吳 濤， 趙 鵬 斌， 馬 發(fā) 明

(中國(guó)安能集團(tuán)第三工程局有限公司，四川 成都 611135)

1 概 述

隨著深埋隧洞TBM技術(shù)的應(yīng)用，高地應(yīng)力引起的破壞已不容忽視，其直接威脅到施工人員及設(shè)備的安全，延誤施工進(jìn)度，嚴(yán)重者可致洞室變形破壞，最終影響工程的投入使用。國(guó)內(nèi)外深埋隧洞的施工均面臨高地應(yīng)力等地質(zhì)災(zāi)害，雖有共同之處，但也各具特點(diǎn)。筆者結(jié)合工程與設(shè)備的實(shí)際情況，分析歸納了高地應(yīng)力地質(zhì)條件下圍巖破壞的形式以及對(duì)施工產(chǎn)生的不利影響，提出了施工應(yīng)對(duì)措施；并根據(jù)施工中存在的設(shè)備適應(yīng)性問(wèn)題，有針對(duì)性地提出了改造建議。

西藏旁多水利樞紐工程地處拉薩河中游，是拉薩河干流水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)，工程開(kāi)發(fā)以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪及供水。工區(qū)全線(xiàn)位于海拔4 000 m以上，被譽(yù)為“西藏三峽”。[1]該工程的灌溉輸水洞為無(wú)壓隧洞，其主洞段近10 km采用開(kāi)敞式TBM施工，開(kāi)挖直徑為4 m，逆坡掘進(jìn)，坡度為1‰。TBM掘進(jìn)段屬高山地形，洞身穿越的恰拉山山頂高程約5 400 m，最大埋深1 300余m，埋深大于500 m的洞段主要為新鮮花崗巖。工程場(chǎng)地附近巖體結(jié)構(gòu)較完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬，性脆；構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，尤其是深埋地段受地質(zhì)構(gòu)造影響小，無(wú)斷層及褶皺構(gòu)造，無(wú)或地下水很少[2]。

2 高地應(yīng)力條件下的圍巖破壞形式

地下洞室施工期間，由于巖體開(kāi)挖破壞了其原始地應(yīng)力狀態(tài)，使得巖體內(nèi)的能量得以釋放，進(jìn)而引發(fā)一系列與地應(yīng)力釋放相關(guān)聯(lián)的破壞現(xiàn)象。地應(yīng)力釋放產(chǎn)生的破壞直接影響到TBM的正常施工[3]。筆者對(duì)其進(jìn)行了分析。

2.1 地應(yīng)力試驗(yàn)分析結(jié)果

設(shè)計(jì)單位實(shí)施的鉆孔地應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果表明：最大水平主應(yīng)力大于垂直應(yīng)力、最小水平主應(yīng)力，三向主應(yīng)力關(guān)系為SH>Sh≥SV，且以水平主應(yīng)力(NE26°)作用為主。由地勘試驗(yàn)得圖1顯示的掘進(jìn)里程最大主應(yīng)力分布關(guān)系，89.1%的掘進(jìn)洞段巖體最大主應(yīng)力超過(guò)20 MPa，屬于高地應(yīng)力等級(jí)范圍。根據(jù)《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-2016中的巖爆烈度分級(jí)表，結(jié)合強(qiáng)度應(yīng)力比計(jì)算成果可以判定：TBM掘進(jìn)過(guò)程中，37.3%的掘進(jìn)洞段具有發(fā)生中等巖爆等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。掘進(jìn)方向巖體最大主應(yīng)力分布情況見(jiàn)圖1。

圖1 掘進(jìn)方向巖體最大主應(yīng)力分布情況示意圖

2.2 高地應(yīng)力破壞具有的特點(diǎn)

以該工程為例，在高地應(yīng)力條件下，隨著掘進(jìn)段埋深的增加，巖體應(yīng)力增大，強(qiáng)度應(yīng)力比減小，巖爆風(fēng)險(xiǎn)增大。結(jié)合圍巖巖性、巖質(zhì)類(lèi)型及完整性等情況，筆者總結(jié)出TBM掘進(jìn)段圍巖破壞的形式主要表現(xiàn)為應(yīng)力卸荷和巖爆。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析得知高地應(yīng)力破壞具有以下特點(diǎn)：(1)埋深小，強(qiáng)度應(yīng)力比值大的區(qū)域其節(jié)理、裂隙構(gòu)造相對(duì)發(fā)育，圍巖完整性相對(duì)較差，多以應(yīng)力卸荷破壞為主；(2)埋深大，強(qiáng)度應(yīng)力比值小的區(qū)域裂隙不發(fā)育，圍巖完整性好，多以巖爆破壞為主。

2.3 應(yīng)力卸荷破壞

高地應(yīng)力條件下，圍巖節(jié)理、裂隙的存在使巖體成為不連續(xù)介質(zhì)，不能承受傳遞較大的剪應(yīng)力及拉應(yīng)力而造成沿節(jié)理、裂隙面的破壞，進(jìn)而引發(fā)局部失穩(wěn)，主要發(fā)生在邊頂拱120°范圍。TBM施工過(guò)程中，部分洞段圍巖受刀盤(pán)及護(hù)盾的擾動(dòng)，邊頂拱圍巖出現(xiàn)并持續(xù)沿結(jié)構(gòu)面卸荷，從護(hù)盾末端出露已形成垮塌空腔，必須及時(shí)進(jìn)行處理后方可繼續(xù)掘進(jìn)；部分洞段從護(hù)盾末端出露，雖然整體穩(wěn)定性較好，但若遇邊頂拱不利結(jié)構(gòu)面組合，在重力及持續(xù)卸荷作用下，極易在主機(jī)及后配套區(qū)域形成塌方。如圖2所示，在掘進(jìn)里程7 300 m右側(cè)頂拱11～15點(diǎn)位置發(fā)生應(yīng)力卸荷垮塌，垮塌高度達(dá)4 m。由此可見(jiàn)，應(yīng)力卸荷對(duì)人員和設(shè)備的危害特別大。掘進(jìn)里程7 300 m邊頂拱應(yīng)力卸荷垮塌情況見(jiàn)圖2。

圖2 掘進(jìn)里程7 300 m邊頂拱應(yīng)力卸荷垮塌

2.4 巖爆破壞

高地應(yīng)力條件下，完整、堅(jiān)硬的硬脆性圍巖內(nèi)應(yīng)力平衡重新分配時(shí)，所儲(chǔ)藏的應(yīng)變能突然釋放造成圍巖破裂是一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，其常見(jiàn)的破壞方式為：層狀剝落、彈射甚至拋射。

該工程發(fā)生的最大巖爆級(jí)別為中等，具體表現(xiàn)形式為：(1)掘進(jìn)過(guò)程中，在護(hù)盾下方可明顯聽(tīng)見(jiàn)刀盤(pán)區(qū)域有清脆的圍巖爆裂聲，出露護(hù)盾位置的圍巖已發(fā)生劈理破壞并呈現(xiàn)持續(xù)剝落現(xiàn)象；(2)出露護(hù)盾位置的圍巖整體穩(wěn)定，隨著掘進(jìn)洞壁(包括底拱部位)持續(xù)出現(xiàn)脫層、剝落等現(xiàn)象并向外側(cè)發(fā)展；(3)出露護(hù)盾位置的圍巖整體穩(wěn)定，掘進(jìn)過(guò)程中突然會(huì)出現(xiàn)巖石碎片從圍巖體內(nèi)剝離、崩出，此種破壞具有不確定性，危險(xiǎn)性極大。一般巖爆持續(xù)的時(shí)間可達(dá)5 d，前2日的表現(xiàn)尤為突出。如圖3所示，在掘進(jìn)里程3 850 m撐靴位置右側(cè)洞壁發(fā)生巖爆，出現(xiàn)大面積崩塌，厚度達(dá)2 m。由此可見(jiàn)，巖爆嚴(yán)重威脅到施工人員、設(shè)備的安全。掘進(jìn)里程3 850 m右側(cè)撐靴外側(cè)巖爆崩塌情況見(jiàn)圖3。

圖3 掘進(jìn)里程3 850 m右側(cè)撐靴外側(cè)巖爆崩塌

3 高地應(yīng)力地質(zhì)條件對(duì)TBM施工的影響分析

高地應(yīng)力地質(zhì)條件對(duì)TBM施工影響較大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 TBM掘進(jìn)功效降低

TBM利用刀盤(pán)刀具擠裂巖石的方式破巖，破巖難度亦隨著巖體內(nèi)應(yīng)力的增加而增大。根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，高地應(yīng)力段TBM施工功效降低程度高達(dá)52%；因長(zhǎng)期受巖體高應(yīng)力作用，刀盤(pán)的整體耐受力嚴(yán)重降低，因TBM刀盤(pán)、刀箱疲勞損壞而引發(fā)停機(jī)事故造成工期延誤。此外，巖石應(yīng)力的不規(guī)律性極易引發(fā)滾刀發(fā)生偏心受力破壞，加之刀具更換頻率增加，對(duì)施工進(jìn)度影響較大。

3.2 地質(zhì)問(wèn)題的處理難度大

在高地應(yīng)力洞段，掌子面位置高地應(yīng)力引起塌方易造成護(hù)盾支撐不足進(jìn)而引發(fā)主機(jī)前段卡機(jī)，一旦卡機(jī)，需立即停機(jī)進(jìn)行處理；護(hù)盾后側(cè)的高地應(yīng)力卸荷及巖爆會(huì)造成設(shè)備損壞，進(jìn)而引起塌方，一旦塌方，亦需立即停機(jī)進(jìn)行處理。另外，受小斷面設(shè)備作業(yè)空間的限制，卡機(jī)及塌方的處置難度增大，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，高地應(yīng)力區(qū)域地質(zhì)問(wèn)題的處理工序占總時(shí)長(zhǎng)的29.5%。

3.3 無(wú)法精準(zhǔn)有效組織圍巖支護(hù)

洞室開(kāi)挖成型后，由于無(wú)法準(zhǔn)確量測(cè)其圍巖應(yīng)力，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)判應(yīng)力釋放卸荷程度。支護(hù)過(guò)程中，出露護(hù)盾位置的圍巖若出現(xiàn)應(yīng)力破壞，則需采取加強(qiáng)支護(hù)處理。出露圍巖整體性較好，若未采取支護(hù)處理，一旦破壞加劇引起塌方其后果不堪設(shè)想；若預(yù)判存在高地應(yīng)力破壞而采取加強(qiáng)支護(hù)的方式進(jìn)行處理，但從后評(píng)價(jià)分析此相當(dāng)一部分處理屬過(guò)度支護(hù)。因此，現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)不足導(dǎo)致無(wú)法精準(zhǔn)有效組織圍巖支護(hù)施工而造成資源浪費(fèi)，工期延誤。

4 高地應(yīng)力洞段施工采取的應(yīng)對(duì)措施

高地應(yīng)力破壞防護(hù)的重要內(nèi)容是精準(zhǔn)預(yù)判掘進(jìn)前方的圍巖地質(zhì)條件并預(yù)分析應(yīng)力分布情況。該工程利用TSP、微震監(jiān)測(cè)等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況綜合研判了掘進(jìn)前方巖體的性質(zhì)，提前發(fā)出巖爆風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，并適時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)并加強(qiáng)支護(hù)措施以避免高地應(yīng)力破壞[4]。

4.1 超前預(yù)報(bào)

利用TSP200超前地質(zhì)探測(cè)儀探明前方圍巖波速、完整性及含水情況。通過(guò)對(duì)超前鉆機(jī)鉆探、皮帶出渣情況和掘進(jìn)參數(shù)等因素的變化進(jìn)行分析，綜合判斷前方的地質(zhì)條件。而后采取微震監(jiān)測(cè)手段，通過(guò)已布置的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)巖體的穩(wěn)定性并分析確定巖爆空間位置信息，進(jìn)而預(yù)報(bào)巖體卸荷和巖爆等地應(yīng)力分布情況。基于上述監(jiān)測(cè)分析結(jié)果，可有針對(duì)性地提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施及建議。

4.2 支護(hù)處理原則及措施

結(jié)合該工程取得的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，高地應(yīng)力洞段安全處置控制原則主要有兩個(gè)方面：一是盡可能地改善掌子面前方的圍巖應(yīng)力狀態(tài)，可采取超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放預(yù)處理對(duì)策，從源頭上實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆發(fā)生的可能性和發(fā)生程度的控制，減緩并加固施工安全和及時(shí)性方面的壓力，減小加固支護(hù)的工程量；二是提高洞室圍巖的抗沖擊能力，即采用鋼拱架與錨網(wǎng)噴聯(lián)合支護(hù)的手段，及時(shí)加固圍巖結(jié)構(gòu)，盡量減小開(kāi)挖巖層的暴露面并縮短暴露的時(shí)間，通過(guò)加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)，達(dá)到延緩或抑制巖爆發(fā)生的目的[5]。

由于洞室斷面尺寸較小且設(shè)備自身占據(jù)隧洞的空間較大，導(dǎo)致超前導(dǎo)洞應(yīng)力釋放方案無(wú)法實(shí)施，而施工洞段的圍巖最大巖爆等級(jí)為中等，也無(wú)需采取超前導(dǎo)洞的控制方式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，該工程采取了加強(qiáng)支護(hù)方式抑制應(yīng)力釋放的破壞。實(shí)踐證明：由環(huán)形鋼拱架、鋼纖維噴混凝土、鋼筋網(wǎng)片和錨桿構(gòu)成的支護(hù)系統(tǒng)可在一定程度上抵擋劇烈的破壞性沖擊，施工效果明顯，安全整體可控。

4.3 調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)

由于掘進(jìn)參數(shù)(推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、貫入度、掘進(jìn)速度等)受開(kāi)挖尺寸、地質(zhì)條件及撐靴支撐效果等因素的影響，該工程總結(jié)出高地應(yīng)力條件下掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整的基本原則：“遇強(qiáng)推強(qiáng)，遇弱緩進(jìn)、支護(hù)為先，安全第一”。具體為：巖爆區(qū)域，掘進(jìn)巖體較硬、完整性較好，破巖難度較大，采取大推力、高轉(zhuǎn)速的方式推進(jìn)；塌方區(qū)域或地質(zhì)破碎帶圍巖條件相對(duì)差，須視圍巖變化情況采取小推力、低轉(zhuǎn)速、緩掘進(jìn)的方式推進(jìn)；掘進(jìn)速度必須與圍巖支護(hù)進(jìn)度相匹配，不可冒進(jìn)。另外，需及時(shí)掌握并控制巖爆發(fā)生的部位，調(diào)整掘進(jìn)速度，盡量將巖爆發(fā)生位置調(diào)整控制在護(hù)盾或已加強(qiáng)支護(hù)的區(qū)域，以減小不利影響。

5 設(shè)備適應(yīng)性改造建議

高地應(yīng)力地質(zhì)條件下掘進(jìn)機(jī)的設(shè)備適應(yīng)性十分關(guān)鍵，隨著TBM設(shè)備在施工中的應(yīng)用，施工現(xiàn)場(chǎng)的需求與設(shè)備功能之間存在偏差。根據(jù)高地應(yīng)力對(duì)掘進(jìn)施工的制約情況，筆者對(duì)撐靴、護(hù)盾系統(tǒng)、支護(hù)系統(tǒng)等設(shè)備的適應(yīng)性提出了改造建議，希望能為今后高地應(yīng)力隧洞TBM設(shè)備選型提供參考。

5.1 增大撐靴面積

高地應(yīng)力條件下，圍巖內(nèi)應(yīng)力釋放現(xiàn)象比較突出，而撐靴對(duì)巖面的擠壓則會(huì)加劇圍巖應(yīng)力的釋放而引發(fā)邊墻垮塌，甚至撐靴損壞。

建議：增加撐靴接觸巖面的面積，降低單位面積巖面的作用力，可在一定程度上降低邊墻巖爆、塌方的發(fā)生率；另外，在TBM需較大推進(jìn)力時(shí)，撐靴面增大將在很大程度上降低單位面積的反作用力，避免撐靴變形損壞。

5.2 護(hù)盾后端改造

掘進(jìn)完成后，出露在護(hù)盾后方的圍巖是加強(qiáng)支護(hù)的關(guān)鍵區(qū)域，也是支護(hù)施工中最為危險(xiǎn)的區(qū)域。

建議：加長(zhǎng)指形護(hù)盾的長(zhǎng)度，并在后端主梁上設(shè)置拱架、鋼筋網(wǎng)片、錨桿等初期支護(hù)綜合作業(yè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的流水作業(yè)，并盡量減少人員的投入；支護(hù)完成后，人員及相關(guān)支護(hù)設(shè)備應(yīng)能及時(shí)退回護(hù)盾下方，從而在一定程度上確保施工安全。

5.3 支護(hù)系統(tǒng)的優(yōu)化

5.3.1 錨桿鉆機(jī)設(shè)置建議

錨桿支護(hù)在傳統(tǒng)支護(hù)方式中已得到較好的應(yīng)用，而該工程系統(tǒng)錨桿支護(hù)使用較少。實(shí)際配置的液壓錨桿鉆機(jī)因體型較大，受設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸及操作空間限制，鉆孔位置及角度無(wú)法根據(jù)出露的地質(zhì)構(gòu)造及時(shí)調(diào)整，無(wú)法滿(mǎn)足錨桿支護(hù)的技術(shù)要求。

建議：施工中配置可靈活調(diào)節(jié)的風(fēng)動(dòng)鉆機(jī)(小體積)，并在護(hù)盾后側(cè)合理規(guī)劃錨桿鉆機(jī)操作平臺(tái)，進(jìn)而使防巖爆錨桿能夠得到較好的應(yīng)用。

5.3.2 應(yīng)急噴混凝土設(shè)置建議

受開(kāi)挖斷面及主機(jī)段設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸限制，設(shè)備規(guī)劃將噴混凝土系統(tǒng)設(shè)置于后配套3號(hào)臺(tái)車(chē)位，因此而造成噴混凝土位置相對(duì)滯后，施工時(shí)圍巖開(kāi)挖后只能進(jìn)行鋼拱架、網(wǎng)片臨時(shí)加固，而無(wú)法及時(shí)噴混凝土封閉裸露面，需待掘進(jìn)40 m后進(jìn)行系統(tǒng)噴護(hù)。噴護(hù)前因圍巖暴露時(shí)間長(zhǎng)，加大了二次破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

建議：在護(hù)盾后側(cè)設(shè)置應(yīng)急噴混凝土系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)圍巖裸露段進(jìn)行初期封閉，從而為后續(xù)施工提供安全保障。

5.3.3 鋼拱架設(shè)計(jì)優(yōu)化

該工程考慮到傳統(tǒng)錨桿無(wú)法實(shí)現(xiàn)拱架鎖固功能，在現(xiàn)場(chǎng)將240°范圍拱架優(yōu)化為360°全斷面拱架，并結(jié)合受力情況調(diào)整了拱架間距，合理布置了拱架間的連接方式，實(shí)現(xiàn)了拱架支撐的整體性。本實(shí)例中全斷面拱架方式在實(shí)際施工中得到了較好的應(yīng)用，效果顯著。

6 結(jié)論及建議

深埋隧洞因地質(zhì)條件復(fù)雜，環(huán)境條件惡劣，則其前期鉆探、地質(zhì)勘探工作不可能詳盡。TBM施工中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作尤為重要，但目前所采用的電磁、地震波等監(jiān)測(cè)手段均無(wú)法提供掌子面作業(yè)條件，在設(shè)備區(qū)域內(nèi)進(jìn)行的相關(guān)監(jiān)測(cè)，其監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性將受到影響，會(huì)對(duì)圍巖研判及處置工作指導(dǎo)存在偏差。筆者建議：今后類(lèi)似工程要高度重視超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，研制更為先進(jìn)、可靠的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)設(shè)備與方法，盡可能地了解掘進(jìn)面的地質(zhì)情況。