双护盾TBM引水隧洞高压突涌水处治技术研究*

冀国栋，王灿林，廖建炜，高云升

(1.天津大学建筑工程学院，天津 300072； 2.中铁十八局集团有限公司，天津 300350；3.中铁十八局市政工程有限公司，天津 300350)

0 引言

隧洞突涌水问题是引水隧洞施工过程中常见的地质灾害之一，特别是对于TBM隧洞施工而言，突涌水是导致其重大工程事故的主要工程地质问题[1]。TBM因其设备自身结构特点，对不良地质条件的适应性较差，处理方法远没有传统钻爆法灵活，因隧洞突涌水而导致严重工程事故的情况时有发生[2-5]，如印度Dul Hasti水电工程引水隧洞、我国山西万家寨引黄工程南干线7号隧洞、昆明掌鸠河引水工程上公山隧洞、锦屏二级水电站引水隧洞、北疆供水二期工程双三隧洞等，在TBM施工过程中均遭遇了大型突涌水，严重影响了工程的经济效益和社会效益。

针对TBM隧洞突涌水的预防和治理，已有学者从设计和施工等角度出发开展了相关研究，晏启祥等[6-7]针对工程中面临的高水压难题，提出了泄水式管片衬砌结构形式设计思路；吴世勇等[8-9]结合锦屏辅助洞发生的多次高压大流量突涌水问题，提出“先探后掘”的施工原则，针对富水区灌浆封堵，提出了“先易后难、先引后堵、先顶拱后边墙再底板，局部集中处理、兼顾其他部位、系统处理、综合治理”的总体处理原则；周卫霞[10]根据超前地质预报成果及掌子面前方涌水征兆分析采取超前阻水注浆施工，以封堵围岩裂隙，减少洞内涌水量；李广涿[11]结合双三隧洞出现的突涌水问题，提出针对不同的出水情况采取多种注浆方式相结合的针对性堵水措施。

目前的引水隧洞多选用敞开式TBM施工，也有一些工程选择采用双护盾TBM施工，如青海省引大济湟工程、兰州水源地工程、山西省中部引黄工程等。双护盾TBM由于设备盾体较长、注浆作业空间受限[12-13]，对于突涌水灾害的处治会更加困难。本文依托中部引黄工程双护盾TBM施工案例，分析突涌水的形成原因，提出疏排地下水、裂隙带压止水、掌子面浅层注浆堵水等施工技术，实现对掌子面出水裂隙的有效封堵，以期为类似双护盾TBM引水隧洞的高压突涌水灾害处治提供参考。

1 工程概况

中部引黄工程是山西大水网建设的重要工程之一，位于黄河流域吕梁境内，设计取水流量为23.55m3/s。整体工程分为取水工程和输水工程，输水工程包括总干线、东干线、西干线和各支线，输水线路总长384.5km。总干线3号隧洞穿越黑茶山自然保护区，最大埋深610m，设计采用2台双护盾TBM对向掘进，其中TBM1施工段包括进洞支洞和主洞，全长26.07km，进洞支洞全长5.02km，设计纵坡3.857%，下坡掘进；主洞全长21.05km，设计纵坡为0.04%。隧洞设计开挖洞径为5.06m，管片衬砌后洞径为4.30m，为无压输水隧洞。TBM施工断面为圆形，采用预制混凝土管片衬砌，管片采用六边形蜂窝状结构，4片管片组成1环。管片外径4.80m，内径4.30m，管片厚25cm，每环管片宽度为1.4m，预制管片背后与围岩之间的空腔平均为103mm，采用豆砾石充填并进行回填灌浆。

隧洞穿越地层以奥陶系灰岩、泥灰岩地层为主，总长14.46km，占洞长55.5%；寒武系白云岩、泥质条带灰岩地层4.76km，占18.3%；太古界黑云斜长片麻岩、石墨透闪石大理岩、片麻状花岗伟晶岩、斜长角闪片麻岩、片麻状花岗岩地层3.63km，占13.9%；穿过18条断层破碎带累计长度3.22km，占12.3%。隧洞主洞段沿线地下水类型主要有变质岩类裂隙水和碳酸盐岩裂隙岩溶水(区间水及层间水)，其中变质岩类裂隙水贮存于岩层风化带及裂隙中，补给主要来源为大气降水。当贮水层为埋深较大的构造裂隙时，具有承压性。

2 特大突涌水及成因分析

2.1 突涌水基本情况

2018年10月25日，TBM掘进至主洞17.54km，桩号Z(k)94+563.705处，突发涌水，隧洞涌水流量超过820m3/h，TBM停止掘进，从人孔观察发现掌子面有5条裂隙自掌子面左上方至右下侧斜向全断面贯通并延伸至隧洞侧壁，裂隙沿岩层面张裂，出水沿层面裂隙向外喷出，压力为2.0～3.5MPa。掌子面左下侧裂隙部位岩石破碎，孔洞内出水较大，洞身左右侧裂隙有线状流水。

2.2 地质情况

2.2.1设计地质情况

隧洞桩号Z(k)94+323—Z(k)94+700段穿越地层原设计为III类围岩，埋深为535～594m，地层岩性为太古界界河口群奥家湾组中强定向黑云长英构造片麻岩等。隧洞围岩为硬质岩，岩体较完整。地下水主要为变质岩类裂隙水，地下水位位于洞顶以上328～331m，隧洞开挖时可能发生涌水或突水，设计涌水流量为230.9m3/h。

2.2.2实际揭露地质情况

1)超前钻探

前期设计阶段曾采用人工源大地电磁法进行物探勘察，电阻率等值线在桩号Z(k)93+750及Z(k)94+800处附近出现间断，且左右两侧电阻均高，推断可能分别存在断层F4及F5，影响带内岩体破碎。

遭遇突涌水后，现场对掌子面前方地质补充进行超前钻探，钻探时出现孔内喷涌水现象，钻进至15m时隧洞出水压力超过3.0MPa，出水量变大，钻孔过程未发现钻到孔洞，推断为裂隙出水。根据钻探结果判断掌子面前方存在高压富水断层破碎带。

2)施工揭示

根据实际揭露情况显示，F4断层出露里程为Z(k)93+721.82，破碎带里程为Z(k)93+691.42—Z(k)765.43，长度为74.01m。断层上盘出露地层为石墨透闪石大理岩，下盘出露地层为黑云斜长片麻岩；断层带岩石破碎，构造裂隙发育，为一倾向北东、倾角较抖之正断层。

桩号Z(k)94+563处掌子面揭示洞身上部围岩为太古界界河口群奥家湾组变质含砾石英砂岩，下部地层为中强定向黑云长英构造片麻岩。TBM掘进至此处发生突涌水，最大涌水量约845m3/h，涌水中携带泥砂颗粒。

2.3 地质情况综合分析

根据前期勘察设计资料及TBM掘进揭示情况，本段位于F4，F5断层之间地堑，受到F4，F5断层影响，原设计推测地层界线由洞身以上55m下移20m，如图1所示。洞身上部围岩变为变质含砾石英砂岩，造成掘进时涌水含砂。桩号Z(k)94+563处临近F5断层，距离F5断层约240m。断层带构造裂隙发育，且与透水层相通形成水力联系，构成了地下水的集中渗漏通道，进而产生突涌水。

图1 突涌水位置附近地层情况

根据F5断层下游钻孔ZK12ZT-9显示，石英砂岩厚度约20m，出水的石英砂岩倾角与掘进方向呈8.5°仰角，推断掘进前方可能会遇到全断面石英砂岩，且出水量将比目前掌子面出水量更大。

3 突涌水综合处治

由于本次突涌水为高压裂隙水，考虑到TBM施工为反坡施工，为避免洞内积水过多导致人员及设备淹溺，决定依据“以堵为主、堵排结合”的原则，采用“疏排地下水+裂隙带压止水+浅层注浆堵水”相结合的掌子面裂隙出水封堵方案进行突涌水处治。

3.1 疏排地下水

根据隧洞突涌水量和涌水持续时间依次采用管道系统排水、阶梯挡水坝翻排水和抢险移动泵车抽排水等措施，确保施工人员和TBM设备安全。

1)管道系统排水 突涌水发生后，现场立即停止掘进并启动现有管道排水系统进行抽排水。具体措施为：启用机头位置8号污水箱1条DN300和1条DN200排水管道，开启710kW离心泵，与原运行的4个接力泵站各2台132kW离心泵接力排水至主支交叉扩挖洞的蓄水池。

2)阶梯挡水坝翻排水 由于隧洞突涌水量远超设计涌水量，且持续时间较长，管道系统排水能力不足，虽已全力抽排，洞内水位仍然下降缓慢。为进一步延缓水势，减少TBM机头位置存水，启用了分级反坡应急阶梯挡水坝翻排水，通过排水泵将TBM设备区域积水抽排至上游阶梯坝后逐级排出隧洞。

3)抢险移动泵车抽排水 考虑到突涌水中含有大量泥砂，可能导致水泵故障，无法及时将洞内积水抽排至上游阶梯坝，排水期间调运常备在洞外的专用抢险移动泵车至隧洞积水最前方位置，应急排出隧洞积水。移动泵车利用10台长杆排水泵由隧洞取水至泵车水箱，水箱出口通过3台MD280-43×6自平衡多级离心泵抽排水至同隧洞延伸的DN300和DN200排水管路中。

3.2 掌子面裂隙带压止水

掌子面出水封堵的主要对象是5条全断面的贯通裂隙，由于裂隙承压水流持续喷射，且掌子面空间狭小，施工空间受限，考虑到掌子面围岩稳定性较强，决定将TBM刀盘后退一定距离，再依据以往经验[14-15]，采用防水板封堵裂隙出水，以钢板加膨胀螺栓加以固定。但在实际施工过程中，由于掌子面平整度较差，涌水裂隙范围过大，钢板贴合掌子面不严，且膨胀螺栓在坚硬岩面上钻孔困难，无法有效固定钢板。

针对钢板堵水效果不佳的问题，制定了刻槽嵌缝+预埋排水管+填充封堵剂的掌子面裂隙带压止水方案。刻槽嵌缝的主要功能是为后期填充封堵剂提供空间，预埋排水管的主要目的是提供集中出水通道。

1)刻槽嵌缝 根据掌子面及洞身围岩裂隙的分布情况，沿裂隙在掌子面正面及两侧部位人工开凿内侧宽度为160mm，外侧宽度为120mm，深度为400mm的反梯形槽，刻槽情况如图2所示。

图2 掌子面裂隙刻槽处理

2)预埋排水管 刻槽后进行槽内预埋排水管安装，采用DN20钢管制排水管，长度为500mm，前端100mm打设进水孔，孔径12mm，孔距20mm，梅花状布置；中部焊φ10钢筋锚固弯勾；尾端加工丝扣，安装DN200蝶阀，蝶阀为打开状态。将预埋排水管定位在反梯形槽内裂隙高度，排水管间距为1 000mm，排水管前端用提前布置在梯形槽内部的麻丝定位在槽内裂隙高度处固定，排水管尾部超出掌子面，使蝶阀外露，如图3所示。

图3 排水管安装位置示意

3)填充封堵剂 封堵材料选用膏状封堵剂，可直接填充至开槽内，从而避免在坚硬岩面上钻孔的难题。按照由外向内的顺序分别填充掌子面及洞身裂隙，将速凝型膏状封堵剂填入反梯形槽内直至充填密实。堵水时一直开启蝶阀集中排水，待封堵剂凝结强度达到90%后可关闭排水孔蝶阀。

3.3 掌子面浅层注浆堵水

掌子面裂隙止水完成后，为防止高压地下水涌入周边微小裂隙，形成新的导水通道，再次发生突涌水，在掌子面钻孔进行浅层注浆，对掌子面涌水区域进行全面封堵，在掌子面前方2～3m范围内形成近似止浆墙。

1)注浆范围 注浆封堵范围包括大范围出水裂隙、小型出水点及周边一定范围的区域，注浆设计如图4所示。钻孔间距为1m，局部适当加密，钻孔直径为50mm，钻孔深度因受掌子面空间限制，采用1～2.3m钻杆分3次替换钻孔。对于出水裂隙部位，由开槽底面起算孔深为2.2m。

图4 注浆孔布置示意

2)注浆材料 注浆材料选用CS浆，C∶S=1∶1(体积比)，水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，水泥浆水灰比为1∶0.8，水玻璃浓度为39.3°Be′。实验室测试双液浆胶凝时间56s，初凝时间1min45s，终凝时间1h8min，浆液结石体28d抗压强度为18.5MPa。

3)注浆方法 注浆封堵采用全孔一次注浆，按照“先外后内、先两边后中间”的顺序依次施作。按照地下水位埋深约350m计算，最大水头压力为3.5MPa，注浆压力一般大于地下水压力的1.5倍，注浆最大压力控制为5.25MPa。

4)注浆封堵效果检测 注浆结束后，待浆液凝固期满，在注浆重点区域加设检查孔，检查孔数量不少于4个，以所有检查孔总涌水量不超过30m3/h为判断标准，注浆质量不合格时，可加密钻孔作补注浆处理，直到注浆效果达到要求。

4 结语

1)中部引黄工程总干线3标TBM1隧洞Z(k)94+563.705段位于F4和F5断层之间地堑，受断层影响，原设计推测地层界线下移。断层带构造裂隙发育，且与透水层相通形成水力联系，构成了地下水的集中渗漏通道，进而产生突涌水。该段不良地质构造的影响是本次特大突涌水发生的主要原因。

2)双护盾TBM由于设备盾体较长，作业空间受限，对于隧洞突涌水灾害的处治困难。通过分析本次突涌水的形成原因，确定了“以堵为主、堵排结合”的原则，提出了“疏排地下水+裂隙带压止水+浅层注浆堵水”相结合的掌子面裂隙出水封堵方案，取得了较好的效果。

3)对于高水压、大范围的出水裂隙，防水板很难完全贴合掌子面裂隙区域，采取了刻槽嵌缝+预埋排水管+填充封堵剂的掌子面裂隙带压止水方案。工程实践证明，该技术具有良好的裂隙止水效果，可在类似工程中进一步推广应用。