田原（遼寧省水利水電科學(xué)研究院　遼寧　沈陽　110003）

全斷面掘進施工隧洞圍巖失穩(wěn)風(fēng)險識別與對策研究

田原
（遼寧省水利水電科學(xué)研究院遼寧沈陽110003）

針對全斷面掘進施工在隧洞工程實踐中存在的風(fēng)險，構(gòu)建以大伙房水庫輸水隧洞工程為例的施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險故障樹模型，并采用層次分析法評估該隧洞工程圍巖失穩(wěn)風(fēng)險項。結(jié)果表明，高壓涌水與巖爆是影響大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進施工圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險項。同時，針對關(guān)鍵風(fēng)險項提出全斷面掘進施工在遭遇高壓涌水層以及巖爆風(fēng)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(fēng)險識別與防治提供決策依據(jù)。

全斷面掘進施工；大伙房水庫輸水隧洞；圍巖失穩(wěn)；風(fēng)險識別與對策

引言

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)計引水流量70m3/s，擔(dān)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(dān)負著由大伙房水庫往目標(biāo)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，有必要識別該類工程全斷面掘進施工中圍巖失穩(wěn)存在風(fēng)險項，探索關(guān)鍵風(fēng)險的應(yīng)對措施，從而提升全斷面掘進施工的效率與安全性。

國內(nèi)學(xué)者針對全斷面掘進施工應(yīng)用技術(shù)開展了一系列研究，高勤生等探析了新型化學(xué)灌漿技術(shù)在全斷面掘進施工圍巖加固施工中的應(yīng)用原則；徐衛(wèi)亞等分析了深埋隧洞TBM盾殼卡機的風(fēng)險概率；張軍偉等提出了大伙房水庫輸水隧洞TBM選型應(yīng)遵循的原則與關(guān)鍵技術(shù)；田永清探析了萬家寨引黃工程地質(zhì)條件對隧洞TBM法施工的影響。這些研究成果對改進全斷面掘進施工工藝具有重要的指導(dǎo)作用，然而針對全斷面掘進施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險項的識別及關(guān)鍵風(fēng)險對策的研究尚需深入。鑒此，通過識別大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進施工中圍巖失穩(wěn)的若干風(fēng)險項，探析關(guān)鍵風(fēng)險項的應(yīng)對策略，以期為類似工程的施工提供有益借鑒。

1　工程概況

大伙房水庫輸水隧洞工程包括取水工程與輸水工程兩部分，該工程尤以輸水工程中隧洞工程施工條件最為復(fù)雜。此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，地下巖層常遭遇松散巖、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。隧洞穿越區(qū)域基巖常呈弱風(fēng)化，巖體少有膨脹性且未見大規(guī)模的巖體崩塌及滑坡現(xiàn)象，受地應(yīng)力的影響，隧洞沿線部分軟質(zhì)巖具備發(fā)生塑性形變以及流變的可能［2］。大伙房水庫輸水隧洞采取全斷面掘進施工，須穿越數(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(fēng)險因素的威脅。

圖1大伙房水庫輸水深埋隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹系統(tǒng)

2　隧洞工程圍巖失穩(wěn)風(fēng)險識別與

評估

2.1隧洞圍巖失穩(wěn)風(fēng)險故障樹構(gòu)建

大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進施工涉及大埋深、長距離且施工環(huán)境復(fù)雜施工段的全斷面掘進施工，圍巖失穩(wěn)風(fēng)險對施工效率與安全至關(guān)重要［3］。因此，有必要針對該工程隧洞圍巖失穩(wěn)問題識別并評估其風(fēng)險項，探索圍巖失穩(wěn)破壞的成因機理。

故障樹（FTA）作為風(fēng)險識別與綜合度量的有效工具，通過圖形演繹分析的方式來描述風(fēng)險事件發(fā)生的邏輯順序，可定量地由隧洞圍巖失穩(wěn)出發(fā)計算識別系統(tǒng)性事故的成因［4］。結(jié)合全斷面掘進施工圍巖失穩(wěn)風(fēng)險項，構(gòu)建大伙房水庫輸水深埋隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹如圖1所示。

表1　　圍巖失穩(wěn)風(fēng)險項權(quán)重數(shù)量化

表2圍巖失穩(wěn)風(fēng)險項權(quán)重值

巖爆　軟巖變形　洞口滑坡　遇破碎帶　高地溫　高壓涌水　遇溶洞0.267　0.131　0.063　0.089　0.142　0.243　0.065

2.2基于層次分析法的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險識別與評估

針對隧洞圍巖失穩(wěn)故障樹系統(tǒng)的風(fēng)險識別可采用層次分析法，通過構(gòu)建層次清晰的評估指標(biāo)體系，采取專家法賦值各層次風(fēng)險項的權(quán)重，并將各風(fēng)險項置于9標(biāo)度值表格中從而構(gòu)建判斷矩陣，如表1所示。通過求解矩陣特征根與特征向量，進而獲取具備一致性的判斷矩陣，其所對應(yīng)的特征向量即為各風(fēng)險項的權(quán)重，從而識別出影響圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險因子［5］。

大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進工程部分施工段隧洞圍巖結(jié)構(gòu)不均一，且呈現(xiàn)斷裂帶及節(jié)理裂隙發(fā)育，處于大埋深的隧洞圍巖地處高地應(yīng)力、強流變以及高滲透壓等不利地質(zhì)環(huán)境中，易引發(fā)涌泥突水、巖爆、圍巖變形等地質(zhì)災(zāi)害。因此，選取巖爆、高壓涌水、洞口滑坡、遇破碎帶、高地溫、軟巖變形作為圍巖失穩(wěn)的風(fēng)險項進行分析，采取層次分析法計算各風(fēng)險項的權(quán)重值如表2所示。

由表2可知，大伙房水庫輸水隧洞工程圍巖失穩(wěn)各風(fēng)險項的權(quán)重排序為：巖爆（0.267）＞高壓涌水（0.243）＞軟巖變形（0.131）＞高地溫（0.142）＞遇破碎帶（0.089）＞洞口滑坡（0.063）＞遇溶洞（0.065）。因此，以0.2作為歸類標(biāo)準(zhǔn)，圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險項為巖爆與高壓涌水，關(guān)鍵風(fēng)險項的識別可為大伙房水庫輸水深埋隧洞全斷面掘進施工方案的優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。

3　隧洞施工圍巖失穩(wěn)關(guān)鍵風(fēng)險項對策

3.1大伙房輸水隧洞掘進施工穿越高壓涌水層的處置措施

大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進施工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，在淹沒全斷面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(yán)重威脅施工人員安全。鑒此，可采用如下措施指導(dǎo)穿越高壓涌水層的掘進施工。

3.1.1全斷面掘進前的預(yù)加固處理

針對全斷面掘進前的預(yù)加固處理主要包括如下要點：①采取全斷面掘進施工時，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15m～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。②實施超前注漿應(yīng)選取凝膠時間介于1min～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［6］。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，注漿效果要求全斷面掘進機械掌子面穩(wěn)定且總涌水量小于0.5m3/min，否則應(yīng)再次實施注漿封堵。

3.1.2全斷面掘進中的參數(shù)控制與聚合物摻加

在全斷面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。

3.1.3全斷面掘進后的注漿處理

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)在全斷面掘進通過洞段通過注入聚氨酯以及二次補注的方式以密實巖體與管片間的縫隙，從而構(gòu)成全斷面掘進施工隧洞的第一層防水屏障。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［7］。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(fēng)險防治措施

巖爆作為全斷面施工掘進中的地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅施工進度與人員生命安全，因此，針對該類工程隧洞巖爆風(fēng)險可采取如下防治措施。

3.2.1圍巖加固

可通過噴錨支護的形式，在掘進施工中實施鋼筋網(wǎng)與錨桿加固。針對塌腔較大、圍巖軟弱以至影響全斷面掘進機械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。

3.2.2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。

3.2.3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［8］。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。

4　結(jié)語

通過構(gòu)建基于層次分析法的故障樹模型，識別出了影響大伙房水庫輸水隧洞全斷面掘進施工圍巖失穩(wěn)的關(guān)鍵風(fēng)險項。對全斷面掘進施工圍巖失穩(wěn)關(guān)鍵風(fēng)險項的識別，有利于針對易發(fā)生風(fēng)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(fēng)險防范舉措，從而為滿足隧洞掘進施工的進度要求與安全提供有力保障。陜西水利

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（責(zé)任編輯：唐紅云）

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