錦屏二級水電站引水隧洞巖爆段TBM穿越技術(shù)

袁 亮，彭邦興

(1.四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都610072;2.中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 前 言

錦屏二級水電站為引水式地下電站，引水系統(tǒng)并排布置4條引水隧洞和1條排水洞，單條隧洞長約16.67km。其中，1號、3號引水洞和排水洞東段采用TBM掘進，TBM直徑分別為12.4m、12.4m、7.2m。排水洞TBM先于引水隧洞TBM掘進，因遭遇不可預(yù)見的極強巖爆設(shè)備毀滅性損壞而停止掘進。參建各方及時總結(jié)巖爆段施工經(jīng)驗，經(jīng)過一段時間的摸索和實踐，在引水隧洞TBM掘進過程中，逐步形成了相對成熟的巖爆段TBM穿越技術(shù)，使2臺超大直徑TBM分別掘進了5 859m、6 295m，安全至鉆爆開挖交界部位。

2 工程地質(zhì)

引水隧洞和排水洞自東向西分別穿越鹽塘組大理巖、白山組大理巖、三迭系上統(tǒng)砂板巖、雜谷腦組大理巖、三迭系下統(tǒng)綠泥石片巖和變質(zhì)中細砂巖等地層。隧洞平均埋深1 500～2 000m，最大埋深2 525 m。隧洞區(qū)以自重應(yīng)力為主，實測最大主應(yīng)力值達42.11MPa。據(jù)回歸分析，隧道全線最大和最小主應(yīng)力值分別達63 MPa和26 MPa;圍巖強度應(yīng)力比大多小于2，實測巖爆傾向指數(shù)為1.32～5.8，具備發(fā)生高地應(yīng)力破壞的強度條件。

根據(jù)地質(zhì)資料分析，引水隧洞TBM所掘進洞段的潛在巖爆分布長度見表1。

表1 巖爆分布長度 m

3 TBM支護設(shè)備

本工程采用開敞式TBM，其支護區(qū)分為L1區(qū)和L2區(qū)。其中L1區(qū)距離刀盤6～17m的范圍，主要配備有鋼拱架安裝器、2臺錨桿鉆機、頂部鋼筋網(wǎng)安裝平臺、混凝土應(yīng)急噴射裝置和錨桿注漿設(shè)備;L2區(qū)距離刀盤17～60m的范圍，主要配備有掛網(wǎng)平臺、兩臺錨桿鉆機和混凝土噴射小車。L1區(qū)和L2區(qū)所配備的錨桿鉆機以施工3.8m短錨桿為主，長錨桿的施工效率和質(zhì)量較差。

4 巖爆洞段的圍巖破壞

TBM掘進過程中破壞了圍巖原有的三維應(yīng)力狀態(tài)，使圍巖內(nèi)部發(fā)生應(yīng)力重分布。在應(yīng)力重分布和調(diào)整過程中，不同部位圍巖因地應(yīng)力的分部格局、應(yīng)力量級、巖體結(jié)構(gòu)，以及TBM施工擾動程度的不同，圍巖應(yīng)力調(diào)整的表現(xiàn)形態(tài)也不盡相同，有的圍巖內(nèi)部應(yīng)力調(diào)整過程比較緩和，調(diào)整后趨于穩(wěn)定，但有的圍巖調(diào)整過程中發(fā)生不同形式的圍巖破壞，以釋放部分應(yīng)力實現(xiàn)應(yīng)力平衡。根據(jù)圍巖破壞特征和強度的不同，將巖爆分為以下4種:

(1)輕微巖爆。巖石表層發(fā)生爆裂脫落、松弛和碎裂現(xiàn)象，零星間斷發(fā)生破壞，深度小于0.5m，內(nèi)部有噼啪、撕裂聲，持續(xù)時間相對較短。錦屏二級TBM穿越T2y5地層過程中圍巖發(fā)生此類破壞現(xiàn)象較為突出。

(2)中等巖爆。圍巖爆裂脫落、剝離現(xiàn)象較為嚴重，圍巖表層時常呈板裂化，深度為0.5～1.0m，有少量彈射，伴有清脆的響聲，多發(fā)生在隧洞水流方向左側(cè)的拱肩部位。TBM在埋深超過1 000m以上的圍巖洞段中掘進，發(fā)生中等巖爆幾率逐步增加。

(3)強巖爆。TBM掘進至埋深超過1 500m，在接近褶皺的核心部位地段掘進，圍巖大片爆裂脫落，出現(xiàn)強烈彈射，影響深度1～3m。持續(xù)時間較長，并向圍巖深度發(fā)展。

(4)極強巖爆。TBM在接近或超過2 000m處于褶皺的核心區(qū)域掘進過程中，圍巖易發(fā)生大片嚴重爆裂，往往容易沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生大面積的崩塌。其振動強烈，有沉悶的聲響，迅速向圍巖深部發(fā)展，影響深度超過3m;其能量巨大，對TBM構(gòu)成嚴重威脅，甚至摧毀設(shè)備和工程。2009年11月28日，排水洞TBM在SK9+283m部位就遭遇到罕見的極強巖爆，直接導(dǎo)致TBM毀滅性破壞。

在掘進過程中除巖爆強度和形式不同外，巖爆發(fā)生的空間部位也不一樣，一般沿TBM縱向可分為TBM掌子面巖爆、刀盤及護盾部位巖爆、護盾后巖爆;按照巖爆相對TBM橫截面的位置分為頂拱巖爆、側(cè)墻巖爆和底拱巖爆。TBM掘進過程中底拱基本沒有發(fā)生巖爆現(xiàn)象。

5 巖爆對TBM施工的危害

巖爆發(fā)生的形式和空間部位不同，對TBM施工有不同的危害，一般有以下5方面:

(1)損壞TBM設(shè)備結(jié)構(gòu)件。譬如掌子面巖爆，一方面容易直接砸損刀具或鏟齒;另一方面因掘進過程中巖爆造成掌子面的不平整，致使刀具、鏟齒及刀盤易受沖擊荷載作用發(fā)生非正常損壞。護盾后頂拱巖爆，直接砸傷液壓及機械部件。

(2)刀盤及護盾部位若發(fā)生強至極強巖爆，大量塌方體擠壓刀盤或護盾，導(dǎo)致刀盤或護盾卡機。

(3)威脅人員安全，影響作業(yè)人員心理。巖爆發(fā)生時伴有飛石或塌方，威脅作業(yè)人員安全，易造成作業(yè)人員產(chǎn)生“談爆色變”的恐懼心理，不利于人的身心健康和作業(yè)隊伍穩(wěn)定。

(4)制約TBM正常掘進。大量的塌方體堆積于TBM底部，影響TBM軌道鋪設(shè)和行進;側(cè)墻巖爆易形成爆坑，影響撐靴的正常工作，制約TBM掘進進度。

(5)毀滅TBM設(shè)備，造成人員群體傷亡事故。邊頂拱發(fā)生極強巖爆，可能損毀工程或設(shè)備，并有造成人員群體性傷亡事故的風(fēng)險。譬如2009年11月28日排水洞TBM遭遇的極強巖爆，直接導(dǎo)致TBM毀滅、人員群體傷亡的慘痛事件。

6 巖爆段TBM總體施工思路與措施

在總結(jié)排水洞TBM巖爆施工經(jīng)驗后，采取了“規(guī)避災(zāi)害性的強至極強巖爆、防治中等及輕微巖爆、降低部分強巖爆至可接受程度的原則”進行巖爆段施工，確保TBM設(shè)備和人員的安全。

6.1 多種手段的巖爆綜合預(yù)測

為做到巖爆的事前預(yù)防，主動進行巖爆防治，經(jīng)過現(xiàn)場實踐和專家咨詢，采用以下手段進行巖爆的綜合預(yù)測:

(1)宏觀分析判斷法。根據(jù)隧洞埋深、圍巖性質(zhì)、地質(zhì)構(gòu)造和地形條件等從宏觀預(yù)測巖爆的等級、烈度及分布情況，尤其是對可能發(fā)生強至極強巖爆的區(qū)域進行初步預(yù)測，基本確定8～11km區(qū)段易于發(fā)生強至極強巖爆段。

(2)圍巖性質(zhì)預(yù)測法。根據(jù)揭露的圍巖特性，譬如巖石的顏色、硬度、脆性、完整性，以及圍巖表面的滲水等現(xiàn)象判斷前方巖爆的可能性。施工過程中當(dāng)遇見白色完整的大理巖表面無滲水或少有滲水的情況下，及時提醒現(xiàn)場作好巖爆預(yù)防。

(3)根據(jù)TBM掘進的渣料塊度、形狀，以及掘進出露的巖面情況判別巖爆發(fā)生的可能性。一般正常的掘進渣料呈梭片狀、塊度小于或接近刀間距，或出現(xiàn)渣料呈板塊狀、塊度大于滾刀間距的現(xiàn)象時，表明該區(qū)域存在巖爆跡象或可能性。

(4)微震監(jiān)測定位預(yù)測技術(shù)。微振檢測技術(shù)是通過收集巖體內(nèi)應(yīng)力重新分布過程中的微震事件，通過多角度采集信號進行微震點的定位和頻度統(tǒng)計，并依據(jù)微震事件點的頻率和集散度，判別潛在巖爆的級別和發(fā)生幾率的一項巖爆預(yù)測技術(shù)。其成像顯示見圖1。此項技術(shù)是錦屏二級引水隧洞后期巖爆預(yù)測的主要手段之一。

6.2 改進設(shè)備，增強被動防護能力

為增強設(shè)備的抗巖爆能力，降低巖爆對TBM設(shè)備及人員的威脅，在TBM穿越巖爆段前對TBM設(shè)備進行必要的改進:

(1)針對TBM L1區(qū)支護設(shè)備進行適應(yīng)性改進，提高支護設(shè)備的作業(yè)效率，減少圍巖的暴露時間。譬如對401－319設(shè)備的L1區(qū)指形護盾進行了截短，優(yōu)化L1區(qū)鋼筋網(wǎng)安裝器，將錨桿鉆機前移，縮短錨桿鉆機與掌子面的距離，以便能盡早對出露的圍巖實施錨桿支護。

圖1 微震監(jiān)測成像示意

(2)對TBM關(guān)鍵部件和易損部件進行防護性改造。如將鉆機等支護設(shè)備的液壓油管和閥門移位至鋼結(jié)構(gòu)件下部，對鉆機滑軌和撐靴油缸加設(shè)可伸縮的防護裝置等，增強設(shè)備自身的抗巖爆能力。

(3)改善工人的作業(yè)條件，增強風(fēng)險應(yīng)對能力。譬如在L1區(qū)護盾下方增設(shè)和加寬作業(yè)平臺，作業(yè)人員在護盾防護下安裝網(wǎng)片;在L1區(qū)增設(shè)防護支架，人員可在防護支架下完成錨桿的鉆孔和錨桿安裝等工作，減少人的安全風(fēng)險。

6.3 強至極強巖爆段TBM穿越方案

結(jié)合排水洞TBM遭遇極強巖爆的危害，以及2號引水隧洞極強巖爆的表現(xiàn)特征，經(jīng)過專家咨詢和參建各方的研究分析，一致認為錦屏二級的極強巖爆是TBM難以承受的施工風(fēng)險，在施工中應(yīng)規(guī)避極強巖爆。通過多方面論證和現(xiàn)場試驗，確定TBM在潛在極強巖爆段采取以鉆爆先開挖導(dǎo)洞，然后由TBM進行剩余斷面掘進的開挖方案。通過鉆爆開挖導(dǎo)洞預(yù)處理釋放應(yīng)力，完成隧洞頂拱系統(tǒng)支護，然后在頂拱相對安全的條件下，TBM完成下部圍巖的開挖，以規(guī)避TBM在極強巖爆段的施工風(fēng)險。本工程極強巖爆段采用的鉆爆法與TBM法聯(lián)合開挖的斷面見圖2。

6.4 巖爆段支護措施

圖2 鉆爆法與TBM聯(lián)合開挖斷面示意

TBM在巖爆段掘進，主要以防治頂拱巖爆為主，重點在L1區(qū)有針對性地采取各種強支護措施進行防治;在L2區(qū)以完善系統(tǒng)支護為主，進行側(cè)墻的系統(tǒng)砂漿錨桿和系統(tǒng)噴射混凝土施工。其中L1區(qū)的支護措施如下:

(1)預(yù)應(yīng)力短錨桿+網(wǎng)片聯(lián)合支護。針對輕微巖爆，如以應(yīng)力松弛破壞為主的圍巖洞段，普遍采用長3.8m、φ28mm的預(yù)應(yīng)力脹殼式短錨桿與預(yù)制網(wǎng)片相結(jié)合的支護方案。當(dāng)圍巖出露護盾后即被網(wǎng)片覆蓋，按間距1～1.2m施工錨桿，形成網(wǎng)+錨釘?shù)闹ёo結(jié)構(gòu)，抑制圍巖的彈射或松弛破壞的進一步發(fā)展，并使失穩(wěn)的圍巖塊體堆積在網(wǎng)片內(nèi)，避免掉落砸損設(shè)備和人員，減少了底拱的清渣量。

(2)網(wǎng)片+預(yù)應(yīng)力錨桿+局部拱架或全圓拱架。對于頂拱潛在中等巖爆，或者圍巖出露護盾或在護盾內(nèi)已經(jīng)局部板裂化破壞的圍巖，一般采用網(wǎng)片與拱架結(jié)合的支護方式。該結(jié)構(gòu)較網(wǎng)片與錨桿的結(jié)構(gòu)承載能力更強，當(dāng)圍巖板裂化程度較高，錨桿難以成孔時采用局部拱架或全圓拱架形成較強的被動支護體系，防止了圍巖掉落砸損設(shè)備或堆積于隧道底部制約掘進，有效地抑制了巖爆的破壞。

(3)鋼筋排架+拱架。針對圍巖出露護盾前或出露護盾隨即發(fā)生中等巖爆甚至部分強巖爆，鋼筋網(wǎng)片的剛度和完整性不足以支撐上部落渣，存在大量失穩(wěn)和掉落的巖塊，不具備施工錨網(wǎng)結(jié)構(gòu)的圍巖洞段時，采用鋼筋排架直接從護盾下緣拖拉出來封閉出露護盾的巖體，以間距1.0m施工全圓拱架，形成剛性被動支撐結(jié)構(gòu)，阻止圍巖掉落和圍巖破壞的進一步發(fā)展，保證了L1區(qū)下部的設(shè)備和施工人員安全，避免失穩(wěn)巖渣掉落堆積于隧洞底部。

(4)長錨桿與應(yīng)急噴射混凝土。針對圍巖出露護盾的實際情況，及時噴射混凝土封閉巖面，并與錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼筋排架等結(jié)構(gòu)形成整體支護結(jié)構(gòu)，也是TBM L1區(qū)采取的巖爆防治措施之一。但是，噴射混凝土對設(shè)備污染大，L1區(qū)的噴射混凝土大多只應(yīng)用于已經(jīng)發(fā)生巖爆破壞的區(qū)域，抑制巖爆破壞的進一步發(fā)展。

針對部分強巖爆或預(yù)測出強巖爆的部位，在上述已實施措施的基礎(chǔ)上，在L1區(qū)加密布置長6m的脹殼式中空預(yù)應(yīng)力錨桿，以增加支護結(jié)構(gòu)的影響深度，增加圍巖自穩(wěn)能力。

(5)水漲錨桿、中空預(yù)應(yīng)力錨桿、摻仿鋼纖維納米混凝土以及柔性鋼絲網(wǎng)在巖爆段的應(yīng)用。水漲錨桿是一種中空的薄壁鋼制錨桿，在高壓充水時折疊的桿壁伸展與孔壁緊貼，是一種能快速支護且有利于圍巖應(yīng)力調(diào)整的摩擦型錨桿。在實際應(yīng)用中，對其外露的錨桿端頭加設(shè)大墊板，利用摩擦錨桿的抗拉作用，限制錨桿孔周圍巖體彈射和脫落。其施工快捷、操作簡單，利用錨桿端頭在撐靴撐壓作用下可彎曲貼緊巖面不損傷撐靴的特點，較好地解決了L1區(qū)邊墻錨桿施工安全風(fēng)險高和錨桿頭外露損壞撐靴的問題，在1號引水隧洞TBM巖爆段掘進中被廣泛應(yīng)用。

為減少TBM施工的錨桿數(shù)量，在隧洞頂拱使用了可將L1區(qū)臨時支護與L2區(qū)系統(tǒng)支護錨桿相結(jié)合的中空預(yù)應(yīng)力錨桿，即在L1區(qū)快速完成中空預(yù)應(yīng)力錨桿的安裝和預(yù)應(yīng)力施加，然后在錨桿到達L2區(qū)平臺時進行錨桿注漿，作為系統(tǒng)砂漿錨桿使用，大大降低了錨桿總體工程量，提高了TBM的掘進效率。

在噴射混凝土中添加納米仿鋼纖維，利用其凝固速度快和能提高混凝土韌性、增大抗拉裂能力的特點，快速封閉和加固圍巖，抑制巖爆的發(fā)生。

在巖爆多發(fā)洞段，為防止巖爆彈射損傷設(shè)備和人員，在局部洞段側(cè)墻使用柔性鋼絲網(wǎng)代替鋼筋網(wǎng)片，一方面可提高支護結(jié)構(gòu)的整體性，減少了網(wǎng)片搭接質(zhì)量不可靠和塌方部位網(wǎng)片安裝困難的問題;另一方面柔性鋼絲網(wǎng)直接從上向下快速鋪設(shè)，形成一道防護網(wǎng)，然后施工錨桿將柔性網(wǎng)拉緊巖面，作業(yè)效率高，人員安全。

6.5 掘進操作控制

(1)巖爆地段，由于地應(yīng)力大、爆落的巖塊多，TBM應(yīng)保持平穩(wěn)勻速推進，并適當(dāng)降低推進速度，減少對圍巖的擾動和設(shè)備的非正常損壞。此外，在保證TBM推進的情況下，降低撐靴壓力，減少撐靴對圍巖的二次擾動，可降低因撐靴作用誘發(fā)二次巖爆的風(fēng)險。

(2)針對掌子面巖爆易形成掌子面爆坑和不平整的巖面結(jié)構(gòu)，為降低刀具受沖擊荷載發(fā)生非正常損壞的風(fēng)險、減小刀盤和主軸承不平衡受力狀況，適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速和推進力。

(3)在巖爆洞段，應(yīng)利用TBM擴挖刀具實施一定的擴挖，并在掘進過程中盡可能伸展護盾，以便在巖爆發(fā)生后，護盾收縮的空間增大，一方面減少TBM卡機的風(fēng)險和設(shè)備卡機后脫困的難度;另一方面避免巖爆洞段因支護結(jié)構(gòu)的增強或變形，侵占隧道空間。

7 撐靴跨越巖爆爆坑的措施

TBM在巖爆洞段掘進過程中，側(cè)墻在巖爆后往往形成大小不同的爆坑或塌腔，使撐靴與洞壁不能充分接觸并相互作用，使撐靴不能提供足夠的TBM掘進推進力，制約TBM掘進。為解決側(cè)墻撐靴部位爆坑和塌腔問題，一般結(jié)合現(xiàn)場實際情況，靈活選用表2中所采取的措施，以保證撐靴撐緊洞壁，提供向前掘進的推進力和刀盤旋轉(zhuǎn)的反力矩。

表2 撐靴跨越巖爆爆坑的措施

8 設(shè)備維護管理

(1)加強刀具和刀盤結(jié)構(gòu)的維護，根據(jù)掘進過程中刀盤前方的巖爆情況，適當(dāng)加大刀具和刀盤結(jié)構(gòu)的檢查頻次，及時更換受損的刀具和鏟齒，防止刀具和鏟齒發(fā)生群損群壞現(xiàn)象。

(2)加強巖爆洞段掘進前的設(shè)備檢查和檢修，保證設(shè)備處于良好的工作狀態(tài)，減少TBM設(shè)備在巖爆洞段因設(shè)備故障滯留的幾率，降低巖爆風(fēng)險。

(3)巖爆洞段掘進前，作好設(shè)備備件的充足儲備，尤其是TBM刀具和支護設(shè)備的備件應(yīng)比非巖爆洞段加倍儲備。

9 施工組織管理

在巖爆防治過程中，堅持“以人為本”的管理思路，強化現(xiàn)場施工組織管理。

(1)培養(yǎng)一支精干的TBM施工隊伍，明確現(xiàn)場組織管理機構(gòu)和人員職責(zé)分工，統(tǒng)一指揮，協(xié)作配合，形成高效的現(xiàn)場作業(yè)班組，以應(yīng)對各種可能出現(xiàn)的巖爆事件和意外事故。

(2)配備經(jīng)驗豐富的地質(zhì)工程師跟班，經(jīng)常觀察掌子面狀況，多方面地采集地質(zhì)信息，及時進行巖爆分析與反饋，指導(dǎo)操作人員調(diào)整掘進參數(shù)和支護方案。

(3)選用經(jīng)驗豐富的設(shè)備維修和操作人員進行巖爆洞段的掘進和設(shè)備維護作業(yè)，增加主動控制設(shè)備的能力。

(4)建立應(yīng)急預(yù)案，進行必要的巖爆預(yù)防演練和安全技術(shù)交底，提高作業(yè)人員的巖爆防治意識。

(5)參建四方共同組建巖爆領(lǐng)導(dǎo)小組，可聘請專業(yè)的巖爆咨詢專家參與，提供巖爆防治的技術(shù)支持。巖爆小組經(jīng)常性巡視工作面，及時就現(xiàn)場揭示的地質(zhì)情況召開巖爆例會，研究并決策TBM巖爆段穿越方案和防治措施，指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

10 巖爆段TBM施工效果與評價

錦屏二級水電站引水工程隧洞埋深大、地應(yīng)力高，巖爆問題突出，如何保證TBM安全順利穿越巖爆洞段，成為本工程的主要技術(shù)問題之一。參建各方在充分總結(jié)排水洞TBM經(jīng)驗教訓(xùn)基礎(chǔ)上，通過引水隧洞TBM掘進前期不斷的摸索和總結(jié)，逐步形成了適應(yīng)本工程巖爆段的TBM穿越技術(shù)，使2臺超大直徑TBM順利穿越巖爆洞段，并與鉆爆法施工洞段銜接，掘進過程中沒有出現(xiàn)大的設(shè)備損傷和人員傷亡事故。

11 結(jié)束語

近年來，隨著我國掘進機技術(shù)的引進，TBM設(shè)備逐步在一些地質(zhì)復(fù)雜的各大隧洞工程中應(yīng)用，然而在大埋深、高應(yīng)力、多巖爆地層中的TBM施工尚處于經(jīng)驗積累和探索階段，需要在實踐中不斷總結(jié)和提高。本文僅結(jié)合錦屏二級水電站引水隧洞TBM巖爆洞段的施工經(jīng)驗，總結(jié)了TBM穿越巖爆段的一些施工技術(shù)。筆者認為各工程還應(yīng)結(jié)合各自設(shè)備情況和具體巖爆特點，有針對性地選擇適合地巖爆穿越技術(shù)是非常重要的。