西部调水工程输水隧洞TBM施工要点分析

杨庆华，张海南，姚亚广

（1.安阳市水利工程运行保障中心，河南 安阳 455000；2.南水北调安阳市西部调水PPP项目管理办公室，河南 安阳 455000；3.安阳市水资源事务中心，河南 安阳 455000）

1 引言

引水工程建设过程的关键在于深长隧洞的施工。与传统钻爆方法相比，TBM 具有机械化程度高、掘进速度快、成洞质量高、施工扰动小、综合经济社会效益高等显著优势，是深长隧道施工的最佳选择和必然发展方向。然而，TBM 工法对围岩的各项物理力学参数变化较为敏感，在围岩条件多变的洞段适应能力差。针对不良地质条件，需在TBM选型、TBM施工参数设计、掘进状态监测、超前地质预报等方面进行专门的应对措施研究，以保障施工进度、人员和设备的安全。文章以南水北调安阳市西部调水工程为例，对上述问题进行了探讨。

2 工程概况

南水北调安阳市西部调水工程自南水北调中线总干渠引水，通过新建压力输水管线48.41 km，设置加压泵站3座，输水至安阳市西部的林州市、殷都区及龙安区等西部缺水地区，设计年输水量7 000万m3，用于满足当地生产生活用水需求。工程已于2022年12月30日全线完工试通水。输水隧洞自下堡村西北至横水镇范家庄，位于工程穿越山丘区段，全长13.13 km。其中进口段、出口段采用钻爆法开挖；隧洞其余部分采用双护盾TBM施工。

3 TBM选型

该工程隧洞段地层岩性主要以石灰岩为主，以Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩为主。由于隧洞需穿过断裂带，地层复杂，地层岩性软硬兼有，经比较（详见表1），选择双护盾TBM 较为适宜。根据隧洞地质情况，初步拟定TBM掘进参数。在掘进过程中，根据掘进状态的分析评估结果适时调整掘进模式和掘进参数，以适应复杂多变的地质条件。

表1 TBM机型比较表

4 不良地质条件

4.1 浅埋强风化段

隧洞沿线地表分布较多沟谷，呈“V”型地貌，隧洞穿越个别沟谷时，浅埋段洞顶以上岩层厚度薄，强风化，岩体裂隙和溶蚀发育，洞顶围岩较差，大部分为Ⅴ类围岩，且岩层倾角较缓，成洞后洞顶易发生垮塌、掉块。受地形影响，沟谷浅埋段易滞水，雨季有发生涌水的可能。

4.2 断层破碎带

隧洞沿线区域断裂构造发育，通过地质调查、物探钻探，对工程影响较大的断裂进行了识别和复核。在隧洞轴线范围内发现多条大断层。断层性质以张性断层为主，断层面倾角一般较陡，断层带宽度为10～100 m，断层带内岩体破碎、软化，易发生塌方、涌水等灾害。岩体裂隙主要发育有4组裂隙，裂隙走向分别为335°～355°、180°～220°、100°～140°、20°～50°，裂隙多为垂直发育，与岩体层理交叉切割为块状，裂隙间距0.40～0.80 m，裂隙宽度一般为2～15 mm，大者50 mm。

4.3 岩溶

隧洞部分段位于安阳河左岸阶地上，受安阳河水位的影响，岩溶中等发育。钻探岩芯可见充填钙质、泥质的裂隙以及3～5 mm 的溶孔，部分钻孔形成溶洞，溶洞内大多充填红黄色重粉质壤土，呈硬塑～坚硬状态。

5 地质灾害应对措施

5.1 掘进状态监测

TBM 运行的主要过程与实验室用于测定土样抗剪强度的扭剪试验，运行状态数据综合反映了机器的性能和前方岩面的物理力学性质。当岩体完整性较好时，TBM 需要较大的力才能够压碎和切削岩体，实现有效破岩；当岩体较为软弱破碎时，TBM 只需要较小的力就可以压碎和切削岩体。此工程隧洞施工过程中加强掘进状态监测，利用传感器实时采集刀盘转速、扭矩、推力、推进速度等破岩过程中的关键数据，通过搭建的人工神经网络算法（ANN）模型对大量的非线性数据进行分析后，预测前方的岩体质量等级，适时优化掘进参数，并根据掘进速度预测对可能发生的岩爆、塌方、卡机等地质灾害进行预警。

5.2 超前预报

由于隧洞施工过程中所面临的地质风险的不确定性，在隧道施工过程中，开展超前地质预报，对掘进面前方的工程地质和水文地质情况进行探测、分析、判断和预报尤为重要。此工程在广泛借鉴此地区相关工程经验的基础上，采用短距离地质分析与长距离物探监测相结合的方法进行地质预报；物探监测主要采用TRT地震波反射法。由于地质环境复杂，探测范围内存在许多不确定因素可能会对地震波反射信号造成影响，即使相同的不良地质现象生成的预报结果图也会因不同的地质条件和地质环境而具有较大的差异性，纯人工凭经验判译会使得结果存在较大的主观成分。因此为保证判译结果可靠，此工程通过与TRT典型不良地质现象特征图像库进行数字比对，进一步明确工程区域各种不良地质现象，提高超前地质预报的精度。

5.3 变形坍塌

由于较软弱岩、节理较密集地带节理间距较小，岩体的完整性受到影响，当开挖通过后，围岩平衡状态破坏，导致应力重新分布，围岩自稳力降低，围岩出露刀盘支撑护盾后，即会产生不同程度的收敛变形甚至塌方。此工程在软弱围岩条件下的掘进时TBM降低推进速度，贯入度指标控制在6 mm/r以下；采用单护盾模式，利用管片提供反力进行掘进，以减少对围岩的扰动，方便掘进姿态的控制。当掌子面的条件差时，停止TBM掘进，采用固结灌浆（化学灌浆）技术措施加固围岩和堵水后，再进行TBM掘进。

5.4 岩溶

由于岩溶分布的随机性，如：TBM刀盘和刀盘支撑体突然有大的下部或侧部岩溶，由于重力和TBM推进力的作用，会发生刀盘和刀盘支撑体的整体下沉或侧扭，对TBM 结构造成大的甚至是不可挽回的损失。故TBM 侧、底岩溶必须在刀盘前部进行处理回填，并形成能够承载TBM 和撑靴支撑力的混凝土结构后再掘进，TBM 顶部溶洞可在TBM 经过后随TBM 的后期支护进行处理。由于岩溶层位透水性较强，容易发生涌水、突水，当溶洞中有充填物时，也可能出现突泥现象。此工程施工过程中按“早探明、预注浆、快封闭，先探后掘，堵排结合，节制排放”的原则进行处理。

6 结语

TBM施工方法已成为中国隧洞建设的主要趋势。文章以南水北调安阳市西部调水工程输水隧洞为例，探讨TBM 应用复杂地层时遇到的不良地质现象及采取的应对措施，其中既有传统成熟的处理措施，也有相对新颖的处理方法。注意的是，TBM 施工项目实施过程中存在很多不可预见的风险，因此充足的应急准备和妥当的应急处置是项目顺利实施的重要保障。