藺鳳林

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司,新疆 烏魯木齊 830000)

1 工程概況

某工程的Ⅲ標TBM開挖隧洞全長26.746km，隧洞斷面為圓形，洞徑為7.8m，工區(qū)內(nèi)地質(zhì)條件復雜。該段位于阿爾泰山南麓侵蝕構(gòu)造中山區(qū)及低山丘陵區(qū)，中山區(qū)主要是受地殼應力場擠壓和右旋作用形成隆起區(qū)，低山丘陵區(qū)地形開闊。深埋隧洞的上覆巖體厚度600～720m，隧洞揭露巖性主要為華力西期變質(zhì)花崗巖、黑云母斜長片麻巖及奧陶系石英片巖等，均為中-堅硬巖，節(jié)理裂隙不發(fā)育，巖體完整-較完整[1]。深埋隧洞段具備發(fā)生巖爆的地質(zhì)條件。

2 發(fā)生巖爆、斷層區(qū)域地質(zhì)特征與TBM施工預測及風險

2.1 發(fā)生巖爆區(qū)域、斷層帶地質(zhì)特征

2.1.1斷層附近易發(fā)生巖爆

經(jīng)統(tǒng)計TBM3-1分析：輕微巖爆-中等巖爆易在斷層上下盤發(fā)生，當下盤向上盤方向掘進時，下盤發(fā)生的頻率大于上盤，距離斷層0～21m范圍易發(fā)生巖爆，剛性斷裂及斷層影響帶小的斷層附近，易引發(fā)范圍較大的巖爆。因受斷層影響，斷層帶、斷層上下盤巖石強度不一樣，地應力分部不均，導致巖石強度高、完整性好的、無結(jié)構(gòu)面巖體一側(cè)發(fā)生巖爆。TBM3-1斷層附近巖爆特征如下：

TBM3-1隧洞全長11.596km，TBM向下游順坡掘進，開挖洞徑7.8m，洞軸線方向318°，隧洞埋深209～457m，掘進過程中發(fā)生6處巖爆位于斷層附近。6處斷層特征如下：揭露NNW、NNE、NE走向斷層，產(chǎn)狀：28～48°SE∠25～45°、35°NW∠70°、350°NE∠50°，斷層帶寬0.05～4m，影響帶寬0.1～5m，斷層面略平直—起伏、粗糙，斷層帶以擠壓碎裂巖、斷層角礫巖及斷層泥為主，斷層面見1～5mm的泥膜。斷層與隧洞走向呈小-大角度相交，局部帶內(nèi)可見褐鐵礦化和綠泥石化蝕變現(xiàn)象[1]。6處巖爆特征如下：揭露巖爆特征為輕微巖爆-中等巖爆，位于左側(cè)拱肩-右拱頂，形成徑向長度2～13m，環(huán)向2～3m，爆坑深度0.05～1m，發(fā)生巖爆段埋深226～352m。該段斷層附近巖爆見表1—2。

表1 TBM3-1斷層附近巖爆統(tǒng)計表

經(jīng)統(tǒng)計TBM2分析：輕微-中等巖爆段中也存在斷層，斷層一般屬于剛性斷裂及斷層影響帶小的斷層，斷層帶寬0.01～0.20m，斷層影響帶比較小，周圍易引發(fā)范圍較大的巖爆。當下游向上游掘進時，斷層位于拱肩以下及腰線附近，與洞軸線小角度相交，緩傾角發(fā)育時，上盤發(fā)生的頻率大于下盤，距離斷層3～32m范圍易發(fā)生巖爆，TBM2巖爆段中斷層特征及附近巖爆特征見表2。

表2 TBM3—1斷層附近巖爆統(tǒng)計表

TBM2隧洞全長15.150km，TBM向上游順坡掘進，開挖洞徑7.8m，洞軸線方向312°，隧洞埋深318～720m，掘進過程中4處巖爆段中揭露斷層。4處斷層特征如下：揭露NW、NE走向斷層，產(chǎn)狀：300～320°NE∠20～45°、320°SW∠45°、35°NW∠30°，斷層帶寬0.01～0.20m，影響帶寬0.1～0.5m，斷層特征與TBM3-1斷層特征相似。4處巖爆特征如下：揭露巖爆特征為輕微-中等巖爆，位于左側(cè)拱肩-右拱肩，形成徑向長度35～50m，環(huán)向2～4m，爆坑深度0.10～1m，發(fā)生巖爆段埋深653～719m。斷層埋深比較大，斷層附近節(jié)理裂隙發(fā)育，受巖爆影響，一般該段的圍巖類別為Ⅲa、Ⅲb、Ⅳ。TBM2巖爆段中揭露斷層見表3—4。

表3 TBM2巖爆段中揭露斷層統(tǒng)計表

表4 TBM2巖爆段中揭露斷層統(tǒng)計表

施工過程中巖爆、斷層同時存在時。對洞室穩(wěn)定影響較大。東北大學通過《巖爆微震監(jiān)測與預警》探測32+107—32+072段，預警區(qū)內(nèi)已累計產(chǎn)生的微震事件89個，累計微震釋放能量2.00E+05J。預警巖爆等級為中等巖爆。預警報告特征見表5、微震事件沿隧道軸向分布特點如圖1所示。

表5 K32+107—K32+072區(qū)域巖爆預警報告

圖1 微震事件沿隧道軸向分布特征

山東大學利用《地震波超前探測原理》成功探測32+113—32+053區(qū)段，并根據(jù)反射圖上存在明顯的可加可減反射，可以推測這個區(qū)段構(gòu)造發(fā)育及節(jié)理裂隙發(fā)育，但施工區(qū)較破碎。隧道地震波成像圖、俯視圖如圖2—3所示，該段隧洞掘進過程中揭露特征基本與探測報告吻合。

圖2 隧道地震波成像圖

圖3 隧道地震俯視圖

2.1.2侵入巖脈附近易發(fā)生生巖爆

侵入巖脈具有硬、脆的工程特征，具有巖爆發(fā)生的基本條件，侵入巖脈對周圍基巖的地應力有一定影響，侵入巖脈與基巖的成巖年代為不同時期，兩者巖性特征具有明顯的差別，侵入巖脈與基巖強度特征不一樣。侵入巖脈經(jīng)過范圍，易發(fā)生巖爆，該工程上游段巖爆發(fā)生在侵入巖脈附近。

TBM2掘進過程中發(fā)生2處巖爆位于侵入粗?；◢弾r巖脈附近?；咎卣魅缦拢?/p>

樁號32+960、32+976—33+007，兩段隧洞均埋深700～703m，兩段巖性均為黑云母斜長片麻巖，灰白色-灰黑色，為片麻狀構(gòu)造，礦物呈定向排列，局部侵入變質(zhì)花崗巖，塊狀結(jié)構(gòu)。樁號32+960右壁侵入1.5～2.0m寬灰白色粗?；◢弾r巖脈，沿走向332°向左壁延伸，左壁侵入范圍增大，樁號32+976～33+007右壁充填0.2～1.5m寬灰白色粗?；◢弾r巖脈。在侵入巖脈1～2m范圍以外，沿著巖脈走向在巖脈以上及上半洞形成輕微巖爆-中等巖爆。該段巖爆等級與侵入巖脈厚度、強度密切相關(guān)，出露的侵入巖脈越厚，巖爆越劇烈。且軟硬交界面附近更易產(chǎn)生巖爆和結(jié)構(gòu)復合型塌方破壞。如圖4所示。

圖4 右壁侵入粗?；◢弾r巖脈

2.1.3高地應力區(qū)易發(fā)生巖爆

TBM2向上游順坡掘進，向前掘進時埋深逐漸增多，隧洞埋深318～720m，隨著埋深不斷的增多，地應力也增大，經(jīng)前期勘查所得，隧洞區(qū)圍巖實測最大主應力值可達23～27MPa。掘進時易產(chǎn)生輕微巖爆-中等巖爆。發(fā)生巖爆的頻次相對較多，以輕微巖爆為主，巖爆在分布范圍廣、爆坑大多連續(xù)，結(jié)構(gòu)面區(qū)域發(fā)生巖爆破壞的程度更高。

2.2 TBM施工巖爆段、斷層帶的預測

易發(fā)生巖爆洞段一般區(qū)域構(gòu)造活動強烈、巖石堅硬、結(jié)構(gòu)面不發(fā)育、地下水活動微弱、侵入巖脈軟硬交接面、地應力高、新鮮脆硬性干燥巖石深埋部位。預測巖爆發(fā)生范圍和巖爆等級，目的是根據(jù)預警結(jié)果，采取工程措施，開挖優(yōu)化、應力釋放和支護優(yōu)化，降低巖爆的概率及風險。

提前進行斷層帶預警，目的是及時了解斷層帶是否存在，預判存在斷層規(guī)模，根據(jù)具體特征采取相應的支護措施，以下簡述兩種預警方法。

(1)結(jié)合類比法、施工經(jīng)驗進行宏觀預報

當TBM正常施工時，突然遇到巖爆時，要結(jié)合易發(fā)生巖爆洞段地質(zhì)特征，要提前預判前面是否有構(gòu)造、巖性變化等。當遇到構(gòu)造、侵入巖脈及特殊地質(zhì)特征時，要預判前面是否有巖爆。

侵入巖脈在隧道中揭露部位不同，對形成不同的巖爆等級和危險程度都有直接關(guān)系，對巖爆的潛在風險等級和發(fā)生可能性做出預估，然后結(jié)合掌子面前方巖脈的產(chǎn)狀及出露部位，及其對巖爆的影響進行初步判斷。

鑒于上述方法，在隧道挖掘過程中，要正確把握已揭示的侵入巖脈在隧洞內(nèi)的出露部位、厚度、方向和傾角，確定侵入巖脈與洞軸線的關(guān)系。根據(jù)已揭露的特征對開挖掌子面侵入巖脈與隧洞的空間位置關(guān)系進行推斷。根據(jù)巖脈侵入特征，推斷可能發(fā)生的巖爆等級為何種類型。

巖爆的發(fā)生機理與區(qū)域構(gòu)造、地層巖性、地下水活動、巖脈侵入、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度有密切聯(lián)系，施工期間帶著問題去預判。

當TBM掘進進入輕微巖爆洞段時，掘進參數(shù)及出渣量沒有大的變化，偶爾會出現(xiàn)大的渣粒，直徑0.2m左右，但渣量不多；當掘進進入中等巖爆-強巖爆洞段時，一般頂護盾壓力增大，會出現(xiàn)大的渣粒，直徑20cm左右，但渣量較多；當TBM開挖至斷層帶附近區(qū)域時，通常會出現(xiàn)掘進參數(shù)突變、皮帶出渣量突增及平均渣石塊度超過0.2m的現(xiàn)象。綜上，結(jié)合揭露圍巖地質(zhì)特征、掘進參數(shù)變化、皮帶出渣量及渣石塊度的變化規(guī)律，可對掌子面附近圍巖地質(zhì)條件和潛在破壞類型進行預報。

(2)儀器法預警巖爆等級、斷層帶

由于該區(qū)域位于構(gòu)造運動強烈的區(qū)域，原巖應力以水平應力為主，且地質(zhì)條件較為復雜，導致巖爆、塌方等災害頻發(fā)。因此該標段由山東大學采用物探超前地質(zhì)探測和激發(fā)極化超前探測方法分別對刀盤前方地質(zhì)構(gòu)造及地下水發(fā)育情況進行初步預測。

除此之外，TBM2段主要由東北大學采用巖爆微震監(jiān)測系統(tǒng)進行巖爆等級預警。在初始地應力場應力值較高段，對開挖區(qū)域潛在巖爆風險等級進行微震實時監(jiān)測。

2.3 TBM施工巖爆段、斷層帶的風險

巖爆是瞬間發(fā)生的地質(zhì)災害現(xiàn)象，巖爆發(fā)生的時間存在不確定性，巖爆破壞性很大，巖爆破壞前兆沒有明顯特征，對施工安全構(gòu)成極大威脅，巖爆分布范圍廣，爆坑大多連續(xù)，個別時候來不及支護，引發(fā)多次巖爆形成較大塌腔，一定程度上使得巖爆的防治與預測工作遇到了諸多困難，對TBM設備及施工人員的安全有一定影響，導致施工成本增加，破壞的危險性和不確定性造成TBM施工效率下降。

TBM在斷層帶掘進過程中，塌方及軟巖變形災害將會導致刀盤無法轉(zhuǎn)動，出現(xiàn)卡機風險。影響正常掘進的風險。

3 巖爆段、斷層帶對TBM掘進的影響

TBM掘進效率與地質(zhì)條件密切相關(guān)，當TBM掘進時遇到巖爆段、斷層帶等不良地質(zhì)條件時，會對TBM掘進會產(chǎn)生影響，具體特征如下：

(1)受開挖應力調(diào)整的影響，在TBM的掘進過程中，巖爆易發(fā)生在刀盤前方區(qū)域及護盾上方，對換刀技術(shù)人員的安全造成了巨大隱患；此外，還有部分巖爆具有“滯后性”的特征，即該區(qū)域出露護盾后才發(fā)生巖爆，增加支護量的同時也對主梁區(qū)域工作人員及設備的安全極易造成威脅。

開挖至斷層帶區(qū)域時，巖爆、塌方等地質(zhì)災害現(xiàn)象更易發(fā)生。當?shù)侗P前方圍巖軟弱或節(jié)理裂隙發(fā)育時，可能會形成規(guī)模較大的塌腔，極易造成頂護盾壓力突增甚至TBM卡機現(xiàn)象，進而延誤工期。

(2)TBM開挖至巖爆段或斷層帶時，因圍巖條件復雜多變，當支護措施未能有效提高圍巖強度時，極易形成規(guī)模較大的爆坑或塌腔。當上述災害發(fā)生在邊墻區(qū)域時，受破壞區(qū)域圍巖完整性和平整程度的影響，洞壁無法為撐靴提供足夠的支撐力，進而導致TBM持續(xù)震動，影響TBM壽命，耽誤施工進度。

(3)斷層帶開挖后圍巖極易產(chǎn)生較大的收斂變形，導致變形圍巖將TBM緊緊裹住，TBM啟動運轉(zhuǎn)比較困難。當出現(xiàn)較大的斷裂帶時，就會導致TBM撐靴處于兩側(cè)較疏松的圍巖中，起不了有效的支撐，導致?lián)窝ゴ蚧?/p>

(4)巖爆段或斷層帶區(qū)域破壞頻發(fā)，導致清渣、運料、支護等工程量增加，增加施工成本和材料消耗的同時也降低了TBM掘進時間利用率，大大降低了掘進效率。

4 巖爆洞段、斷層帶施工方法

4.1 施工支護策略

TBM掘進遇到巖爆段、斷層帶時，直接影響TBM的施工安全和掘進速度，在了解并清楚揭露隧道圍巖地質(zhì)特點的基礎上，開展了必要的圍巖檢查工作，如變形測試、應力測量等，以獲取圍巖巖爆、斷裂前后的各項物理力學參數(shù)，并做好總結(jié)分析。根據(jù)類比法、施工經(jīng)驗、儀器法“先預警”，了解巖爆等級及斷層規(guī)模后，再制定“超前預加固、優(yōu)化進尺、調(diào)整掘進參數(shù)、及時支護、釋放應力、應急噴砼、及時監(jiān)測”的施工支護策略。

4.2 施工支護流程及技術(shù)要點

4.2.1根據(jù)不同巖爆等級、斷層規(guī)模預處理

TBM掘進過程中，確保巖爆等級的準確性，不同的巖爆等級采取不同的支護方式。

輕微巖爆區(qū)段在施工時，人工清理松散巖塊，在掘進過程中適時增加向掌子面、護盾等周圍的灑水，在對護盾及后方隧道圍巖上實行24h的不間斷灑水、清洗工作，對較易產(chǎn)生巖爆的圍巖也能產(chǎn)生相應的軟化效果，從而促進內(nèi)部應力釋放與調(diào)整，降低巖石的脆性。并進行頂拱120°系統(tǒng)錨網(wǎng)噴加輕型格柵以及鋼肋的支撐方式。

中等-強烈?guī)r爆段施工時，受高地應力結(jié)構(gòu)面松弛破壞，應力型塌方、破壞松動圈范圍一般在60°～120°，深度1～3m時。首先人工清除掉塊、碎石，應急噴混凝土全斷面系統(tǒng)錨網(wǎng)噴+HW125或HW150拱架，拱架間采用槽鋼滿焊鏈接，增強拱架整體受力。結(jié)合TBM自身設備及外配設備組合可施做應力釋放孔。

斷層帶掘進時地質(zhì)災害發(fā)生的頻率較高，掘進時要掌握清楚斷層的規(guī)模及類型，不同的規(guī)模斷層采取不同的支護方式。

在頂拱及腰線附近發(fā)育小規(guī)模斷層時，斷層帶寬較小，影響規(guī)模小，形成掉塊、塌方，拱頂范圍60°～120°，深度1～3m?？蛇M行人工放渣，應急噴砼，全斷面系統(tǒng)錨網(wǎng)噴+HW125拱架支護。

掘進過程中遇到中等規(guī)模斷層形成塌方，影響范圍90°～180°，塌方深度2～6m，富水洞段時，超前預注漿或超前管棚加固，邊刀增加墊塊實施擴挖，預埋注漿管，應急噴混凝土，全斷面系統(tǒng)錨網(wǎng)噴+HW150拱架，拱架間采用槽鋼滿焊鏈接，增強拱架整體受力。

4.2.2合理調(diào)整TBM掘進參數(shù)掘進

掘進參數(shù)指標與圍巖地質(zhì)條件和圍巖強度有較強的關(guān)聯(lián)性。例如：推力與圍巖完整性及圍巖強度呈正相關(guān)，貫入度與圍巖完整性及圍巖強度呈負相關(guān)，刀盤扭矩與圍巖完整性及圍巖強度呈正相關(guān)等。合理選用與圍巖條件相適應的掘進參數(shù)方能使TBM的掘進效率得到提高。

當TBM參數(shù)發(fā)生突變時，應及時根據(jù)其變化范圍及變化速率對掘進參數(shù)進行相應調(diào)整。一方面是降低刀盤對掌子面附近巖體的擾動程度，進而降低圍巖發(fā)生失穩(wěn)破壞的風險，另一方面則是需要控制皮帶機的出渣速度及渣石大小，必要時需采用人工破碎大塊渣石或采用料車運送底渣，避免因渣石塊度過大、皮帶機高速運作等導致皮帶機停機或皮帶斷裂。

在中等-強烈?guī)r爆段、斷層帶中繼續(xù)向前掘進時，應通過降低進尺，減少擾動的主要方針來降低圍巖失穩(wěn)破壞的風險，具體實施策略為“短進尺、低轉(zhuǎn)速、低推力、大貫入度”，在掘進過程中保持勻速掘進，避免“間歇式”開挖而導致破壞風險的升高。由于巖爆段或斷層帶存在地質(zhì)條件復雜的情況，還需嚴格控制掘進姿態(tài)，按照“多次、少量”的糾偏原則對TBM姿態(tài)進行糾正。

4.2.3及時加強支護、快速噴射混凝土封閉

圍巖條件復雜時，易出現(xiàn)結(jié)構(gòu)面組合切割形成不穩(wěn)定楔形體的情況，在局部高應力的作用下誘發(fā)大規(guī)模掉塊或巖爆等現(xiàn)象。

圍巖強度低時，出露護盾后的圍巖自穩(wěn)時間通常很短。因此，當遇到中等-強烈?guī)r爆段、斷層帶嚴重洞段時，圍巖出露護盾后及時加強支護，采取增加剛性錨桿數(shù)量或施作鋼拱架支護、及時噴射混凝土的支護措施，保證快速封閉圍巖，減少后方圍巖及支護體的受力程度。此外，當圍巖質(zhì)量極差時，出露護盾圍巖后可采用“HW150型鋼拱架，間距0.45m，環(huán)向360°槽鋼連接、加密鋼筋排”的支護形式，必要時在拱架下支撐豎支撐，防止拱架變形導致圍巖收斂變形。如圖5所示混凝土噴層對圍巖的封閉及加固能力是顯著的，當圍巖完整性極差時，可在C30混凝土支護(厚約0.2m)的基礎上增加注漿管，對大規(guī)模塌腔、裂縫及鋼拱架與巖壁間的空隙進行填實，以抑制圍巖內(nèi)部裂隙的進一步擴展。

圖5 現(xiàn)場采用豎支撐支護

4.2.4加強圍巖觀測

受中等-強烈?guī)r爆、斷層帶的影響，圍巖的自穩(wěn)能力通常較差，具體表現(xiàn)為圍巖內(nèi)部不斷有新生破裂產(chǎn)生，原生節(jié)理不斷擴展，宏觀變形不斷累積等現(xiàn)象，進而導致初期支護受力不斷增大，當支護體受力值超過極限強度后，會導致支護體發(fā)生變形失穩(wěn)，如錨桿被拉出、鋼拱架卷邊及扭曲等現(xiàn)象。

因此，在上述情況下，加強圍巖觀測是必要的，通過觀測圍巖收斂、錨桿受力及鋼拱架受力值隨時間的演化曲線可初步確定支護體的穩(wěn)定性及受力穩(wěn)定情況，當圍巖變形值或支護體受力量值大且變化速率大時，及時加強該區(qū)域的支護強度，通知現(xiàn)場人員注意圍巖變化情況，規(guī)避潛在風險。

5 結(jié)論

本文分析了某深埋隧洞易發(fā)生巖爆段、斷層段地質(zhì)及破壞特征，建立了TBM穿越巖爆、斷層區(qū)域的施工方法。

該段施工根據(jù)類比法、施工經(jīng)驗及儀器法“先預警”，了解巖爆等級及斷層規(guī)模后，開展“超前預加固、優(yōu)化進尺、調(diào)整掘進參數(shù)、及時支護、釋放應力、應急噴混凝土、及時監(jiān)測”的施工策略。上述策略的聯(lián)合施作，成功降低了TBM穿越巖爆、斷層區(qū)域期間對圍巖的擾動，有效提高了圍巖強度，最大限度減少了圍巖失穩(wěn)破壞的風險，進而有效提高了掘進效率。

基于上述施工方法，本工程順利穿越巖爆、斷層區(qū)域，且可為今后類似工程的施工提供經(jīng)驗與指導。