葉焰中 高健 羅來輝 孫云志 胡坤生 馮建偉

摘要：針對(duì)城市深埋隧洞TBM施工的特點(diǎn)，分析了施工中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)環(huán)境、各預(yù)報(bào)方法的適應(yīng)性，研究提出了以地質(zhì)分析為核心，物探為主，長(zhǎng)短預(yù)報(bào)距離相結(jié)合、定性定量相結(jié)合、多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互應(yīng)證的綜合預(yù)報(bào)體系。將該體系應(yīng)用于深圳羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程，為該工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了有力的技術(shù)支撐。研究成果可供粵港澳大灣區(qū)類似的城市TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)參考。

關(guān)鍵詞：城市深埋隧洞； TBM施工； 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)； 羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程； 粵港澳大灣區(qū)

中圖法分類號(hào)： TV53

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.012

0引 言

許多城市因建筑密集，加上地鐵和綜合體開發(fā)，淺層地下空間利用難度和成本都越來越大［1］，因而逐步尋求利用深層地下空間，如建設(shè)各類深埋隧洞工程。城市淺埋隧洞一般采用礦山法、盾構(gòu)法及頂管法等施工方法，而深埋隧洞由于大多位于硬質(zhì)巖層中，常常采用TBM法施工。

城市人口密集，高樓林立，地面與地下建筑物眾多，各類管線密布，深埋隧洞施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。TBM施工雖具掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，但地質(zhì)適應(yīng)性差，國(guó)內(nèi)外已發(fā)生多例事故，如引紅濟(jì)石工程存在突水涌泥、軟巖大變形，致卡機(jī)66次，TBM停機(jī)長(zhǎng)達(dá)3 a；廣深鐵路客運(yùn)專線獅子洋隧道大規(guī)模塌方，造成人員傷亡，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度。采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可避免或減少該類事故的有效手段，已成為大家的普遍認(rèn)識(shí)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在鉆爆法開挖的隧道（洞）中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的理論技術(shù)研究與工程應(yīng)用方面已經(jīng)取得了重要進(jìn)展和良好的效果，但由于TBM施工隧洞環(huán)境具有特殊性和復(fù)雜性，其超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的研究與應(yīng)用還進(jìn)展緩慢，仍然是國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的難題［2］。近年來，國(guó)內(nèi)各行業(yè)發(fā)布了一批超前地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)范，如T/CECS 616-2019《隧道施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》、DL/T 5783-2019《鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》及GB 50487-2008《水電水利地下工程地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)規(guī)程》，這些規(guī)范多為鉆爆法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的技術(shù)要求，國(guó)內(nèi)未見針對(duì)TBM施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)規(guī)程規(guī)范。面對(duì)日益增多的城市深埋隧道（洞）工程，本文研究提出一套適于城市深埋隧洞TBM施工的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，以為該類工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)作有益探索。

1城市深埋隧洞及其TBM施工特點(diǎn)

本文研究的城市深埋隧洞（道）一般指分布于城區(qū)埋深大的鐵路隧道、公路隧道及引（排）水隧洞等，區(qū)別于山嶺深埋長(zhǎng)隧洞（道），也不同于埋藏較淺的城市軌道交通、市政隧道，主要有以下特點(diǎn)。

（1） 埋深大。GB 50487-2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》規(guī)定：深埋隧洞一般埋深大于600 m，市政排水工程深隧埋深一般30～60 m。本文城市深埋隧洞一般指埋深大于50 m的隧洞。

（2） 地表敏感建筑物多。采用深埋隧洞的城市地面及地下淺層建設(shè)空間極其有限，一般各類建（構(gòu)）筑物數(shù)量及類型分布眾多，高樓林立，地下管線（道）密布。如各類房屋，地鐵、高鐵、公路等交叉建筑物，通信、電力、燃?xì)?、供（排）水管線等。此外還可能涉及對(duì)環(huán)境要求高的生態(tài)環(huán)境區(qū)、地表水體等。

（3） 地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞埋深大，大多位于基巖內(nèi)，可能涉及斷層破碎帶、富水體、軟弱巖層、深風(fēng)化槽、不整合接觸帶、蝕變巖體、高地應(yīng)力及有毒有害氣體等不良地質(zhì)。

（4） 施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。受不良地質(zhì)影響，深埋隧洞可能遭遇突泥涌水、巖爆、塌方、卡機(jī)、埋機(jī)等重大災(zāi)害，還可能引起地面沉陷等次生災(zāi)害。不但可能造成施工人員傷亡，設(shè)備受損，影響工程施工進(jìn)度；還可能使地面及淺層建（構(gòu)）筑物變形、損毀，影響其正常安全使用功能，如房屋倒塌、道路（橋梁）中斷、管線破裂，影響城市交通、信息、生產(chǎn)及生活，甚至人員傷亡。近年來國(guó)內(nèi)城市地鐵施工已出現(xiàn)過多起安全事故。

城市深埋隧洞大多位于硬質(zhì)巖層中，一般多采用TBM施工方法。TBM施工的優(yōu)劣對(duì)比如表1所列。

2TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系

城市深埋隧洞TBM施工風(fēng)險(xiǎn)大，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可預(yù)報(bào)掌子面前方不良地質(zhì)體的位置、產(chǎn)狀及其圍巖結(jié)構(gòu)的完整性與含水的可能性，為正確選擇掘進(jìn)方式、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、塌方、巖爆等地質(zhì)災(zāi)害及時(shí)提供信息，以便采取相應(yīng)施工預(yù)案，保證施工安全。

相對(duì)于傳統(tǒng)的隧道鉆爆法施工，TBM掘進(jìn)對(duì)地質(zhì)條件和巖石力學(xué)參數(shù)的依賴性較強(qiáng)，掘進(jìn)面前方地質(zhì)條件的準(zhǔn)確及時(shí)獲知對(duì)于TBM安全高效掘進(jìn)至關(guān)重要。為保障TBM施工安全，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作將發(fā)揮不可替代的作用。

2.1TBM施工環(huán)境特征

TBM施工環(huán)境具有“封閉性、空間小、干擾大，時(shí)間短”的特征（圖1）。① TBM依靠刀盤切削巖體向前推進(jìn)，掌子面被刀盤擋住，無法直接觀察掌子面地質(zhì)情況，雙護(hù)盾TBM四周還有護(hù)盾、管片保護(hù)，基本在一個(gè)封閉的空間作業(yè)；② TBM體積龐大，占據(jù)了工作面后方大部分隧洞空間，導(dǎo)致可用于超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的空間十分狹??；③ TBM具有復(fù)雜的電工系統(tǒng)與金屬結(jié)構(gòu)，電磁干擾十分嚴(yán)重；④ TBM掘進(jìn)速度快，工序銜接緊密，進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的時(shí)間短。

2.2隧洞圍巖物性參數(shù)特征

影響TBM施工的因素眾多，其中隧洞圍巖物性參數(shù)是重要的地質(zhì)因素。隧洞圍巖物性參數(shù)主要有巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc、磨蝕值CAI、巖體的完整性系數(shù)KV、破碎帶寬度L、滲透系數(shù)K、單位涌水量q、最大地應(yīng)力σm等。

（1） 巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc大小直接影響TBM掘進(jìn)速度。一般而言，Rc在40～75 MPa時(shí)，TBM施工效率高，大于150 MPa與小于15 MPa時(shí)不利于TBM施工。

（2） 磨蝕值CAI是是反映刀具磨損及掘進(jìn)速度的重要參數(shù)。指數(shù)越高，機(jī)械磨損越嚴(yán)重，停機(jī)換刀次數(shù)與時(shí)間越多，影響掘進(jìn)速度。根據(jù)大量工程實(shí)例，TBM在低—中等耐磨性圍巖中掘進(jìn)速度較快。

（3） 巖體的完整性系數(shù)KV是影響TBM掘進(jìn)效率的重要地質(zhì)因素。一般情況，巖體完整性高時(shí)，TBM掘進(jìn)慢，反之則速度快，但完整性太低，如呈碎裂或散體狀時(shí)，圍巖不能自穩(wěn)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，0.45≤KV≤075時(shí)，TBM掘時(shí)效率最高。

（4） 破碎帶寬度L對(duì)TBM施工影響較大。L＜5 m，TBM可采用調(diào)速等措施直接通過；10 m＜L＜30 m，需對(duì)破碎帶采取處理措施；L＞30 m時(shí)，則需開挖支洞處理。

（5） 圍巖滲透系數(shù)K＞10-2 cm/s時(shí)，易產(chǎn)生涌水突泥，不利于TBM施工；隨著滲透系數(shù)的減小，TBM施工條件越好。

（6） 單位涌水量q越大，隧洞遇到突涌水風(fēng)險(xiǎn)越高，TBM適應(yīng)性越差。

（7） 最大地應(yīng)力σm也對(duì)隧洞施工存在較大影響，對(duì)于深埋軟弱地層，高地應(yīng)力往往導(dǎo)致隧洞圍巖產(chǎn)生大變形與巖爆，是危及施工安全的主導(dǎo)因素。

2.3綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)方案

隧道施工中會(huì)揭露不同類型的不良地質(zhì)體，如斷層破碎帶、含水構(gòu)造等，每種不良地質(zhì)體的地質(zhì)屬性和地球物理響應(yīng)有很大差異，預(yù)報(bào)重點(diǎn)也有所不同。因此針對(duì)不同類型的不良地質(zhì)體探測(cè)所采用的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案不是一成不變的，應(yīng)根據(jù)其地質(zhì)屬性與地球物理響應(yīng)，制定差異化且有針對(duì)性的綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案，實(shí)現(xiàn)多種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的優(yōu)化組合，為實(shí)際工程中綜合超前預(yù)報(bào)工作的實(shí)施提供決策依據(jù)。

每一種超前預(yù)報(bào)方法都有其適用條件和優(yōu)缺點(diǎn)，針對(duì)不同類型的不良地質(zhì)情況，應(yīng)該選擇合適的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法。隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法有3類，即地質(zhì)分析預(yù)報(bào)法、物探探測(cè)預(yù)報(bào)法、超前鉆探法。此外，對(duì)于城市深埋隧洞（道），地表及淺部分布有許多敏感建（構(gòu)）筑物，將洞內(nèi)地質(zhì)觀測(cè)與洞外監(jiān)測(cè)（以下簡(jiǎn)稱內(nèi)觀及監(jiān)測(cè)）納入超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)預(yù)防地面塌陷等次生地質(zhì)災(zāi)害具重要意義。

TBM施工隧洞環(huán)境對(duì)許多常規(guī)預(yù)報(bào)方法具較大影響，甚至無法實(shí)施。經(jīng)分析比較及總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，適于TBM施工隧洞環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法主要有地質(zhì)分析法、地震波法、電法、超前鉆探法、內(nèi)觀及監(jiān)測(cè)等，其中地震波法中TGS、TRT、HSP法及電法中激發(fā)極化法效果相對(duì)較好，應(yīng)用較廣。根據(jù)TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的選擇原則，結(jié)合城市隧洞的特點(diǎn)，研究形成了多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互印證的城市深埋隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案（表2）。

2.4TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施原則

根據(jù)TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)“精細(xì)化、定量化、綜合化”的發(fā)展方向，融合地質(zhì)、物探、施工、監(jiān)測(cè)等多學(xué)科知識(shí)，參照類似工程經(jīng)驗(yàn)，擬定以下城市隧洞TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施原則：

（1） 重視TBM施工環(huán)境。TBM施工環(huán)境復(fù)雜，必須重視施工環(huán)境對(duì)預(yù)報(bào)工作實(shí)施及預(yù)報(bào)成果精度的影響。

（2） 加強(qiáng)內(nèi)觀與監(jiān)測(cè)。相對(duì)山嶺隧洞，城市隧洞施工風(fēng)險(xiǎn)高，應(yīng)加強(qiáng)洞內(nèi)涌水量、地溫、有毒有害氣體的觀測(cè)及地表敏感部位與建筑物的沉降、地下與地表水水位的監(jiān)測(cè)，保證施工及地表建筑物的安全。

（3） 以地質(zhì)分析為核心，以物探為主。將地質(zhì)分析貫穿整個(gè)預(yù)報(bào)工作全過程。在預(yù)報(bào)過程中，要充分利用物探手段獲取掌子面前方不良地質(zhì)體等信息。

（4） 長(zhǎng)短預(yù)報(bào)距離相結(jié)合。采用地質(zhì)分析方法時(shí)，利用已有與施工時(shí)獲取的資料進(jìn)行宏觀分析預(yù)測(cè)，再進(jìn)行進(jìn)行長(zhǎng)距離預(yù)測(cè)，最后采用激發(fā)極化法、超前鉆探法及內(nèi)觀與監(jiān)測(cè)進(jìn)行中、短距離補(bǔ)充。

（5） 定性與定量相結(jié)合。地質(zhì)分析法與超前鉆探主要對(duì)地層、不良地質(zhì)體等作定性判斷，物探預(yù)報(bào)方法與監(jiān)測(cè)成果多提供定量分析，在預(yù)報(bào)實(shí)施時(shí)需相互結(jié)合，相互印證。

（6） 多種物性參數(shù)互補(bǔ)。充分利用勘察成果中巖體力學(xué)參數(shù)，物探方法、監(jiān)測(cè)所獲取的物性參數(shù)進(jìn)行綜合分析，相互印證，相互補(bǔ)充。

3工程應(yīng)用

3.1工程概況

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程深圳境內(nèi)兩個(gè)配套項(xiàng)目之一，工程位于深圳市西部城區(qū)，由1條輸水干線隧洞與6條支線隧洞組成。干線隧洞長(zhǎng)約21.7 km，隧洞內(nèi)徑5.2 m，主要采用TBM法施工；支線隧洞采用鉆爆、頂管及明挖法施工。

該工程沿線分布變質(zhì)巖、沉積巖及侵入巖三大類，涉及震旦系、奧陶系、三疊系、侏羅系等7大地層，巖性復(fù)雜，軟硬不一；隧洞穿越6條較大規(guī)模斷裂；隧洞下穿茅洲河、松崗河、阿婆髻水庫(kù)等多處水體；存在斷層破碎帶、風(fēng)化深槽、軟弱圍巖等9類不良地質(zhì)體，地質(zhì)條件復(fù)雜。隧洞TBM施工存在風(fēng)化深槽引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，斷裂引起的隧洞涌水、圍巖變形問題，軟弱圍巖變形問題，下穿地表水體段圍巖突水（泥）問題，有毒有害氣體問題及高地溫與熱害問題。

3.2TBM超前地質(zhì)預(yù)報(bào)實(shí)施方案

根據(jù)場(chǎng)地影響TBM施工的巖性、構(gòu)造、隧洞圍巖參數(shù)、圍巖級(jí)別及不良地質(zhì)體性質(zhì)等，分析研究形成了羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)干線輸水隧洞TBM施工超前地預(yù)報(bào)分段實(shí)施方案（表3）。

4結(jié) 語

本文針對(duì)城市深埋隧洞，結(jié)合TBM施工特點(diǎn)，從TBM施工環(huán)境特征入手，分析了隧洞圍巖物性參數(shù)特征，根據(jù)不良地質(zhì)體的地質(zhì)屬性和地球物理響應(yīng)，選擇了適于TBM施工環(huán)境的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法，并強(qiáng)調(diào)了“內(nèi)觀與監(jiān)測(cè)法”對(duì)城市隧洞施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的重要意義。經(jīng)分析對(duì)比及總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，形成了多種物性參數(shù)相結(jié)合、多種方法相互應(yīng)證的城市隧洞綜合超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方案。同時(shí)提出了重視TBM施工環(huán)境，加強(qiáng)內(nèi)觀與監(jiān)測(cè)，以地質(zhì)分析為核心。以物探為主，長(zhǎng)短預(yù)報(bào)距離相結(jié)合，定性與定量相結(jié)合，多種物性參數(shù)互補(bǔ)的實(shí)施原則，構(gòu)成了城市深埋隧洞TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系。該體系已成功應(yīng)用于深圳羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程，為該工程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)提供了有力的技術(shù)支撐，可供粵港澳大灣區(qū)類似工程的TBM施工超前地質(zhì)預(yù)報(bào)參考。

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（編輯：黃文晉）