陳 誠，張 宇

(1.新疆水發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.東北大學(xué)深部金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819)

1 概述

隨著水利水電基礎(chǔ)工程施工技術(shù)的迅猛發(fā)展，特長深埋輸水隧洞建設(shè)數(shù)量快速增長，相關(guān)工程呈現(xiàn)超長、深埋的特征[1]。在特長深埋輸水隧洞施工過程中，存在隧洞埋深大、洞線長、地質(zhì)條件和施工條件復(fù)雜等諸多問題，對TBM施工進(jìn)度造成顯著影響，TBM施工過程中塌方、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響掘進(jìn)速率以及設(shè)備和人員安全，逐漸成為制約特長深埋輸水隧洞施工效率的關(guān)鍵。斷層破碎帶作為特殊的地質(zhì)構(gòu)造，常常是影響TBM順利掘進(jìn)的重難點[2]，新疆某引水隧洞工程中，TBM穿越T4支洞0+717—0+750段多次穿越斷層破碎帶，期間TBM進(jìn)尺較低，多次發(fā)生卡機(jī)事故，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率[3]，2018年7月2日廣西桂中治旱樂灘水庫引水灌區(qū)北干一標(biāo)段TBM穿越斷層破碎帶時發(fā)生嚴(yán)重卡機(jī)[4]；此外，巖爆作為一種動力災(zāi)害，逐漸成為嚴(yán)重影響深埋超長隧洞的安全施工的重要因素，錦屏引水隧洞施工期間發(fā)生“11.28”極強(qiáng)巖爆，導(dǎo)致TBM被埋，多人受傷，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡[5]。

本文結(jié)合新疆某引水隧洞工程實踐，從復(fù)雜地質(zhì)條件、長距離運輸、刀具選用、長距離皮帶機(jī)選用等方面分析影響特長深埋隧洞工程施工進(jìn)度的主要因素，進(jìn)而把握對特長深埋隧洞工程施工進(jìn)度的管控要點。

2 工程概況

某深埋TBM隧洞主洞長度41.0km，采用2臺TBM施工，TBM總掘進(jìn)長度40.27km，為獨頭掘進(jìn)，隧洞埋深631～791m，隧洞以Ⅱ類圍巖為主，總長20.726km，占比約50.55%，隧洞穿越區(qū)域巖性主要有鈣質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖、志留系片理化凝灰?guī)r、花崗巖夾黑云母花崗巖。根據(jù)地形地質(zhì)及施工分段規(guī)劃，其中TBM有2個施工段，平面布置如圖1所示。

圖1 平面布置示意圖

3 TBM施工進(jìn)度重難點分析及管控

3.1 復(fù)雜地質(zhì)條件

本標(biāo)段隧洞開挖可能遇到的不良地質(zhì)問題主要有：突涌水(泥)、斷層、塌方、巖爆等。根據(jù)隧洞段初步圍巖分類，隧洞開挖過程中需通過較大斷層帶6次，斷層巖體穩(wěn)定性差，對圍巖穩(wěn)定性具有顯著影響。對于可能遇到的不良地質(zhì)問題，堅持“先探后掘”的原則，采用超前預(yù)報和長、短距離超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)報機(jī)制，構(gòu)成隧洞施工的地質(zhì)綜合預(yù)報體系，進(jìn)行不良地質(zhì)預(yù)報，將預(yù)報信息適時傳輸至工程信息管理系統(tǒng)，通過預(yù)報來降低風(fēng)險。同時制定應(yīng)對各種不良地質(zhì)條件情況下TBM施工方案、防護(hù)措施、應(yīng)急預(yù)案。根據(jù)地質(zhì)預(yù)報預(yù)測情況，針對各種不良地質(zhì)地段，采取合適的掘進(jìn)模式和支護(hù)參數(shù)，確保人員和TBM設(shè)備的安全，保證TBM設(shè)備正常運行。

3.1.1突涌水(泥)

該標(biāo)段主要為貯存于斷層破碎帶、裂隙密集帶的基巖裂隙水。開挖結(jié)果顯示，上述地質(zhì)區(qū)域大多以滲水、滴水為主，局部出現(xiàn)線狀流水，如圖2所示。針對可能存在的突涌水(泥)掘進(jìn)段，應(yīng)結(jié)合日常地質(zhì)描述，首先采用超前地質(zhì)預(yù)報法，預(yù)報掌子面前方的圍巖構(gòu)造和含水情況，按“早探明、預(yù)注漿、快封閉，先探后掘，堵排結(jié)合，節(jié)制排放”的原則進(jìn)行施工，盡可能地減少涌水對施工造成災(zāi)難性的影響。

圖2 地下水特征

2022年4月19日，K229+685—698掘進(jìn)段段圍巖條件較差，現(xiàn)場出現(xiàn)大范圍線狀流水和滴滲水特征，如圖3所示，統(tǒng)計表明該區(qū)段現(xiàn)場涌水量86.32m3/h。為保證施工安全有序推進(jìn)，對該區(qū)域開展突涌水治理工作，嚴(yán)格遵守“早探明、預(yù)注漿、快封閉，先探后掘，堵排結(jié)合，節(jié)制排放”的原則，現(xiàn)場采用GEI綜合電儀法對K229+698—K229+728段在該區(qū)域開展超前地質(zhì)預(yù)報，如圖4所示，三維點電阻率圖像中電阻率值整體較低，推斷該區(qū)域圍巖以出現(xiàn)滴滲水和線狀出水。開挖至K229+725時，掘進(jìn)涌水量達(dá)185.35m3/h，現(xiàn)場及時停機(jī)，為保證堵水效果及施工便捷性，待TBM通過該區(qū)域后對該區(qū)域開展進(jìn)一步堵水工作，對現(xiàn)場散水區(qū)域進(jìn)行環(huán)向和縱向帷幕止水灌漿孔鉆孔，采用純壓式灌漿，待表面封堵和淺層灌漿完成后，將涌水最后匯集到主水孔中，引流孔堵水灌漿采用分段灌漿。通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)記錄、測量隊灌漿堵水效果進(jìn)行評價。堵水結(jié)果表明，堵水后滲水量為21.2m3/h，灌漿堵水后封堵效果減水率大于80%，且隧洞洞壁不再出現(xiàn)線狀流水，堵水效果滿足設(shè)計掘進(jìn)要求，如圖5所示。

圖3 K229+685—698附近滴滲水

圖4 K229+698—K229+728超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果

圖5 現(xiàn)場堵水效果

3.1.2斷層破碎帶

該標(biāo)段內(nèi)無區(qū)域性大斷裂通過，但發(fā)育f67～f71、f71-1共6條較大的次級斷層，產(chǎn)狀70°SE∠70°或290°～330°SW(NE)∠60°～75°，斷層走向與洞線方向夾角20°～60°，破碎帶寬度10～30m，帶內(nèi)以糜棱巖、碎裂巖及斷層角礫巖為主。掘進(jìn)期間，于f69發(fā)生大范圍塌方破壞，塌腔深度最深10.3m，造成現(xiàn)場工期延誤長達(dá)18天。為此，提出了“先探后掘、超前處理、緊跟加固”的掘進(jìn)原則，做到“早探明、預(yù)加固，少擾動，強(qiáng)支護(hù)，勤量測，快封閉”。采用超前地質(zhì)預(yù)報的方式，對未掘進(jìn)區(qū)域地質(zhì)條件進(jìn)行探明，采用固結(jié)灌漿(化學(xué)灌漿)技術(shù)措施加固圍巖和堵水后，根據(jù)破碎地質(zhì)的規(guī)模、性質(zhì)，采用大管棚、小導(dǎo)管等超前支護(hù)或超前注漿固結(jié)地層等措施，再進(jìn)行TBM掘進(jìn)。

2021年11月15日TBM穿越f69斷層破碎帶時，為保證TBM順利通過，現(xiàn)場采用超前地質(zhì)預(yù)報進(jìn)一步得到消息的地質(zhì)條件，隨后對護(hù)盾區(qū)域附近圍巖采用固結(jié)灌漿的方式加固圍巖，同時縮短鋼拱架間距，并封閉圍巖，后續(xù)監(jiān)測表明，鋼拱架發(fā)生輕微下沉，但在允許范圍內(nèi)，該方法有效地保證了圍巖的穩(wěn)定性，促進(jìn)了TBM順利通過。

3.1.3塌方

該標(biāo)段斷層破碎帶、影響帶、節(jié)理裂隙密集帶和Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段，以及存在不利結(jié)構(gòu)面組合的洞段，存在發(fā)生塌方的可能性[6]。TBM穿越不良地質(zhì)段可能遇到洞室不同部位的塌方，現(xiàn)場統(tǒng)計了K229+200—K231+528區(qū)段塌方發(fā)生位置，如圖6所示，結(jié)果表明，塌方主要發(fā)生于護(hù)盾頂部附近10～2點鐘附近，此外9～10點鐘方位、2～3點鐘方位也有分布。受限于TBM結(jié)構(gòu)影響，掌子面前方地質(zhì)條件往往無法直接觀測獲取，為此，開展超前地質(zhì)預(yù)報有助于獲取掌子面前方地質(zhì)條件，一定程度上可以獲取到前方塌方風(fēng)險，為進(jìn)一步施工準(zhǔn)備提供參考。

圖6 塌方區(qū)域占比

圖7是K232+270—232+370段超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果圖，由圖7可知K232+270—320段正負(fù)反推明顯，由此推斷該區(qū)段圍巖較為破碎，節(jié)理發(fā)育，易發(fā)生塌方；K232+320—370段圍巖較上一區(qū)段有變好趨勢，易發(fā)生掉塊，局部可能存在塌方。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)場及時準(zhǔn)備支護(hù)材料，最終K232+277—298區(qū)段發(fā)生多次塌方。由于現(xiàn)場及時支護(hù)，有效提高了現(xiàn)場施工效率。

圖7 K232+270—370超前地質(zhì)預(yù)報成像圖

3.1.4巖爆

巖爆是一種復(fù)雜的動力性地質(zhì)災(zāi)害，隨著越來越多的地下工程向深部進(jìn)軍，巖爆逐漸成為制約工程安全開展的重要影響因素[7-8]。本標(biāo)段隧道沿線地應(yīng)力高，最大主應(yīng)力為36MPa，以水平主應(yīng)力為主，整體為華力西期花崗巖夾黑云母花崗巖，沿線以Ⅱ類和Ⅲ類圍巖為主，整體占比超80%，具備較高的巖爆風(fēng)險[9]。K228+235—K231+358施工期間，巖爆段長度約1021.35m，占比約32.8%，其中中等巖爆占比約62.55，長度640.7m，掘進(jìn)期間發(fā)生了兩次典型巖爆。微震監(jiān)測作為巖爆預(yù)警的最有效手段之一，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于深埋隧道工程，因此為保證施工人員和設(shè)備安全，現(xiàn)場采用東北大學(xué)自主研發(fā)的SinoSeism(SSS)微震監(jiān)測系統(tǒng)[10]，通過巖爆微震監(jiān)測預(yù)警結(jié)果，及時掌握巖爆等級和位置，并采用相應(yīng)的支護(hù)方案開展支護(hù)，保證現(xiàn)場施工安全。不同巖爆等級應(yīng)采用應(yīng)相的支護(hù)方案，本文以隧洞掘進(jìn)期間發(fā)生的一次中等巖爆為例，詳細(xì)闡述其防控過程，此外，輕微巖爆和強(qiáng)烈?guī)r爆等支護(hù)方案可以參考文獻(xiàn)[11]。

2021年3月16日10：00至3月18日9：00，微震監(jiān)測系統(tǒng)捕捉到巖石破裂時間69個，累積微震釋放能為339026.8J，微震事件主要分布于10～1點鐘方位，現(xiàn)場地質(zhì)條件調(diào)查表明，圍巖干燥且完整性好，綜合考慮預(yù)警中等巖爆。3月19日現(xiàn)場地質(zhì)踏勘表明，3月18日16點30分于K229+630～632.8附近10點～12點鐘方位發(fā)生中等巖爆，爆坑深度0.68m，與微震事件空間分布具有較好的一致性，如圖8所示；現(xiàn)場施工人員反饋，巖爆發(fā)生時有顯著的噼啪聲響和悶響聲。為保證施工安全，現(xiàn)場施工人員聽到巖爆聲響后立刻撤離護(hù)盾附近，待巖爆聲響消失后，根據(jù)現(xiàn)場包坑揭露深度判定為中等巖爆，采用HW125鋼拱架和φ22mm的鋼筋排進(jìn)行支護(hù)，同時采用低速率掘進(jìn)，并對護(hù)盾附近進(jìn)行高壓噴水，軟化圍巖。后續(xù)微震監(jiān)測結(jié)果表明，該區(qū)域不再產(chǎn)生微震事件，同時無破壞發(fā)生，隨著時間推移，該區(qū)域微震活動區(qū)域平靜，圍巖應(yīng)力調(diào)整結(jié)束。

圖8 巖爆預(yù)警結(jié)果及驗證

3.2 運輸調(diào)度管控

該標(biāo)段T5支洞總長6.4km，綜合坡度11%，最大坡度11.8%，支洞高差達(dá)700多米，支洞斷面直徑為8.5m，洞內(nèi)有11個錯車段(含3個會車洞)，間距約為450～700m，內(nèi)部軸向架設(shè)有風(fēng)道、料渣傳送帶、輸水管道、電力線纜、通信現(xiàn)纜、照明燈、電臺用無線通信中繼基站等設(shè)備。由于支洞內(nèi)存在多種設(shè)備，實際留給車輛安全行駛的有效空間為4m×4m(截面尺寸)，T5支洞空間分配示意圖具體如圖9所示，T5支洞現(xiàn)場情況具體如圖10所示。另外該標(biāo)段獨頭掘進(jìn)距離長，TBM9掘進(jìn)長度19.635km，TBM10掘進(jìn)長度20.635km，長距離獨頭掘進(jìn)施工對施工運輸有較高的要求。因此該標(biāo)段的主支洞物料運輸、調(diào)度管理是該標(biāo)段的重點和難點。

圖9 支洞空間分配示意圖

圖10 支洞現(xiàn)場圖

T5支洞平均每500m布置一個錯車平臺，每2000m布置一個回車洞。洞外各材料存放點或加工點到TBM服務(wù)區(qū)采用無軌方式運輸，組裝洞室至TBM掘進(jìn)機(jī)施工點采用有軌運輸。TBM9、TBM10掘進(jìn)、襯砌、灌漿原材料都從T5支洞進(jìn)入，采用2臺20t自卸汽車進(jìn)行運輸，洞內(nèi)拌合站需要的水泥、粉煤灰采用1臺15t膠凝材料罐車運輸。主洞內(nèi)TBM9有軌運輸距離最長約21km，TBM10有軌運輸距離最長約20km，每5km設(shè)置一個錯車平臺，TBM在掘進(jìn)過程中，作業(yè)面需要的鋼枕梁、噴漿料、拱架、網(wǎng)片、錨桿、水泥等采用4臺CFL-150DCL德國SCHOMA內(nèi)燃機(jī)軌道運輸牽引機(jī)車。為便于主支洞交通順暢安全，主支洞調(diào)度采用由盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的“長距離隧道施工智能調(diào)度管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)集成無線定位系統(tǒng)、避讓系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)為一體，高效的解決了目前長距離隧洞內(nèi)的調(diào)度管理混亂的問題，大幅度提升了隧洞施工期的運輸能力和安全性。

3.3 設(shè)備選用

3.3.1TBM刀具的選用

根據(jù)不同的圍巖地質(zhì)條件，不同的刀具屬性和刀具布置形式對TBM的掘進(jìn)速度都會有很大的影響。選擇合適的刀具，既能有效控制施工成本，還能對施工進(jìn)度起到一定的提升。該標(biāo)段石英含量高(最高達(dá)35%)、巖石抗壓強(qiáng)度大且凝灰質(zhì)砂巖段較長，硬巖段掘進(jìn)造成刀具磨損嚴(yán)重。砂巖段有水會造成裹刀現(xiàn)象，導(dǎo)致刀具偏磨。試掘進(jìn)期間，刀具緊固螺桿頻繁斷裂，刀具查看時間延長，同時設(shè)備廠家提供刀具為寬刃刀，耐磨但貫入度過低，提供窄刃刀后正常磨損過快，更換螺桿及刀具總時間較長，影響TBM掘進(jìn)。

(1)刀圈。HD刀圈的硬度控制在HRC55-HRC57，XHD刀圈的硬度控制在HRC57-HRC59，該硬度范圍保證了刀圈在硬巖和極硬巖下的耐磨性能達(dá)到上述硬度的同時，刀圈的韌性也控制在一個合理的范圍內(nèi)。刀圈的韌性保證了刀圈的使用強(qiáng)度，有效減少了刀圈的崩刃、斷裂等異常損壞，在使用過程中切削截面變化較小，保證了刀圈磨損過程中一直保持的貫入度。

(2)軸承。全部采用鐵姆肯重載軸承，且均為鐵姆肯原廠的正品。

(3)金屬密封。采用德國進(jìn)口的格茨密封，且均為Federal Mogul原廠的正品。

(4)刀軸、刀體等結(jié)構(gòu)件。刀體、刀軸的配合面均經(jīng)過相應(yīng)的熱處理和局部硬化，硬化層深度富裕度高，確保使用過程中避免出現(xiàn)松動等現(xiàn)象，同時顯著提高了使用壽命。

(5)刀具裝配及修復(fù)。根據(jù)工程實際工況，完善一整套完備的刀具裝配及修復(fù)流程。裝刀人員均經(jīng)過嚴(yán)格專業(yè)培訓(xùn)與考核，具備獨立的故障判斷、檢查、裝配及修復(fù)能力。所裝配和修復(fù)的刀具，達(dá)到了良好的使用要求。

項目部對力天重工厚刃刀(22.3mm)和羅賓斯窄刃刀(19mm)的2000m掘進(jìn)使用對比分析，見表1。可以看出，TBM10針對高石英含量、高硬度花崗巖采用羅賓斯窄刃刀對TBM掘進(jìn)效率提升有較大提升。

表1 TBM10刀具性能分析

3.3.2皮帶機(jī)選用

該標(biāo)段TBM9掘進(jìn)段連續(xù)皮帶機(jī)長度21km，TBM10掘進(jìn)段連續(xù)皮帶機(jī)長度20km，因此如何保障連續(xù)皮帶機(jī)長距離安全高效運行是該標(biāo)段的重點。主洞連續(xù)皮帶機(jī)是出渣系統(tǒng)中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，連續(xù)皮帶輸送系統(tǒng)由可移動的皮帶輸送機(jī)尾部、皮帶存儲及張緊機(jī)構(gòu)、變頻控制的皮帶輸送機(jī)驅(qū)動裝置、助力驅(qū)動裝置、皮帶托滾及支架、調(diào)心輪、皮帶輸送機(jī)卸載機(jī)構(gòu)、輸送帶、皮帶打滑探測裝置、皮帶接頭、變頻控制系統(tǒng)、應(yīng)急拉索、皮帶硫化機(jī)等組成。

長距離皮帶張力平衡的重點和難點包括：長距離皮帶自身彈性導(dǎo)致張力不均衡、長距離皮帶需將其張力降至最低狀態(tài)從而保證啟動時皮帶不打滑、長距離皮帶機(jī)加力站與加力站、加力站與首部驅(qū)動站之間的皮帶張力平衡、皮帶機(jī)上渣料分布不均時導(dǎo)致的皮帶張力不均衡、皮帶機(jī)延伸過程中由于長度增加而使得皮帶張力實時發(fā)生變化，通過PLC控制實現(xiàn)整條皮帶機(jī)皮帶張緊力的平衡同步，同時皮帶滿足驅(qū)動電機(jī)的啟動前3min(速度10%以內(nèi))為慢升速階段，便于緊急情況下的人員逃生。

重視皮帶機(jī)的選型，皮帶機(jī)的輸送能力需滿足最高掘進(jìn)速度的要求，并留有一定的余量，以應(yīng)對突變的荷載并能有效地轉(zhuǎn)運大量堆積的巖渣[12]。皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)應(yīng)具有調(diào)速、調(diào)向、自動清理、刮渣、防跑偏、耐磨、防滑等功能，膠帶機(jī)控制系統(tǒng)有故障自動診斷、顯示、報警功能[12]。選用高強(qiáng)度的膠帶，是完成本標(biāo)段全部巖渣輸送的關(guān)鍵。此外，支洞固定皮帶機(jī)坡度較大，現(xiàn)場應(yīng)具備防止皮帶反轉(zhuǎn)的措施。此外，長距離的連續(xù)皮帶機(jī)出渣對系統(tǒng)的性能及利用率提出了很高的要求，為了提高其利用率，必須對皮帶進(jìn)行定期和不定期的維修保養(yǎng)。

4 結(jié)語

復(fù)雜地質(zhì)條件、長距離運輸、刀具選用、長距離皮帶機(jī)選用等問題是特長深埋硬巖TBM施工輸水隧洞施工過程中的重難點。本文以新疆某深埋TBM隧道為研究背景，詳細(xì)分析了巖爆、塌方、斷層破碎帶、突涌水等地質(zhì)災(zāi)害的防控方法，采用超前地質(zhì)預(yù)報和微震監(jiān)測預(yù)報等技術(shù)手段能夠有效保證現(xiàn)場施工效率以及設(shè)備和人員安全。同時，通過優(yōu)化資源配置，合理組織施工，采用“平面多工序，立體多層次”的組織工序，從運輸調(diào)度管控和設(shè)備選取方面實現(xiàn)工程的均衡快速施工，研究成果能夠為相近深埋TBM工程提供參考。