陳俊

（遼寧省撫順水文局，遼寧撫順113015）

大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工風險識別及對策探析

陳俊

（遼寧省撫順水文局，遼寧撫順113015）

針對TBM法在大伙房水庫輸水隧洞施工實踐中存在的風險，構(gòu)建基于熵權(quán)的TBM法施工進度風險評估指標體系，評估影響TBM法施工進度的關(guān)鍵風險項。結(jié)果表明，高壓涌水、巖爆以及卡機是影響大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工進度的關(guān)鍵風險項。同時，針對關(guān)鍵風險項提出TBM法施工在遭遇高壓涌水層、巖爆以及卡機風險時應(yīng)采取的對策。研究可為同類型水工隧洞工程的施工風險識別與防治提供決策依據(jù)。

大伙房水庫輸水隧洞；TBM法施工；風險識別與對策

大伙房水庫輸水隧洞作為緩解遼寧省中部以及南部區(qū)域水資源短缺壓力，促進區(qū)域城鎮(zhèn)化與工業(yè)化進程的工程手段，已成為保障區(qū)域經(jīng)濟、社會可持續(xù)健康發(fā)展的重要舉措。大伙房水庫輸水一期隧洞工程為長85.32km，洞徑為8.03m，該隧洞將鳳鳴與西江水電站尾水輸送至大伙房水庫，設(shè)計飲水流量70m3/s，擔負著向遼寧省南部以及中部地區(qū)7城鎮(zhèn)輸運生活與生產(chǎn)用水的重任。輸水二期工程隧洞段全長29.1km，洞徑6m，設(shè)計流量60m3/s，擔負著由大伙房水庫往目標城市輸水的任務(wù)。與常規(guī)隧洞工程對比，大伙房水庫輸水隧洞具有埋深大、距離長、施工地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等特點［1］。因此，有必要識別該工程TBM法施工中存在風險項，探索關(guān)鍵風險的應(yīng)對措施，從而提升TBM法施工的的效率與安全性。

1工程水文地質(zhì)概況

大伙房水庫輸水工程包括取水工程與輸水工程2部分，該工程尤以輸水工程中隧洞工程施工條件最為復(fù)雜。根據(jù)工程地勘報告，水工輸水隧洞工程須穿越一系列煤層、礦區(qū)以及自然保護區(qū)，區(qū)域水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下巖層廣泛分布有松散巖、碎屑巖以及碳酸鹽類裂隙水，含水層賦水結(jié)構(gòu)多樣化，且多具有一定承壓性。隧洞干線工程沿線屬奧陶系中統(tǒng)地層，巖溶發(fā)育普遍且可見出露的碳酸巖層以及溶洞、溶孔。隧洞穿越區(qū)域基巖呈弱風化，巖體少有膨脹且未見大規(guī)模的巖體崩塌及滑坡現(xiàn)象，受地應(yīng)力的影響，干線沿線部分軟質(zhì)巖具備發(fā)生塑性形變以及流變的可能［2］。輸水隧洞采取TBM法全斷面掘進施工，需穿越數(shù)十條巖石斷裂帶以及多個地質(zhì)單元與向斜構(gòu)造，隧洞掘進時遭受透水、滲流以及圍巖塌落等風險因素的威脅。

2TBM法施工風險識別與評估

2.1施工進度風險評估指標體系構(gòu)建

大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，因此有必要將多種風險納入施工進度計劃的制定過程，識別影響施工進度的關(guān)鍵風險要素，從而便于采取有效的控制與防范措施［3］。將直接影響該工程施工進度的風險項劃分為施工及安裝風險、水文地質(zhì)風險、機械故障風險以及施工管理風險4類，施工進度風險評估指標體系見表1。

2.2基于熵權(quán)的施工進度風險評估

針對大伙房水庫隧洞工程TBM法施工進度的風險評估，可采取專家法定量評估各評估指標的風險大小，其中，風險評估集可表示為｛1，2，3，…，9｝，風險越大則評估值越大［4］。因此，多專家針對第i個風險項的評估值可由式（1）計算：式中：Ei—評估值；rin—第i個風險項評估值為n的專家人數(shù)，其中，n=1，2，…9。

表1施工進度風險評估指標體系

為克服專家法主觀評估不一致的問題，可采取熵權(quán)來對各施工進度風險項賦權(quán)重。某一風險項的熵權(quán)值越大，表示專家對該風險項的評估差異越小，把握越大。因此，第i個風險項的熵權(quán)值可由式（2）計算：

，表示第i個風險項值為n的概率；k=1/1n9；經(jīng)修正后的第i個風險項的熵權(quán)值可由式（3）計算：結(jié)合大伙房水庫TBM法施工實際，由10位專家實施評估，風險項評估見表2。

表2施工進度風險項評估

由式（1）～（3）計算可得各風險項的熵權(quán)值與綜合評估值，見表3。

由表2～3可知，依照60%作為標準進行歸類，則可將隧洞高壓涌水、巖爆、卡機視作影響大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工進度的關(guān)鍵風險項。因此，應(yīng)采取超前鉆探的方式，強化對斷層、溶洞等不良地質(zhì)條件的監(jiān)控力度，同時通過超前帷幕灌漿、固結(jié)灌漿、疏干斷層與裂隙水等措施來盡量規(guī)避關(guān)鍵風險項。

表3施工進度風險項權(quán)重分析

3TBM法施工關(guān)鍵風險對策

3.1TBM法施工穿越高壓涌水層的處置措施

大伙房水庫輸水隧洞在穿越具有承壓性的地下高壓涌水層時，會引發(fā)大量涌水灌入土倉，造成土倉水壓力的急劇升高，從而致使泥漿直接由螺旋輸運機上口涌出，在淹沒TBM掘進機底部管片吊裝機械的同時，甚至引發(fā)大面積軟土地層的沉降，嚴重威脅施工人員安全。鑒于此，可采用如下措施指導(dǎo)穿越高壓涌水層的掘進施工。

（1）TBM掘進前的預(yù)加固處理。主要包括如下要點：①采取TBM掘進施工時，一般會在中盾處預(yù)留若干根超前預(yù)注漿孔，可通過這些預(yù)注漿孔鉆孔形成長度達15～20m的超前注漿孔，并采用注漿機注入1∶1比例的水玻璃-水泥漿液或聚氨酯實施超前加固注漿處理，從而在掘進輪廓外構(gòu)成止水環(huán)以防止涌水［5］。②實施超前注漿應(yīng)選取凝膠時間介于1～5min的雙液漿，凝膠時間過短會造成管路堵塞，凝膠時間過長則達不到預(yù)期止水效果。③注漿完成之后應(yīng)進行地層加固穩(wěn)定性與用水量的檢驗，注漿效果要求TBM掌子面穩(wěn)定且總涌水量小于0.5m3/min，否則應(yīng)再次實施注漿封堵。

（2）TBM掘進中的參數(shù)控制與聚合物摻加。在TBM掘進中宜從如下方面實施掘進參數(shù)控制并摻入聚合物：①可通過調(diào)整出渣量、加快掘進速度、注入高壓氣體等形式使得土倉土壓力大于地層土壓力與靜水壓力之和，從而降低涌入土倉的地下水量。②在調(diào)整掘進參數(shù)的同時，應(yīng)通過摻加高分子聚合物來改善切削土體的滲透性與流塑性，以防止大孔隙率粗砂水土分離，降低土體滲透性，從而實現(xiàn)封堵地下涌水的目的。

（3）TBM掘進后的注漿處理。為有效阻隔地下高壓涌水灌入成型管片以及巖層間的孔隙，確保隧洞防水效果，應(yīng)在TBM掘進通過洞段注入聚氨酯以及二次補注以密實巖體與管片間的縫隙，從而構(gòu)成TBM掘進施工隧洞的第一層防水屏障［6］。具體工序包括：①將管片置于涌水、滲漏的部位作為中心點，在該中心點前后每隔3環(huán)實施一次聚氨酯注漿，形成地下水封堵帶。②注漿之后應(yīng)對封堵帶間的管片實施二次補強注漿，注入雙液漿以密實孔隙，從而構(gòu)筑包裹管片的完整止水屏障。

3.2巖爆風險防治措施

巖爆作為TBM施工掘進中的地質(zhì)災(zāi)害，嚴重威脅施工進度與人員生命安全，因此，針對大伙房水庫輸水隧洞巖爆風險可采取如下防治措施。

（1）圍巖加固?？赏ㄟ^噴錨支護的形式，在掘進施工中實施鋼筋網(wǎng)與錨桿加固。針對塌腔較大、圍巖軟弱以至影響TBM掘進撐靴通過的圍巖洞段，可采取噴射混凝土及架設(shè)鋼拱架的方式加固圍巖。

（2）釋放應(yīng)力。針對巖爆易發(fā)生圍巖洞段，可采取超前錨桿支護鉆機鉆取應(yīng)力釋放孔，通過注入高壓水來釋放部分圍巖應(yīng)力，從而防止巖爆的發(fā)生。

（3）改進支護形式。可采用永久支護與臨時支護結(jié)合的方式實現(xiàn)支護的迅速錨固，同時可將普通錨桿更換為水脹錨桿或脹殼式機械預(yù)應(yīng)力錨桿，配合架設(shè)柔性尼龍防護網(wǎng)，從而強化支護結(jié)構(gòu)并可有效防止巖爆落石［7］。另外，可采用摻加速凝劑或5%～10%超細沸石粉的混凝土，在提升混凝土強度、降低終凝時間的同時實現(xiàn)快速加固與封閉圍巖的目的。

3.3卡機風險脫困措施

TBM法掘進施工中因卡刀盤、卡護盾以及姿態(tài)偏差導(dǎo)致的卡機風險嚴重影響施工進度，針對大伙房水庫所采用的雙護盾式TBM掘進機的工作特征，提出如下卡機脫困措施。

（1）預(yù)灌漿法?？稍赥BM隧洞掘進全斷面輪廓線內(nèi)500mm處范圍內(nèi)鉆取直徑為50mm，施工深度4～5m的淺孔，同時沿刀盤在掌子面全斷面范圍里鉆取施工深度為15m的深孔。之后，通過灌漿泵將硅酸鹽改性聚氨酯類（Si1icateModifiedPUR）或聚氨酯類（PUR）化學(xué)灌漿材料注入巖體鉆孔中，將破碎或松散的圍巖粘結(jié)為一體，從而在提升圍巖完整度的同時更有利于TBM掘進通過。

（2）側(cè)導(dǎo)坑法。依據(jù)TBM護盾受卡區(qū)域范圍，可通過在盾殼兩側(cè)或一側(cè)鉆取孔徑為50～80cm側(cè)導(dǎo)坑，采取人工進入的方式開挖護盾外層巖體并作支護，從而降低盾殼外圍巖體施加在盾殼上的應(yīng)力［8］。導(dǎo)坑開挖過程中應(yīng)注意盾殼的受力結(jié)構(gòu)，同時選取合理的支護形式以及支護參數(shù)，以確保施工人員與設(shè)備的安全。

（3）設(shè)備改造法。針對由圍巖變形快以及出渣效果差所造成的卡機事故，可由如下方面實施設(shè)備改造：①在設(shè)備設(shè)計階段增加刀盤尺寸或擴大邊刀行程，從而在維持盾殼不變的前提下增加盾殼與圍巖間的空間并擴大掘進輪廓面，實現(xiàn)TBM掘進機在圍巖塑性形變觸及盾殼之前迅速通過掘進面。②為滿足在軟弱圍巖中掘進出渣的要求，可通過擴大刀盤開口率與刮渣口，以實現(xiàn)在掌子面發(fā)生塌方時及時將掌子面與刀盤間的渣料順利運出。

4結(jié)語

通過構(gòu)建基于熵權(quán)的施工進度風險評估指標體系，識別出了影響大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工進度的關(guān)鍵風險項。對TBM法施工關(guān)鍵風險項的識別，有利于針對易發(fā)生風險洞段實施超前監(jiān)控、鉆探、預(yù)加固、灌漿、支護及設(shè)備改進等風險防范舉措，同時也為TBM法施工方案的優(yōu)化提供了實踐依據(jù)。

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1008-1305（2016）03-0105-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.040

2016-04-02

陳俊（1981年—），男，工程師。