引紅濟石越嶺隧洞TBM法施工工程地質條件評價及對策

孫云博

(水利部陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院，陜西 咸陽71200)

引紅濟石調水工程位于陜西省太白縣境內，是陜西省南水北調工程規劃的西線調水方案，工程擬將長江水系的褒河支流紅巖河水跨流域調入黃河水系石頭河支流桃川河，年調水量0.94億m3，屬Ⅱ等大(二)型水利工程。

引紅濟石調水工程由關山引水樞紐和引水隧洞兩大部分組成。引水樞紐由混凝土重力式溢流壩、沖砂閘、進水閘和輸水暗渠四部分組成，設計壩頂高程1 478.50 m，溢流堰頂高程1 471.50 m，壩頂長95 m。引水隧洞沿太白盆地南緣布置，進口位于關山壩址下游560 m處的紅巖河谷左岸，進口高程1 468.47 m，出口位于五里坡東桃川河左岸，出口高程1 443.72 m，洞線全長 19.73 km。

1 隧洞工程地質條件

設計施工方案采用鉆爆法+TBM法施工，由樁號8+600～19+735 m段設計采用TBM法施工。由隧洞出口進洞開始由東向西掘進，TBM施工洞段總長11.135 Km。

TBM施工洞段8+600～12+185 m，其中10+000 m以前，地貌屬侵蝕中山，圍巖以條帶狀大理巖為主，夾角閃片巖、片麻巖、綠泥石片巖及碳質片巖等。巖體呈塊狀、層狀結構。大理巖中存在溶蝕裂隙，地下水活動復雜，鉆進過程中漏漿量較大，ZK14揭示大理巖強風化厚13m，ZK14、ZK15揭示存在裂隙承壓水。以后為冰磧臺地，冰磧物厚100～150 m，基巖頂板一般高于洞底150 m，隧洞埋深一般約300 m，最大約400 m。深部層理傾角25°～30°，該段工程地質條件復雜，圍巖呈軟硬相間，圍巖可鉆性適宜性較差。屬穩定性差的Ⅲ類～不穩定的Ⅳ類圍巖，建議 fk=2～4，k0=3～10 MPa/cm，E0=3～7GPa，μ =0.25～0.3。樁號 9+203 ～9+363 m，洞室穿越F1斷層，斷層帶巖體為極不穩定的Ⅴ類圍巖。建議 fk=0.8，k0=1.0 MPa/cm。12+185～15+210 m、15+210～19+100 m、19+100～19+735 m 段地質條件如下表1。

表1

2 TBM法施工洞段存在的主要工程地質問題

2.1 圍巖的可鉆性評價

圍巖的可鉆性從圍巖強度、耐磨性、完整程度等方面來評價，評價的具體指標為飽和抗壓強度、硬度、石英含量等。通過大量的室內試驗確定:大理巖飽和抗壓強度為54.7 MPa，硬質片巖為104 MPa，花崗巖為175 MPa，屬中硬 ～堅硬巖石，強度高，耐磨性好，使刀具消耗大。大理巖、片巖中所夾的云母片巖Rb=30 MPa，碳質片巖Rb=20 MPa，屬軟質巖石，強度低，可鉆性差。巖體的完整程度大理巖呈塊狀～層狀結構，完整性較好，片巖呈中厚層狀～層狀結構，由于風化層厚度大，完整性較差，花崗巖由于受構造、風化影響，完整性差。巖石礦物含量隧洞沿線按不同巖性取樣6組，試驗成果匯總如表2。

表2 巖石礦物成份鑒定含量表

綜上所述，隧洞圍巖的飽和抗壓強度 Rb=54.7～175 MPa，屬堅硬巖石，適合TBM施工，但刀具消耗大，硬質巖中軟巖夾層可鉆性及適宜性較差，設計應充分考慮這一因素。

2.2 巖溶問題

TBM法施工洞段，8+600～12+185 m長3.585 km屬大理巖洞段，巖溶發育程度一般較弱，但很不均一，巖溶形態以溶隙、溶孔為主，且有少量小溶洞，對TBM施工影響不大。據線路鉆孔揭示地下巖溶不發育，除ZK28抽水孔在高程1 525 m(距洞底70 m)發育一直徑0.9 m的溶洞外，其它鉆孔僅見少量的溶孔，一般溶隙較發育，溶孔一般＜1 cm，大者約2～3 cm，高度小于0.5 cm。大理巖與片麻巖結合緊密，未見接觸帶發生溶蝕現象。

2.3 地下水

根據遙感工程地區報告，TBM法施工洞段小罐子以東(樁號8+600～10+080 m)長1.48 km為地下水富集區。特別是F1等斷層破碎帶為溶隙承壓水富集區。該段施工初期可能出現高壓水流和較大的突發涌水。根據1#施工支洞揭示大理巖洞段的涌水以線狀滴水和股狀涌水為主，該段洞500余m的大理巖段觀測涌水量為2 000～2 200 m3/d。根據涌水量問題報告，引水隧洞小罐子一線涌水量為0.12 m3/s，出口段為0.9 m3/s。出現較大和較長的突水性線狀涌水洞段，將會影響TBM設備的運行和安全，使其無法正常工作。建議在TBM施工洞段，對可能存在重大工程地質問題的地段，重視加強超前預測預報工作，方法可采用超前TSP技術或超前平洞、鉆孔等，進行地下洞室涌水量、斷層破碎帶、巖爆等不良地質問題預測，以便采取相應的防護措施。

2.4 斷層破碎帶問題

TBM法施工洞段在樁號9+728～9+859 m、15+191～15+225 m 、17+111～17+143 m、18+266～18+294 m、18+623～18+664 m 穿過 F1、F27、F28、F29、F32等 5 條斷層。其中F1與洞線交角小，規模較大，斷層破碎帶沿洞線出露寬度160 m。F27、F28、F29與洞線近直交，傾角大，斷層破碎帶沿洞線出露寬度約30 m。斷層破碎帶及其影響帶，巖體呈散體狀或破碎，為極不穩定的Ⅴ類圍巖，地下水活動強烈，施工時TBM遇到的主要危險是被巖層夾住，進退不得甚至被塌方的巖石埋掉。為避免此類危險事故的發生，最大限度發揮TBM施工的優越性能，應采取必要的輔助措施。建議根據地質情況采用噴錨、掛網、固結灌漿等綜合措施加固巖體和排水減壓。在通過最困難地層時，采用人工開挖頂部導坑、必要時采用鉆爆法處理。

總之TBM施工洞段圍巖以硬質巖為主，巖體完整性較好，屬穩局部定性差的Ⅲ類～不穩定的Ⅳ類圍巖。但大理巖洞段有云母片巖、碳質片巖等軟巖層或軟弱夾層;片巖段巖相復雜，巖性變化大，軟硬相間巖層結構給TBM選型有一定的制約;全洞段位于地下水位以下，地下水豐富，可能存在層間裂隙承壓水，施工時可能有突發涌水和存在較高的承壓水頭。TBM施工洞段地質條件復雜多變，存在涌水、破碎巖體、軟弱夾層等問題。建議施工中認真對待，加強施工地質工作。選擇的TBM應安裝地質雷達、超前鉆探等預測設備，并能對不良地質體進行加固、排水及灌漿的輔助設備。

3 結論和建議

(1)引水線路位于太白盆地中南部，隧洞穿越的地層巖性主要為秦嶺群變質巖及少量的花崗巖。其中花崗巖洞段長約1 km，占整個隧洞的5%，大理巖洞段位于隧洞的中段，長6 km左右，約占31%，其余為片麻巖、片巖約占64%。洞室全部位于基巖之中，圍巖軟硬相間，以弱～微風化為主，多屬穩定性差的Ⅲ類圍巖;但在隧洞樁號3+510～6+700 m、6+700～7+500 m、8+010～12+390 m、12+390～19+285 m洞段有云母片巖、炭質片巖、綠泥石片巖等軟弱巖層和軟弱夾層分布，對洞室穩定和施工不利。在ZK14孔以東主要洞段中，硬質巖中夾有軟質巖或軟弱夾層，巖性相變大，結構不均一，預測施工中突發涌水量較大，但軟弱巖層和軟弱夾層對TBM法施工有一定的影響，建議設計在設備選型時應考慮該段線路的工程地質特點，對深埋長隧洞工程應加強超前地質預報，加強新探測技術、方法的利用。

(2)加強施工地質工作，及時編錄，校核前期勘察成果，進行施工階段補充勘察工作，對影響洞室穩定和施工安全的構造、涌水、巖爆、有害氣體、地溫等不良地質現象進行預測預報。

(3)針對TBM法施工洞段的地質條件和存在的主要工程地質問題，建議設計選用適合的TBM機器類型，應配備超前TSP技術鉆探、平硐等探測預報，加固圍巖、預注灌漿及超前測試(如地質雷達)設備，并應做好地質編錄與預報。

［1］陜西引紅濟石調水工程地質勘察報告.(初步設計階段)陜西省水利電力勘測設計研究院勘察分院.

［2］張照煌，李福田.全斷面隧道掘進機施工技術.中國水利水電出版社.

［3］水利水電工程地質勘察規范(GB50487—2008).

［4］中小型水利水電工程地質勘察規范.(SL55—2005).