雙護盾TBM引水隧洞高壓突涌水處治技術研究*

冀國棟，王燦林，廖建煒，高云升

(1.天津大學建筑工程學院，天津 300072； 2.中鐵十八局集團有限公司，天津 300350；3.中鐵十八局市政工程有限公司，天津 300350)

0 引言

隧洞突涌水問題是引水隧洞施工過程中常見的地質災害之一，特別是對于TBM隧洞施工而言，突涌水是導致其重大工程事故的主要工程地質問題[1]。TBM因其設備自身結構特點，對不良地質條件的適應性較差，處理方法遠沒有傳統鉆爆法靈活，因隧洞突涌水而導致嚴重工程事故的情況時有發生[2-5]，如印度Dul Hasti水電工程引水隧洞、我國山西萬家寨引黃工程南干線7號隧洞、昆明掌鳩河引水工程上公山隧洞、錦屏二級水電站引水隧洞、北疆供水二期工程雙三隧洞等，在TBM施工過程中均遭遇了大型突涌水，嚴重影響了工程的經濟效益和社會效益。

針對TBM隧洞突涌水的預防和治理，已有學者從設計和施工等角度出發開展了相關研究，晏啟祥等[6-7]針對工程中面臨的高水壓難題，提出了泄水式管片襯砌結構形式設計思路；吳世勇等[8-9]結合錦屏輔助洞發生的多次高壓大流量突涌水問題，提出“先探后掘”的施工原則，針對富水區灌漿封堵，提出了“先易后難、先引后堵、先頂拱后邊墻再底板，局部集中處理、兼顧其他部位、系統處理、綜合治理”的總體處理原則；周衛霞[10]根據超前地質預報成果及掌子面前方涌水征兆分析采取超前阻水注漿施工，以封堵圍巖裂隙，減少洞內涌水量；李廣涿[11]結合雙三隧洞出現的突涌水問題，提出針對不同的出水情況采取多種注漿方式相結合的針對性堵水措施。

目前的引水隧洞多選用敞開式TBM施工，也有一些工程選擇采用雙護盾TBM施工，如青海省引大濟湟工程、蘭州水源地工程、山西省中部引黃工程等。雙護盾TBM由于設備盾體較長、注漿作業空間受限[12-13]，對于突涌水災害的處治會更加困難。本文依托中部引黃工程雙護盾TBM施工案例，分析突涌水的形成原因，提出疏排地下水、裂隙帶壓止水、掌子面淺層注漿堵水等施工技術，實現對掌子面出水裂隙的有效封堵，以期為類似雙護盾TBM引水隧洞的高壓突涌水災害處治提供參考。

1 工程概況

中部引黃工程是山西大水網建設的重要工程之一，位于黃河流域呂梁境內，設計取水流量為23.55m3/s。整體工程分為取水工程和輸水工程，輸水工程包括總干線、東干線、西干線和各支線，輸水線路總長384.5km。總干線3號隧洞穿越黑茶山自然保護區，最大埋深610m，設計采用2臺雙護盾TBM對向掘進，其中TBM1施工段包括進洞支洞和主洞，全長26.07km，進洞支洞全長5.02km，設計縱坡3.857%，下坡掘進；主洞全長21.05km，設計縱坡為0.04%。隧洞設計開挖洞徑為5.06m，管片襯砌后洞徑為4.30m，為無壓輸水隧洞。TBM施工斷面為圓形，采用預制混凝土管片襯砌，管片采用六邊形蜂窩狀結構，4片管片組成1環。管片外徑4.80m，內徑4.30m，管片厚25cm，每環管片寬度為1.4m，預制管片背后與圍巖之間的空腔平均為103mm，采用豆礫石充填并進行回填灌漿。

隧洞穿越地層以奧陶系灰巖、泥灰巖地層為主，總長14.46km，占洞長55.5%；寒武系白云巖、泥質條帶灰巖地層4.76km，占18.3%；太古界黑云斜長片麻巖、石墨透閃石大理巖、片麻狀花崗偉晶巖、斜長角閃片麻巖、片麻狀花崗巖地層3.63km，占13.9%；穿過18條斷層破碎帶累計長度3.22km，占12.3%。隧洞主洞段沿線地下水類型主要有變質巖類裂隙水和碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區間水及層間水)，其中變質巖類裂隙水貯存于巖層風化帶及裂隙中，補給主要來源為大氣降水。當貯水層為埋深較大的構造裂隙時，具有承壓性。

2 特大突涌水及成因分析

2.1 突涌水基本情況

2018年10月25日，TBM掘進至主洞17.54km，樁號Z(k)94+563.705處，突發涌水，隧洞涌水流量超過820m3/h，TBM停止掘進，從人孔觀察發現掌子面有5條裂隙自掌子面左上方至右下側斜向全斷面貫通并延伸至隧洞側壁，裂隙沿巖層面張裂，出水沿層面裂隙向外噴出，壓力為2.0～3.5MPa。掌子面左下側裂隙部位巖石破碎，孔洞內出水較大，洞身左右側裂隙有線狀流水。

2.2 地質情況

2.2.1設計地質情況

隧洞樁號Z(k)94+323—Z(k)94+700段穿越地層原設計為III類圍巖，埋深為535～594m，地層巖性為太古界界河口群奧家灣組中強定向黑云長英構造片麻巖等。隧洞圍巖為硬質巖，巖體較完整。地下水主要為變質巖類裂隙水，地下水位位于洞頂以上328～331m，隧洞開挖時可能發生涌水或突水，設計涌水流量為230.9m3/h。

2.2.2實際揭露地質情況

1)超前鉆探

前期設計階段曾采用人工源大地電磁法進行物探勘察，電阻率等值線在樁號Z(k)93+750及Z(k)94+800處附近出現間斷，且左右兩側電阻均高，推斷可能分別存在斷層F4及F5，影響帶內巖體破碎。

遭遇突涌水后，現場對掌子面前方地質補充進行超前鉆探，鉆探時出現孔內噴涌水現象，鉆進至15m時隧洞出水壓力超過3.0MPa，出水量變大，鉆孔過程未發現鉆到孔洞，推斷為裂隙出水。根據鉆探結果判斷掌子面前方存在高壓富水斷層破碎帶。

2)施工揭示

根據實際揭露情況顯示，F4斷層出露里程為Z(k)93+721.82，破碎帶里程為Z(k)93+691.42—Z(k)765.43，長度為74.01m。斷層上盤出露地層為石墨透閃石大理巖，下盤出露地層為黑云斜長片麻巖；斷層帶巖石破碎，構造裂隙發育，為一傾向北東、傾角較抖之正斷層。

樁號Z(k)94+563處掌子面揭示洞身上部圍巖為太古界界河口群奧家灣組變質含礫石英砂巖，下部地層為中強定向黑云長英構造片麻巖。TBM掘進至此處發生突涌水，最大涌水量約845m3/h，涌水中攜帶泥砂顆粒。

2.3 地質情況綜合分析

根據前期勘察設計資料及TBM掘進揭示情況，本段位于F4，F5斷層之間地塹，受到F4，F5斷層影響，原設計推測地層界線由洞身以上55m下移20m，如圖1所示。洞身上部圍巖變為變質含礫石英砂巖，造成掘進時涌水含砂。樁號Z(k)94+563處臨近F5斷層，距離F5斷層約240m。斷層帶構造裂隙發育，且與透水層相通形成水力聯系，構成了地下水的集中滲漏通道，進而產生突涌水。

圖1 突涌水位置附近地層情況

根據F5斷層下游鉆孔ZK12ZT-9顯示，石英砂巖厚度約20m，出水的石英砂巖傾角與掘進方向呈8.5°仰角，推斷掘進前方可能會遇到全斷面石英砂巖，且出水量將比目前掌子面出水量更大。

3 突涌水綜合處治

由于本次突涌水為高壓裂隙水，考慮到TBM施工為反坡施工，為避免洞內積水過多導致人員及設備淹溺，決定依據“以堵為主、堵排結合”的原則，采用“疏排地下水+裂隙帶壓止水+淺層注漿堵水”相結合的掌子面裂隙出水封堵方案進行突涌水處治。

3.1 疏排地下水

根據隧洞突涌水量和涌水持續時間依次采用管道系統排水、階梯擋水壩翻排水和搶險移動泵車抽排水等措施，確保施工人員和TBM設備安全。

1)管道系統排水 突涌水發生后，現場立即停止掘進并啟動現有管道排水系統進行抽排水。具體措施為：啟用機頭位置8號污水箱1條DN300和1條DN200排水管道，開啟710kW離心泵，與原運行的4個接力泵站各2臺132kW離心泵接力排水至主支交叉擴挖洞的蓄水池。

2)階梯擋水壩翻排水 由于隧洞突涌水量遠超設計涌水量，且持續時間較長，管道系統排水能力不足，雖已全力抽排，洞內水位仍然下降緩慢。為進一步延緩水勢，減少TBM機頭位置存水，啟用了分級反坡應急階梯擋水壩翻排水，通過排水泵將TBM設備區域積水抽排至上游階梯壩后逐級排出隧洞。

3)搶險移動泵車抽排水 考慮到突涌水中含有大量泥砂，可能導致水泵故障，無法及時將洞內積水抽排至上游階梯壩，排水期間調運常備在洞外的專用搶險移動泵車至隧洞積水最前方位置，應急排出隧洞積水。移動泵車利用10臺長桿排水泵由隧洞取水至泵車水箱，水箱出口通過3臺MD280-43×6自平衡多級離心泵抽排水至同隧洞延伸的DN300和DN200排水管路中。

3.2 掌子面裂隙帶壓止水

掌子面出水封堵的主要對象是5條全斷面的貫通裂隙，由于裂隙承壓水流持續噴射，且掌子面空間狹小，施工空間受限，考慮到掌子面圍巖穩定性較強，決定將TBM刀盤后退一定距離，再依據以往經驗[14-15]，采用防水板封堵裂隙出水，以鋼板加膨脹螺栓加以固定。但在實際施工過程中，由于掌子面平整度較差，涌水裂隙范圍過大，鋼板貼合掌子面不嚴，且膨脹螺栓在堅硬巖面上鉆孔困難，無法有效固定鋼板。

針對鋼板堵水效果不佳的問題，制定了刻槽嵌縫+預埋排水管+填充封堵劑的掌子面裂隙帶壓止水方案。刻槽嵌縫的主要功能是為后期填充封堵劑提供空間，預埋排水管的主要目的是提供集中出水通道。

1)刻槽嵌縫 根據掌子面及洞身圍巖裂隙的分布情況，沿裂隙在掌子面正面及兩側部位人工開鑿內側寬度為160mm，外側寬度為120mm，深度為400mm的反梯形槽，刻槽情況如圖2所示。

圖2 掌子面裂隙刻槽處理

2)預埋排水管 刻槽后進行槽內預埋排水管安裝，采用DN20鋼管制排水管，長度為500mm，前端100mm打設進水孔，孔徑12mm，孔距20mm，梅花狀布置；中部焊φ10鋼筋錨固彎勾；尾端加工絲扣，安裝DN200蝶閥，蝶閥為打開狀態。將預埋排水管定位在反梯形槽內裂隙高度，排水管間距為1 000mm，排水管前端用提前布置在梯形槽內部的麻絲定位在槽內裂隙高度處固定，排水管尾部超出掌子面，使蝶閥外露，如圖3所示。

圖3 排水管安裝位置示意

3)填充封堵劑 封堵材料選用膏狀封堵劑，可直接填充至開槽內，從而避免在堅硬巖面上鉆孔的難題。按照由外向內的順序分別填充掌子面及洞身裂隙，將速凝型膏狀封堵劑填入反梯形槽內直至充填密實。堵水時一直開啟蝶閥集中排水，待封堵劑凝結強度達到90%后可關閉排水孔蝶閥。

3.3 掌子面淺層注漿堵水

掌子面裂隙止水完成后，為防止高壓地下水涌入周邊微小裂隙，形成新的導水通道，再次發生突涌水，在掌子面鉆孔進行淺層注漿，對掌子面涌水區域進行全面封堵，在掌子面前方2～3m范圍內形成近似止漿墻。

1)注漿范圍 注漿封堵范圍包括大范圍出水裂隙、小型出水點及周邊一定范圍的區域，注漿設計如圖4所示。鉆孔間距為1m，局部適當加密，鉆孔直徑為50mm，鉆孔深度因受掌子面空間限制，采用1～2.3m鉆桿分3次替換鉆孔。對于出水裂隙部位，由開槽底面起算孔深為2.2m。

圖4 注漿孔布置示意

2)注漿材料 注漿材料選用CS漿，C∶S=1∶1(體積比)，水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，水泥漿水灰比為1∶0.8，水玻璃濃度為39.3°Be′。實驗室測試雙液漿膠凝時間56s，初凝時間1min45s，終凝時間1h8min，漿液結石體28d抗壓強度為18.5MPa。

3)注漿方法 注漿封堵采用全孔一次注漿，按照“先外后內、先兩邊后中間”的順序依次施作。按照地下水位埋深約350m計算，最大水頭壓力為3.5MPa，注漿壓力一般大于地下水壓力的1.5倍，注漿最大壓力控制為5.25MPa。

4)注漿封堵效果檢測 注漿結束后，待漿液凝固期滿，在注漿重點區域加設檢查孔，檢查孔數量不少于4個，以所有檢查孔總涌水量不超過30m3/h為判斷標準，注漿質量不合格時，可加密鉆孔作補注漿處理，直到注漿效果達到要求。

4 結語

1)中部引黃工程總干線3標TBM1隧洞Z(k)94+563.705段位于F4和F5斷層之間地塹，受斷層影響，原設計推測地層界線下移。斷層帶構造裂隙發育，且與透水層相通形成水力聯系，構成了地下水的集中滲漏通道，進而產生突涌水。該段不良地質構造的影響是本次特大突涌水發生的主要原因。

2)雙護盾TBM由于設備盾體較長，作業空間受限，對于隧洞突涌水災害的處治困難。通過分析本次突涌水的形成原因，確定了“以堵為主、堵排結合”的原則，提出了“疏排地下水+裂隙帶壓止水+淺層注漿堵水”相結合的掌子面裂隙出水封堵方案，取得了較好的效果。

3)對于高水壓、大范圍的出水裂隙，防水板很難完全貼合掌子面裂隙區域，采取了刻槽嵌縫+預埋排水管+填充封堵劑的掌子面裂隙帶壓止水方案。工程實踐證明，該技術具有良好的裂隙止水效果，可在類似工程中進一步推廣應用。