深埋隧洞TBM超前地質預報及預處理關鍵技術研究

王遠超， 杜雷功， 王迎春, *， 章躍林

(1. 新疆伊犁河流域開發建設管理局， 新疆 烏魯木齊 830000；2. 中水北方勘測設計研究有限責任公司， 天津 300222)

0 引言

目前國內外隧洞超前地質預報的技術手段和方法主要有地質類、物探類及水平鉆探法3大類。其中物探類方法主要包括地震負視速度法、TSP[1]預報法(瑞士)、TGP預報(國產)、TRT[2]預報(美國)、TST預報(國產)、HSP水平聲波剖面法(國產)、陸地聲吶法(國產)、面波法、地質雷達法(電磁波類)、TGS360PRO(俄羅斯)、BEAM[2]法(德國)，以及用于隧洞掌子面前方探水的復頻電導率法(CFC)、三維激發極化法[3](山東大學)、瞬變電磁法等。國內外預報技術因預報精度、預報長度、解譯難度、安裝難度等因素，單一預報方法的應用效果不盡理想，應結合預報的主要工程地質條件，采用2種及以上的物探測試方法，遇異常情況鉆孔驗證，綜合分析形成較為準確的超前預報結果。

本文研究項目為解決敞開式TBM在有外水Ⅳ、Ⅴ類圍巖以及不良地質洞段掘進困難問題，進行有針對性的超前地質預報及預處理關鍵技術研究，采用TRT7000、TSP203、激發極化法、微震等多項超前預報技術，配合采取超前鋼花管、管棚跟管等預處理措施；同時，提出采用鋼管片、鋼拱架背覆鋼板、H型鋼筋排、延長護盾、自進式中空注漿錨桿加固圍巖等處理措施，以有效減少卡機現象。在TBM通過大斷層破碎帶、中強蝕變巖、突涌水、護盾上方及人孔涌渣等極為惡劣的地質條件時，采用預處理關鍵技術，避免TBM埋機等事故風險，是本項目的創新之處。

1 工程概況及主要地質問題

某工程隧洞最大埋深約2 270 m，洞長超過40 km，設計輸水流量為70 m3/s，TBM最大開挖直徑為6.8 m。工程存在高地應力、高外水壓力、高地溫(高于37 ℃)、高耐磨性(花崗巖)、強巖爆、強蝕變巖(統稱“四高二強”)，區域屬強烈隆升區，褶曲和斷裂發育，地震活動強烈，沿線存在區域性大斷層、不整合接觸帶、泥巖等，極易發生圍巖嚴重—極嚴重擠壓大變形，主要工程地質和水文地質問題嚴重制約了TBM的安全掘進[1]。工程所面臨問題的復雜程度屬國內外罕見。針對深埋復雜地質洞段關鍵技術難題，提出以下解決方案并通過實踐應用。

1)優化設備配置，滿足復雜地質條件下超前預報、預處理設備的布置、安裝和使用；

2)應用多種超前預報技術，綜合分析評價地質情況；

3)根據地質分析預報結果，超前預處理不良地質洞段；

4)應用超前導孔縱波測試、裸孔注漿等檢查手段，檢測圍巖加固效果；

5)結合監測結果，優化處理措施。

2 TBM設備優化設計

為充分發揮敞開式TBM的施工能力，除了對TBM的設備配置進行針對性設計以外，在TBM掘進施工過程中應對主機和后配套中配置的設備不斷進行優化和完善。

2.1 斷層破碎帶、蝕變帶的設備配置

針對斷層破碎帶及蝕變帶巖層，在敞開式TBM設備L1區和L2區各配置2臺錨桿鉆機，L1區的2臺錨桿鉆機安裝在鋼拱架安裝器的后部，L2區的2臺錨桿鉆機安裝在噴混橋前方。L1區的錨桿鉆機可以快速進行錨桿支護，以及增設L1區的應急噴混凝土系統，讓TBM能快速通過圍巖松散地段；L2區的錨桿鉆機緊隨其后進行補鉆加固圍巖。

2.2 涌水、排水的配置

配置強排水系統，排水系統的最大排水量應大于TBM設備用水量與掌子面最大涌水量之和，當涌水量大時結合集水井進行排水，排水量的計算一般按照Q排≥Q1(TBM設備用水量)+Q2(最大涌水量)。當涌水量比較大時，需修建集水井進行排水，具體配置為： 1)泵站水泵在TBM主梁下側，分別配置3臺排量為30 m3/h、2臺排量為162 m3/h、2臺排量為400 m3/h的水泵，共計7臺排沙泵； 2)總排水能力為1 214 m3/h； 3)抬高TBM后配套臺車約80 cm以應對突水，保護人員和設備的安全。另外，在后配套設備及人員工作區設置防護棚板，防止高壓裂隙水對人員及設備的沖擊；在L1區配置超前預注漿封堵設備，必要時對高水壓洞段進行超前預注漿堵水。

2.3 圍巖變形的針對性設計

通過刀盤擴挖功能解決中強蝕變巖等軟弱圍巖收斂變形問題，當遇到輕微或中等蝕變巖洞段時需增大邊滾刀的超挖墊塊，實現刀盤的擴挖功能，長距離擴挖直徑為10 cm，短距離(3～5 m)可實現擴挖直徑為15 cm。

當TBM遇到強蝕變巖等圍巖大變形時[2-3]，在人工擴挖洞室內將刀盤直徑由6.5 m擴大至6.8 m，分體式刀盤更換刀盤外周分瓣。

2.4 巖爆的針對性設計

增加頂護盾及側護盾尾部長1.28 m，頂護盾、搭接護盾、側護盾尾部增加巖爆防護板，保護作業人員和設備；在L1區通過鉆孔釋放巖體應力;同時在L1區配置噴射水管，對巖體表面進行噴水以減緩巖爆；針對巖爆滯后性[4-5]，在TBM主梁上部設置防護板。在L1區增加鋼管片安裝器，在緊急情況下安裝鋼管片，及時封閉巖面，提供支撐能力；鋼筋排背覆鋼板或鋼拱架背覆鋼板及時成環封閉，保證了人員和設備的安全，為后續加固處理創造條件。

3 TBM施工超前地質預報

施工期采用TRT7000、TSP203、激發極化法、微震、超前地質鉆孔等超前地質預報手段，結合地勘、地面物探(包括EH4大地電磁測探、V8探測)和已揭露圍巖等資料綜合分析判斷，開展超前地質預報[6-12]。主要解決： 1)地層巖性及地質構造預測預報，重點是巖爆、斷層破碎帶、蝕變巖層、不整合接觸帶的分布情況等； 2)地下水預測預報，預測隧洞掌子面前方的富水帶，分析隧洞水文地質條件及環境變化，預報突涌水、突泥風險情況； 3)超前物探發現異常情況，仍需超前鉆孔驗證，及時形成地質預報結果，提出隧洞施工應對建議。

3.1 前期地質勘探工作

主要進行綜合物探測井、地應力測試、地面物探(在大斷層及蝕變巖區域采用EH4大地電磁測深和V8探測)等地面地質勘探工作。地質勘探結果表明： 推測分段蝕變巖總長約1 400 m；構造破碎帶主要包括百余條斷層及多條不整合接觸帶；N1+2泥巖段承壓水最大水頭為450 m，位于隧洞進口軟巖洞段，總長約4 225 m；隧洞中部洞段高外水壓力大于15 MPa；洞內最大涌水量約720 m3/h，位于F7斷層(長400 m)洞段；高地應力洞段最大水平主應力為60 MPa。

3.2 TRT7000超前預報

施工期采用TRT7000預測前方圍巖情況，如圖1所示。由圖1可知，樁號K37+831～+871段預報顯示前方圍巖總體較破碎，地下水出露以滴水—線狀流水為主，局部破碎區出現股狀涌水；樁號K37+774～+831段預報顯示前方圍巖破碎，以碎屑散體結構為主，局部為碎裂結構，巖體強度低、不均一，該洞段地下水狀態以滲水、滴水為主，局部出現線狀流水。

圖1 TRT7000超前預報示意圖

3.3 TSP203超前預報

由于護盾及刀盤上方出現塌腔，對TRT7000預測影響較大，依據前期地勘資料分析前方可能為突涌水洞段，而TSP203對水較為敏感并且能夠避免塌腔的影響，因此選擇TSP203測試方法。

1)樁號K37+694～+786洞段圍巖破碎，地下水以滴水—線流為主，測試結果與掌子面開挖情況基本一致。

2)樁號K37+666～+694洞段圍巖完整性差，地下水以線流為主，局部破碎區可能涌水，超前鉆孔驗證與TSP203測試結果基本一致。

3.4 超前鉆探

對掘進機掌子面前方進行超前鉆探，有效測孔深度為15 m；聲波測試得到圍巖聲波波速為3 000～5 960 m/s，平均值為4 560 m/s；完整性系數為0.21～0.84，平均值為0.49。綜合分析后預報該段圍巖完整性差—較破碎，節理密集發育，圍巖穩定性差，伴隨少量滲水，測試段圍巖情況與掌子面附近相似，未見明顯好轉跡象。超前鉆探與TRT7000的預報結果基本吻合，也與實際揭露的圍巖情況相符。

4 不良地質洞段超前預處理技術

4.1 蝕變巖洞段地質特征與危害

本工程出口段侵入巖的部分洞段存在蝕變現象：輕微蝕變巖分布不連續，巖體內裂隙較發育，綜合判斷為Ⅲ類圍巖(輕微蝕變)；中等蝕變巖體完整程度不均一，圍巖整體呈碎裂結構，洞室干燥，未見地下水，綜合判斷為Ⅳ類圍巖(中等蝕變巖)；中強蝕變巖體較破碎—破碎，洞頂裂隙發育并存在泥化現象，巖體以碎裂結構為主，洞室干燥，綜合判斷為Ⅴ1類圍巖(中、強蝕變巖)；強蝕變巖體破碎，呈碎屑狀結構、滴滲水，實測出水量為每延米洞長2～3 L/min，該段頂拱塌落、拱架變形，塌落深度局部可達3～4 m，綜合判斷為Ⅴ2類圍巖(強蝕變巖)。

4.1.1 本工程蝕變巖隧洞圍巖分類

針對工程實際對蝕變巖進行分類，為超前預處理和一次支護提供依據。分類考慮的主要因素為巖石的蝕變程度、巖石強度(回彈值)、巖體結構、完整程度、縱波波速、結構面特征及地下水活動狀態等。分類標準見表1。

表1 蝕變巖隧洞圍巖分類標準

注： 上述圍巖劃分標準僅適用于蝕變花崗巖洞段，后續根據工作深度不斷補充完善。

4.1.2 蝕變巖洞段撐靴部位加固處理措施

采取預處理措施的步驟為： 清除松散巖石—掛網(φ8 mm@100 mm鋼筋網)—噴納米混凝土—采用φ40 mm自進式中空注漿鋼花管或φ25 mm自進式中空注漿錨桿。考慮注漿材料固結時間，采用化學灌漿，利用TBM檢修的4 h加固撐靴部位，為TBM連續掘進創造條件，避免長時間停滯造成卡機現象。

4.1.3 蝕變巖洞段超前預處理措施

盾尾采用自進式中空注漿鋼花管和自進式中空注漿錨桿，頂拱化學灌漿超前加固圍巖；如掌子面或刀盤上方圍巖不穩定，采用φ32 mm玻璃纖維錨桿化學灌漿超前加固圍巖。

4.1.4 蝕變巖洞段輔助措施

1)為充分釋放地應力，確保支護穩定，利用邊刀墊片增加開挖直徑，最大可擴挖10～15 cm； 2)在蝕變巖洞段，TBM施工工法為“三低、一高、一連續”，三低為低轉速、低推力、低貫入度，一高為高轉矩，一連續為連續掘進； 3)延長護盾，鋼拱架在盾尾內安裝，從而減少清渣工作量。

4.2 突涌水超前預處理

4.2.1 堵水預處理原則

在分析地勘資料的基礎上，預判可能出現突涌水的洞段，加強超前探水預報(用具備孔口自動封閉等功能的探水設備)；以堵為主，堵排結合，做好堵、排水施工預案；做好設備和材料的準備工作。

4.2.2 堵水預處理主要措施

預報前方可能出現較大涌水時，停止TBM掘進，根據前方水量、水壓等情況，采取相應的堵水預案；采用表面注漿封堵和設排水孔等方式處理滲漏水；采用TBM配備的超前鉆機進行超前堵水和加固圍巖，超前預注漿形成阻水帷幕[13]；在極端情況下[14]，如預判最大涌水量發生在F7斷層，擬采用超高壓預注漿堵水加固圍巖，鉆爆法開挖，TBM滑行通過。

4.3 巖爆洞段處理

4.3.1 巖爆洞段處理原則

根據地面地勘和監測資料分析，做好巖爆分析預判，制定不同巖爆等級的處理預案，建立巖爆快速反應、決策、處置機制。

4.3.2 巖爆洞段處理措施

采用機械化作業以及微震監測+地質超前預報+應力解除(超前鉆孔水壓致裂，鉆孔或導洞爆破)+系統支護緊跟作業面的綜合施工方法，有效降低安全風險、抵御巖爆危害，從而保障施工進度。輕微巖爆洞段： 全斷面噴厚10 cm合成粗纖維混凝土，頂拱設長2.5 m、φ25 mm的漲殼式預應力中空注漿錨桿，局部設HW125鋼拱架+φ16 mm鋼筋排。中等巖爆洞段： 全斷面噴厚15 cm納米合成粗纖維混凝土，頂拱設長2.5 m、φ25 mm漲殼式預應力中空注漿錨桿，全斷面設HW150鋼拱架+φ20 mm鋼筋排。強烈巖爆洞段： 全斷面噴厚20 cm納米合成粗纖維混凝土，側頂拱設長3.5 m、φ25 mm漲殼式預應力中空注漿錨桿，全斷面設加密HW200鋼拱架+φ20 mm鋼筋排。

4.3.3 微震技術

微震監測系統主體上由洞外系統控制中心、洞內數據采集儀(GS)及傳感器3部分組成，并通過互聯網與決策部門形成信息互動。微震信號由傳感器采集并流向數據采集儀，之后經光電轉換后的數字信號通過光纖傳輸至系統控制中心，技術人員于控制中心內完成數據處理與分析，以及對監測系統的控制和管理；決策部門則可通過互聯網實時觀測當前洞內圍巖的微震活動狀況并審讀技術人員提交的分析結果，以便做出相應的決定和采取適當的巖爆災害控制措施。

1)已采用微震監測技術分析研究TBM掘進前方地震構造對巖爆特別是強、極強巖爆的孕育發生的作用機制，找出能量釋放的主控結構面。

2)實時動態監測，分析研判巖爆的危險區域，結合圍巖應力場和力學性質研究，對不同等級巖爆進行超前預處理，實現對巖爆動力災害的有效防控。微震技術超前地質預報巖爆處理流程如圖2所示。

4.3.4 巖爆洞段預測建議

本工程多次發生中等巖爆，已按上述措施進行成功的預測和處理，下一步根據微震監測圈定的潛在巖爆危險區域，結合圍巖應力場和力學性質研究成果，對巖爆可能發生的空間位置、區域范圍和危險等級進行預測預警。

4.4 斷層破碎帶超前預處理

4.4.1 斷層破碎帶超前預處理原則

結合地勘、超前地質預報、超前鉆等地質預報分析技術，判斷斷層破碎帶的范圍和斷層性質[15]；制定處理預案(本工程在TBM掘進過程中人孔涌泥、涌渣以及護盾、刀盤上方塌方嚴重等極為復雜地質條件下采取超前管棚法)；做好設備、材料的準備。

4.4.2 超前管棚預注漿

第1層采用φ42 mm自進式超前中空錨桿鉆孔注漿，及時化學灌漿，保護主機設備，兼顧堵水和加固圍巖；第2層在頂拱范圍內進行管棚法施工，安裝導向管、跟管，采取控制孔斜措施，超前預加固圍巖。管棚法方案及擴挖洞室如圖3所示。

圖2微震技術超前地質預報巖爆處理流程圖

Fig. 2 Flowchart of rockburst treatment predicted by microseismic advance geological prediction method

圖3 管棚法方案及擴挖洞室示意圖(單位： cm)

4.4.3 TBM掘進前注漿效果質量檢查

TBM掘進前注漿效果質量檢查綜合應用聲波測試法、全孔壁數字成像法、導孔壓漿檢查和注漿量間接檢查法進行。1)聲波測試法，在第1層孔化學灌漿保護主機完成后，在頂拱實施超前導孔，采用單孔聲波法探明前方地質情況，灌后掃孔聲波測試檢查灌漿效果； 2)全孔壁數字成像法，在每一鉆進循環選取導孔及灌后檢查孔，灌漿前后作為全孔深段開展全孔壁數字成像測試，管棚注漿縱波檢查效果如圖4所示； 3)導孔壓漿檢查，前方圍巖軟弱破碎，宜采用壓稀漿檢查，若不合格繼續補灌至合格，通過2序孔的注漿量間接檢查1序孔的注漿效果。

繼續掘進采用鋼拱架及其他一次支護對盾尾后方塌方體加固處理，護盾及刀盤上方設導水孔等措施，將前方滲涌水導至盾尾后方，確保后續掘進作業安全；對刀盤前方圍巖采取玻璃纖維中空錨桿化學注漿，固結掌子面和刀盤上方不穩定巖體，確保刀盤運轉正常。

5 結論與建議

1)在高地應力、高外水壓力、高地溫、高耐磨性(花崗巖)、強巖爆、強蝕變巖及區域性大斷層破碎帶、突涌水、涌泥砂、圍巖大變形等復雜和不良地質條件下進行TBM施工，應首先做好超前地質預報，將地面地質勘探結果與洞內的超前地質探測結果相結合，物探結果與鉆探結果相結合，綜合分析形成較為準確的超前預報結果。

2)針對地質預報結果采取相應的超前預處理措施，對預報的不良地質洞段進行超前預處理，實現預處理措施與地質條件相適應、預處理措施與設備能力相適應、機械作業與人工作業相結合、預處理措施與后加固措施相配套，不斷解決TBM施工中遇到的疑難技術問題。超前加固預處理前方巖體，減少了卡機現象，避免了埋機等事故風險，利用TBM掘進能力安全通過復雜地質洞段。

3)通過對高埋深復雜地質洞段敞開式TBM超前地質預報及預處理關鍵技術的研究與實踐，為國內外大埋深、長距離隧洞TBM施工提供了經驗借鑒和技術參考。

4)根據微震監測圈定的潛在巖爆危險區域，結合圍巖應力場和力學性質研究成果，對巖爆可能發生的空間位置、區域范圍和危險等級進行預測預警。

5)建議下階段對強巖爆的預警等方面進一步研究。

圖4 超前裸孔預注漿圍巖的縱波變化情況

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