引洮工程TBM施工極軟巖隧洞段工程地質問題分析與評價

張成儉

(甘肅省水利水電勘測設計研究院 蘭州 730000)

1 引言

國外的實踐證明,在相同的條件下TBM掘進速度約為常規鉆爆法的3～10倍[1]。

基于此,在一些發達國家TBM法已經廣泛應用于礦山巷道、公路鐵路隧道、水利水電隧洞以及國防地下工程的施工之中,并明確規定3km以上的隧道必須采用TBM法施工[2,3]。目前我國正在建設和規劃中的跨流域大型水電工程深埋長隧道中,TBM法施工也在逐漸擴大使用。TBM法施工對地質環境的適應及綜合管理水平要求較高,受到諸如巖石節理、低圍巖強度、初始裂紋、地下水以及原巖應力等多種因素的綜合影響。圍巖大變形造成刀盤被卡,TBM施工停滯,突水涌泥、涌砂及塌方冒頂等地質災害,導致TBM掘進效率低,對TBM施工和隧洞安全形成威脅[4]。

本文根據引洮供水工程7#引水隧洞極軟巖段TBM施工的具體工程實踐,探討了TBM施工隧洞,查明不良地質地段分布、分析影響TBM施工進度,易造成掘進機被困主要地質因素的重要性。

2 工程概況及地質環境

2.1 工程概況

引洮供水工程是重點解決甘肅省中部地區干旱缺水問題,改變該地區貧窮落后面貌和生態環境惡化狀況的大型跨流域調水工程,設計引水流量32m3/s,加大流量 36m3/s,引水總干渠長110.48km,其中隧洞18座、長92.97km,占總干渠長的84.2%。

引洮供水一期工程總干渠7#隧洞位于甘肅省渭源縣境內,隧洞穿越東峪溝-秦祁河之間的低中山區,全長17.3km(樁號46+715～64+001),最大埋深368m,圓形斷面,設計開挖洞徑5.75m(凈直徑4.96m)。隧洞屬軟巖、極軟巖長隧洞,地質環境復雜,施工難度大,是引洮供水一期工程控制性工程之一,采用一臺單護盾TBM自出口向進口掘進,預制六邊形管片襯砌。表1為7#引水隧洞工程施工計劃安排情況。

2.2 地質環境

7#隧洞地處薄層黃土覆蓋的基巖低中山區,新寨梁地勢最高,海拔2475m,該梁北西-南東向延伸10余公里,兩側支溝屬季節性河流。隧洞區位于渭源中新生代盆地,沉積了巨厚層的山麓、河湖相碎屑巖,以白堊系和上第三系地層為主。隧洞進口段3.6km洞身巖性為白堊系砂巖、泥質頁巖夾泥質粉砂巖,單斜狀巖層;其余13.6km圍巖由上第三系臨夏組 (N2L)紅色碎屑巖構成,主要巖性包括泥質粉砂巖、砂質泥巖、細砂巖、粉細砂巖、砂礫巖、含礫砂巖等。隧洞所處地段受地質構造影響輕微,斷裂不發育,僅分布舒緩褶皺。顆粒稍粗的碎屑巖中賦存層狀孔隙～裂隙水,水量較小,具承壓性。

表1 7#引水隧洞工程施工分段概況

3 隧洞圍巖工程地質水文地質特征

3.1 強度特征

隧洞上第三系臨夏組(N2L),按巖性、工程地質特性劃分為3個工程地質巖組:①細砂巖組(由于結構疏松,也俗稱疏松砂巖);②粉細砂巖組;③粉砂巖、砂質泥巖組。

對3個巖組分類進行了十余組巖石顆粒分析、物理力學試驗,其干密度為2.0～2.1 g/cm3,孔隙率20%～24%,飽和單軸抗壓強度多小于2.5MPa,小值平均值多小于 1MPa,變形模量 470～1000MPa。

此類巖石力學指標的水敏性很強。含水量越高,其力學強度特征值越低,天然或干燥狀態下具有較高的強度和承載力,但當含水率增加時,各特征值衰減很快。含水率與抗壓強度呈半對數負相關(圖1)。由于水理性質差,遇水極易崩解泥化,在干濕交替條件下結構遭到破壞,很快剝落崩解(表2)。

圖1 泥質粉砂巖抗壓強度與含水率變化曲線

表2 各巖性崩解試驗成果表

通過試驗數據分析認為:此類巖石成巖作用差,巖性軟弱,強度極低,屬極軟巖(飽和抗壓強度Rb＜5MPa)。遇水易軟化泥化、崩解,具承載力低,易產生塑性變形的特征。

巖性不均一,造成各巖組間力學性質差異,但均具有極軟巖力學特性,巖體強度主要受含水量控制,圍巖穩定性受巖體強度控制,變形破壞形式主要表現為塑性變形下的剪切破壞。

3.2 巖體結構特征

隧洞巖體主要結構面為原生結構面(巖層面),少量為裂隙面,巖體完整性較好,完整性系數0.60～0.80。

按巖性組及其巖層結構特征,上述巖體劃分以下幾種結構類型(表3)。

表3 圍巖巖體結構劃分

表4 巖體透水性試驗成果表

3.3 巖體透水性

表4為經鉆孔壓水、注水、提水測試巖體透水性試驗資料,試驗結果顯示隧洞各巖性組透水性相差較大;其透水性與巖石孔隙率、各粒徑含量關系密切;細砂巖(疏松砂巖)透水性較強,粉細砂巖次之,泥質粉砂巖最弱。按巖土體滲透性分級,劃分為弱透水、弱～微透水、微～極微透水3級。

3.4 圍巖地下水分布與狀態

據先行施工的7#隧洞閻家溝豎井人工開挖揭示(當時TBM設備尚未到場),隧洞疏松砂巖段地下水位較高,稍具承壓性,井壁有滲水～局部線狀流水(井斷面直徑4.4m,含水層厚約15m,經量測最大涌水量達1m3/h),施工過程中有流砂、坍塌等現象,經過施工單位積極慎重處理,豎井如期完成。

人工開挖中遇到的困難,讓施工單位重點關注TBM設備對該組地層的適應性。

為此在初步設計基礎上,結合TBM掘進機施工特點,通過補充勘察進一步細化了疏松砂巖含水層的分段樁號、地下水位及水化學成分、估算圍巖中地下水涌水量、預測圍巖掘進時突水(突泥)的可能性,分析TBM掘進機在含水疏松砂巖段地層中存在的施工困難、安全隱患等問題,為后續要進場的TBM順利施工提供前期地質指導與預報。

補充勘察資料揭示,隧洞圍巖地下水屬層狀孔隙—裂隙水,地下水受含水巖層的巖性控制。含水層巖性以細砂巖、砂礫巖、粗砂巖為主,泥質粉砂巖,砂質泥巖構成隔水層。

隔水層與含水層呈互層狀分布,構成隧洞地下水具多層承壓性結構。據鉆孔勘探資料,隧洞設計高程以上分布有2～3層承壓水,含水層厚者20～30m,薄者僅數米,底層水位一般高于上層水位,承壓水頭最高達110m(高出隧洞頂板)。經鉆孔連續提水試驗,孔內各層地下水均可以疏干,單個含水層最大涌水量0.62L/m·min。

受區內氣候干旱,降雨稀少,地形破碎,溝谷發育等因素,地下水含水層延展性、連同性較差,圍巖地下水補給能力有限,富水性不強,水量一般不大。采用水平巷道地下水動力學法和隧道單位長度最大用水量估算:10m洞段涌水量小于25L/10m·min。

由此推斷,地下水位以下的細砂巖(疏松砂巖),在地質歷史期已達到飽和,但由于巖體裂隙不發育,隧洞開挖后,圍巖中的孔隙水在重力作用下,向臨空面滲出,需要較長時間,圍巖及掌子面會表現為以滴滲水為主,局部為線狀流水。

4 TBM掘進機施工中可能出現的地質問題

近20多年來,TBM施工在國內被逐步推廣應用,有許多成功的經驗。如甘肅引大入秦30A隧洞,采用 TBM施工平均月進尺 980m,最高達1400m。

但由于TBM設備對不良地質條件的適應性較差,在隧道施工條件愈加復雜,技術要求更高的今天,對地質問題的預見和重視不夠、處理不當,會釀成嚴重的工程事故,影響工程的安全和效益。

分析本隧洞的基本地質環境和圍巖工程地質水文地質特征,TBM施工中可能出現的主要工程地質問題有隧道圍巖大變形、涌水突泥、飽水洞段的地基沉陷等。

4.1 隧洞極軟巖的塑性大變形破壞問題

構成7#隧道圍巖的上第三系地層,由于成巖時間較短、固結較差,孔隙率大,結構“松散”。特殊的組構和力學特征,是導致其塑性變形大的根本。經理論分析,其變形的臨界深度約為85m,即當隧道埋深大于該值時將發生塑性屈服。

本隧洞埋深多為200余m,最大300余m,塑性變形不可避免。科研單位對7#隧洞進行過收斂變形理論計算 ,在埋深 200、250、300、350m 時,計算徑向變形值分別為11.5、18.4、27.3、39.8cm。計算結果受洞徑和埋深影響較大。對上述數據用有限單元法進行的數值模擬分析顯示,二者誤差在10%以內。對應埋深下,塑性區的范圍在7～10m,按塌落拱公式計算,塌落高度5～7m。

極軟巖的塑性大變形主要表現為洞周圍巖的快速收斂,嚴重時會導致TBM卡機事故發生。當變形造成預制管片緊貼巖壁或后面空隙太小,而無法充填豆礫石和回填灌漿,管片會出現裂縫或管片間出現錯臺現象。

由于單護盾TBM的推進動力要靠油缸施反力給安裝好的管片,已經出現錯臺的管片間,由于接觸面積減小,受力不均,產生集中應力,將導致錯臺的加劇,管片的旋轉,以及新生裂縫的產生。管片結構遭到破壞,會影響隧洞的運行安全,拆除和重新安裝費時費工,TBM設備在極軟巖洞段非正常停機時間延長,會增加盾體被圍巖收斂變形而抱死的風險。

4.2 隧洞含水疏松砂巖段突泥或流沙問題

隧道含水層巖性以細砂巖(疏松砂巖)為主,局部夾砂礫巖、粗砂巖,泥質粉砂巖,砂質泥巖構成隔水層,隔水層與含水層呈互層狀分布。疏松砂巖顆粒級配以粒徑 0.25～0.075mm分布居多,超過50%,顆粒間膠結程度差或無膠結,鉆探中取芯困難,塌孔現象明顯。

由于區內地質構造不發育,地層產狀較為平緩,厚度數十米的疏松砂巖,在洞身段的分布長度可達數百米。在隧洞掘進中,擾動或破壞天然含水層,揭露、截斷部分導水通道(或者揭穿承壓含水層頂底板),使地下水從掌子面巖體裂隙空隙中集中涌出,伴隨著圍巖中細粒流失、孔隙率調整,進而可能導致疏松砂巖中的細砂顆粒順勢向臨空面流動,出現流砂、坍塌問題。

TBM自樁號61+435.341進入含水疏松砂巖地層后,掘進速度逐漸開始下降,多次出現施工機械被困、C1皮帶瞬間被卡死現象、掌子面坍塌嚴重、同時出渣量增大幾到十幾倍的現象。2010年10月6日12:30分左右,TBM施工至樁號60+939.83時(距離出口3061.17m),發生了突泥涌沙地質災害,TBM施工機械被完全困死。

流沙或涌水是水—巖相互作用的結果,疏松砂巖在封閉地質環境中,長期承受高水位地下水飽和作用,隧道掘進破壞了原來的水—巖平衡,在疏松砂巖集中分布洞段出現流沙或涌水是一種大概率事件,輕則影響TBM 施工效率,重則淹埋機體,造成主要部件損害,使設備長時間不能正常工作。

4.3 隧洞地基不均勻沉陷問題

隧洞圍巖巖相巖性復雜多變,極軟巖巖體干濕效應顯著。施工用水或地下水的運移,都會改變天然圍巖含水量,如果盾體底板部位地下水或施工用水造成的積水不能及時排除,較長時間浸泡地基,會破壞巖體結構,加上盾體前部和刀盤部位重量集中,在動荷載作用下,可能存在隧洞部分地段,地基強度不能滿足TBM掘進機對承載力的要求,施工中出現TBM掘進機“栽頭”、洞線偏移等機頭不易控制現象。

2010年11月8日,TBM盾體內及后配套拖車底部泥砂清理完畢后恢復掘進,準備快速通過疏松砂巖不良地質段。在掘進2.9m后發生了嚴重的TBM“栽頭”,經數次增大推力恢復掘進,栽頭趨勢依然很明顯,且造成后部管片大面積破損、開裂,再次停止掘進。

在TBM停機過程中,刀盤位置仍存在繼續下沉現象,這是10月 6日以來,地基遇水長期浸泡,巖體結構遭到破壞而軟化泥化直接導致的。

5 防治措施建議

(1)在極軟巖洞段開挖時,要充分考慮圍巖的收斂變形對施工的影響,加強各工序、各環節組織管理,盡可能減少TBM掘進機的停滯時間,以減小盾體被擠壓的風險。為了使盾體在受到輕微擠壓時仍能快速通過,可在盾體外殼涂抹油脂類物質,以減少護盾與洞壁之間的摩擦阻力。

(2)對埋深較大的極軟巖洞段,由于總變形量較大,可以通過適當超挖,加大隧洞開挖直徑,增大護盾與圍巖之間的間隙,給圍巖收斂變形留足較大空間。根據對隧洞圍巖在不同埋深處收斂變形值的理論計算模型計算結果,考慮其變形特征和時段的分布規律,建議預留變形量選取9～13cm。

(3)疏松砂巖分布洞段,可能出現流沙或涌水地質災害,建議施工中應結合勘察分段資料,充分利用TBM自帶的圍巖預報系統和自帶超前鉆機,加強前方圍巖事先探測,并根據具地質情況進行預先固結處理,減少災害的發生或損失。

1 王思敬.中國巖石力學與工程世紀成就[M].南京:河海大學出版社,2004:582-597

2 錢七虎,李朝甫,傅德明.全斷面掘進機在中國地下工程中的應用現狀及前景展望[J].建筑機械,2002,(5):28-36

3 蘇華友,任月宗,薛繼洪.不良地質條件對TBM施工的影響與探討[J].中國鎢業,Vol,24,No.2:44-47

4 戴永浩,陳衛忠等.大坂膨脹性泥巖引水隧洞長期穩定性分析.巖石力學與工程學報[J],Vol.29 Supp.1:3227-3234

5 甘肅省水利水電勘測設計研究院.7#洞補充勘察工程地質勘察報告[D]

6 甘肅省水利水電勘測設計研究院.上第三系紅層隧洞圍巖工程地質特性研究報告