎程度；完整岩体钻速较慢,破碎岩体钻进较快。因断层带岩性一般有明显变化,故可利用钻孔回水的颜色对断层做出判断,另外也可利用钻孔完成后的地下水流量及压力对富水带进行预测。对于地质钻机,通过采取的岩芯可对掌子面前方一定范围的岩性特征、风化程度、岩石强度及地下水情况进行判断,同时可确定围岩结构面的类型、产状、形态、密度和张开度、粗糙度及充填物等。可利用采取的原状岩芯计算岩芯采取率和RQD值,并按RQD值对围岩进行分类。

2.2　间接法超前地质预报

间接法超前地质预报一般指的采用物探的技术来获取地质信息。目前国内、外采用的物探预报方法按其原理可分为地震法、电法、声波反射法及地质雷达法等。

2.2.1地震法

目前采用地震法为原理的超前地质预报系统较多,如TSP(Tunnel Seismic Prediction,隧洞地震法预测)、TVSP(Tunnel Vertical Seismic Profiling,隧洞垂向地震剖面法)、ISIS(Integrated Seismic Imaging System,综合地震成像系统)及TRT(True Reflect Tomography,真地震反射成像技术)等。

地震法超前地质预报预测距离较远,一般可达100～200 m,可有效探测掌子面前方地质体的性质(软弱带、破碎带、断层、溶洞,含水层等)、位置及规模,可作为长期地质预报技术。

2.2.2电法

目前采用电法原理的主要是德国Geohydraulik Data公司开发研制Beam技术(Bore-tunnelling Electrical Ahead Monitoring)[18-19]。Beam技术是建立在对电参数持续观测的基础上,通过测取一个与岩体中孔隙有关的电能储存能力的参数PFE(Percentage frequency effect)和视电阻率的变化,预报掌子面前方围岩的完整性和含水性。Beam法TBM超前地质预报的最大特点是其所有的装置都安装在TBM的刀盘和外侧钢环上,随着隧洞的开挖掘进,可以连续不断获得探测成果,并及时处理得出掌子面前方的PFE曲线,来预测前方岩体性状及含水情况。Beam最长探测距离超过30 m,适合作为短期超前地质预报技术,其对水体有良好的探测效果。

2.2.3声波反射法

目前国内以声波反射法为原理的超前地质预报系统主要为HSP。HSP隧洞超前地质预报系统以声波反射为原理,由中铁西南科学研究院有限公司开发生产,早期主要用于钻爆法隧洞施工,经过改进,目前同样适用TBM隧洞施工[20-21]。

HSP声波反射法原理是建立在弹性波理论基础上的,传播过程遵循惠更斯—菲涅尔原理和费马原理。采用声波法探测不良地质的前提是:声波在岩土体中的传播速度及幅度等参数和岩土体的组成成分、密度、弹性模量及岩体的结构状态等有关,不良地质体如断层破碎带、风化带、岩溶洞穴,地下水富集带等与周边地质体存在明显的声学特性差异。通过数据解译,可对隧洞掌子面前方围岩的工程地质条件或不良地质体做出判断,其探测距离可达100～150 m,可作为长期超前地质预报技术。

HSP超前地质预报技术操作方便,可在TBM掘进时采集信号,不受场限制,采集数据所需要时间少,不影响TBM的快速施工,已在国内多条TBM施工隧洞得到成功应用。

2.2.4地质雷达法

目前生产地质雷达超前地质预报系统的厂家较多,其所采用的原理基本相同。地质雷达是利用高频电磁脉冲波探测目标体,通过发射天线向地下目标体发射高频宽带短脉冲电磁波,经过地层或目标体反射后为接收天线所接收。电磁波在介质中传播时,其路径、电磁场强度与波形将随所通过介质的电磁性质及几何形态变化而变化。因此,根据接收到波的传播时间、幅度与波形等资料,可探测地下介质的结构、构造埋藏深度等[22-23]。

地质雷达可有效探测隧洞掌子面前方10～30 m以内的不良地质体,可作为短期超前地质预报技术,具有适用范围广、准确程度高、数据采集耗时少、不影响施工、费用低等优点,适合于TBM隧洞施工。

3　地质灾害防治措施

3.1　断层破碎带塌方

3.1.1超前支护

采用TBM超前钻机向掌子面前方钻设超前锚杆,对掌子面前方围岩提前进行支护,并对前方围岩进行注浆固结。如果地下水不活跃,可注入水泥浆液；如果地下水流量较大,可采用化学灌浆,以形成在锚固圈保护下的掘进作业。为防止掌子面围岩塌方,在掘进前应对掌子面喷射混凝土。

3.1.2人工处理

如果断层破碎带塌方量较大,堵塞刀盘或卡死护盾,可采用人工开挖旁洞至刀盘前方清除塌方体。当断层破碎带较宽时,可采用钻爆法开挖,穿过断层带后TBM步进通过。

3.2　软岩大变形

3.2.1适当超挖及快速通过

如遇到短时间内快速收敛变形的围岩,可调整TBM刀盘边刀并安装扩挖刀,适当超挖增加护盾与开挖面之间的空隙以避免护盾被卡住。软弱围岩的变形与时间有直接的关系,因此当掘进到快速收敛洞段时,应增加掘进时间,减小机械维护时间,使TBM在围岩发生足够大的变形之前尽快通过。

3.2.2人工处理

一旦发生护盾被卡事故,可采用人工办法凿除护盾周边的坍塌体和收缩围岩,以减少对护盾的挤压,并对前方岩体采用强化固结灌浆的办法，以保持和提高围岩的完整性、稳定性。

3.3　岩爆

3.3.1提前释放岩体中的应力

可利用超前钻在掌子面上打超前钻孔,对掌子面的高地应力提前释放,必要时可打垂直洞壁岩面的径向应力释放孔。如果预测的地应力较高,可在超前钻孔装设炸药震裂完整岩体,也可向超前钻孔内注入高压水使围岩内部形成破裂带,从而降低掌子面和洞壁的高应力,以降低应力集中导致岩爆的可能性。

3.3.2岩爆处理措施

岩爆发生时,针对不同的岩爆类型,采取相应的处理措施。发生轻微岩爆时,采用喷射混凝土和局部挂网相结合的支护方式。发生中等岩爆时,系统安装钢拱架、喷射系统锚杆及设置系统锚杆。发生强岩爆时,系统安装钢拱架、采用工字钢、钢筋等纵向连接加固,与喷锚网形成联合支护体系。强岩爆对施工人员及施工设备的威胁极大,必要时进行避让,待岩爆强度基本平静下来再进行处理。

3.4　涌水

3.4.1逆向掘进

TBM尽量采取逆向掘进的方式,即由下游向上游方向逆坡掘进,充分利用隧洞顺坡向排水的功能,降低大量涌水时TBM被淹的风险。

3.4.2超前排水

根据超前地质预报结果,一旦发现掌子面前方的含水带,可采用超前钻打排水孔排水,同时增加洞内排水泵的数量,及时的将地下水排出洞外。

3.4.3注浆堵水

对于大量的涌水,如果在隧洞内打排水孔并不能明显减小涌水量,可采用高压灌注水泥浆或化学注浆方式堵塞住围岩中地下水活动通道,达到止水的目的,以保证隧洞围岩的稳定性和施工顺利进行。

3.5　其它地质灾害

对于高地温问题,施工过程中应及时进行监测,并可在TBM上配备喷淋设施向掌子面和洞壁围岩喷水降温,同时加强通风以降低隧洞的温度。针对有害气体问题,可在侵入岩及断层破碎带等有害气体易出露部位进行超前探测,将有害气体排出洞外并监测有害气体含量,加强通风,同时采取严格的防火措施,确保洞内人员的施工安全。

4　结语

对于TBM施工隧洞中常出现的地质灾害及其危害程度,以下几个方面应引起足够的重视:

(1)TBM施工隧洞可能遇到的地质灾害类型与钻爆法隧洞基本相同,但TBM设备由数十个子系统集成,任何一个环节出现问题,都会影响TBM的正常运行,其对不良地质条件的适应性差,地质灾害对其危害程度远大于钻爆法施工。

(2)详细、准确的地质资料是TBM快速、安全施工的重要保证。当没有预警的情况下遭遇不良地质条件时,发生地质灾害的可能性大。在前期的地质勘察中,应查明施工可能遇到的地质灾害类型其分布范围、发生的可能性和对TBM施工的影响程度,为TBM施工的可行性研究、TBM设备选型及施工预案提供基础地质资料。在施工期间,充分利用各种地质资料和超前地质预报成果,建立工程地质模型,及时对遇到的问题作出评估。

(3)当隧洞穿越的地层具有以下特征时,应避免采用或慎用TBM施工:类砂性土构成的软弱围岩和具中等强度以上的膨胀岩隧洞;断层发育多且宽,溶洞发育多的隧洞;汇水构造和涌漏水严重隧洞;岩石单轴抗压强度超过300 MPa的隧洞;岩石中耐磨性矿物如石英等含量高的隧洞。

(4)应根据TBM隧洞施工的技术特点,针对不同类型的地质灾害采取相应的超前地质预报方法和防治措施,注重新技术和新方法的应用。同时应加强隧洞施工信息和经验交流,减少类似条件下地质灾害发生频度。

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