秦嶺輸水隧洞嶺南TBM段巖爆成災與施工關系研究

石偉龍，李浩南，張文新，向義雄

（1.中鐵隧道集團機電工程有限公司，河南 洛陽 471009；2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458）

隨著我國地下工程日益增多，巖爆現象日漸顯露，巖爆事故時有發生。國內外隧道與地下工程科研人員主要側重施工中遇到的軟弱圍巖和地質構造破碎帶等地質災害引起的工程地質問題研究。文獻[1]對新疆某引水隧洞施工中經常出現的輕微巖爆～中等巖爆進行分析，分析了不同巖爆特征，提出了不同巖爆支護措施，成功解決了該段巖爆段施工難題。文獻[2]～[3]總結了錦屏二級水電站2#引水隧洞典型洞段的巖爆在時間、空間、烈度及形態方面的特征，提出了巖爆條件下支護設計的整體指導思想，給出了不同等級巖爆的支護參數，保證了后期開挖和支護的施工安全和施工進度。文獻[4]結合引漢濟渭秦嶺隧洞TBM 施工對巖爆處理措施的總結，希望能為類似工程施工提供參考；文獻[5]引漢濟渭深埋超長引水隧洞應注意的關鍵技術問題。文獻[6]對引漢濟渭秦嶺隧洞越嶺段嶺南TBM 施工段（K27+643.006K46+360.000）18.717km 地段圍巖巖爆機理進行分析、研究，提出TBM 法施工通過巖爆地段的施工預防措施。

綜合以上，TBM 法在我國應用中，對深埋隧洞工程的巖爆成災與隧洞施工關系的研究很少，本文依托秦嶺輸水隧道嶺南TBM 標段開展深埋隧洞工程的巖爆成災與隧洞施工關系的研究。

1 工程概況

秦嶺輸水隧道嶺南TBM 標段位于陜西省寧陜縣四畝地鎮境內，全長15.516km（里程K28+085～K43+601）。為解決TBM 長距離出渣和通風問題，標段中間設一座4 號支洞。3 號支洞口位于四畝地鎮五根樹村，蒲河流域右岸山根，4號支洞口位于四畝地鎮麻房子村，蒲河支流麻河右岸。

施工所用敞開式TBM（MB266-395）為美國ROBBINS 設計制造，開挖直徑為?8 050mm（新刀）／?8 020mm（刀具磨損到極限），TBM整機長度317m，整機重量約為1 400t。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區，地形起伏。高程范圍1 050～2 420m，洞室最大埋深2 012m。工程主要將穿越石英巖、花崗巖及閃長巖，石英巖呈灰白色，主要礦物質為石英、長石等，細粒變晶結構。巖石石英含量高（石英巖最高達97%、花崗巖最高達30%、閃長巖最高達18%），巖石強度高（花崗巖最高達242MPa），對施工進度影響大。其主要工程地質特征見表1。

表1 秦嶺隧洞嶺南TBM施工段主要巖性特征表

通過地質勘探水壓致裂測試及印模定向測試，最大水平主應力值為16.1～23.7MPa，最小水平主應力值為10.1～15.4MPa，最大水平主應力方向為N30°～46°W（與隧洞軸線夾角為65°～81°），優勢作用方向為北西向。

2 隧洞巖爆類型分析

TBM 施工中，影響施工生產和制約掘進進度的巖爆段共計1 030 段，累計6 644m，導致的TBM 停機檢修、處理危害1 520 次。巖爆形成塌腔環向最大16.5m，縱向最大25.0m，深度最大10.6m，爆落巖石多為層狀、塊狀、大塊狀。除掌子面、護盾區域無法統計外，拱部滯后性強烈、極強巖爆共計發生60 次，隧洞底板滯后性巖爆16 次，造成全圓型鋼拱架支護體系變形嚴重。從掘進段巖爆發生情況來看，巖爆發生主要出現在干燥無水地段。主要類型如下。

2.1 表面崩落型巖爆

表面崩落型巖爆主要發生在圍巖強度高、完整性較好、節理較發育～不發育、干燥無水段。其發生時間具有不確定性，個別時候在露出護盾之前就已經發生，來不及支護，也可能是出露護盾時較為完整，滯后一段時間后才開始顯現，影響施工安全，其影響深度一般在20cm 左右，且伴有爆裂聲響。

2.2 應變型巖爆

應變型巖爆多發生在巖體節理較發育、巖體較完整～完整段，節理面平直光滑延伸性差，大多呈閉合狀，無充填，巖面呈干燥無水。表現為無任何征兆發生爆竹聲或轟雷聲，沿著斷面節理薄弱點（一般為節理面）開始巖爆，巖塊應聲掉落，隨后伴隨聲響以片狀、塊狀剝落為主，一次性巖爆掉塊體積較大，持續時間較長，最后形成較大塌腔；隧洞底部由于應力擠壓造成底部隆起等現象。

3 隧洞巖爆與設備損壞分析與優化改進

3.1 主機系統損壞與優化改進

3.1.1 主機系統損壞情況

高頻強巖爆特殊地質下敞開式TBM 施工，易造成主機系統出現巖爆大石塊砸壞拱架安裝器、砸壞錨桿鉆機、砸壞液壓油管、砸壞電氣元件等情況，經統計，TBM 第一掘進段砸壞拱架安裝器進行修復處理63 次，用時6.8d；砸壞錨桿鉆機進行修復處理144 次，用時10.6d；砸壞液壓油管進行修復處理152 次，用時8.5d；砸壞電氣元件進行修復處理248 次，用時10.0d；合計處理35.9d。高頻高強巖爆造成的額外工序時間，降低了TBM 設備利用率，制約了施工生產進度。

3.1.2 主機系統優化及改進

1）拱架安裝器優化改進措施 ①整體結構件的防護與加固：在易損壞的設備區域添加防護罩，減少落石對設備的沖擊損傷；增強整體結構強度，對安裝環液壓驅動裝置安裝座加固；6 組頂撐裝置導向柱，導向套外部使用鋼板包裹，減輕本體的磨損；②液壓管路、電氣線路改進防護：對設備裸漏的液壓管路，采用分段連接，減少長距離更換破損管路，并使用螺旋保護套纏繞油管，對于電氣控制線路盡量走線至主梁下部，減少線路的磨損及外物損傷；③液壓驅動馬達及油缸增添保護裝置：為降低液壓馬達及油缸長時間超負荷運轉，導致元器件的損壞率，在各部位液壓系統增添安全溢流閥，以保證元器件內部穩定的工作壓力，降低液壓設備的故障率。

2）鉆機改進措施 ①鉆機操作臺及油箱整體防護：對操作臺上部焊接防護棚作業，且對鉆機油箱進行焊接防護棚作業；②鉆機底部行走機構的改進：拆除底部弧形齒道，將原有的輪箱式行走機構改進為內外單獨行走，兩側獨立支護，發生巖爆的一側可以單獨前后行走停放至未發生巖爆部位，保證設備安全性；③鉆機爬行小車防偏裝置：在原易偏心的位置增添多組防偏輪對，使錨桿鉆機爬行齒輪于弧形軌道的齒道處于緊嚙合狀態，減少齒輪及齒道的磨損；④鉆機系統各參數調整：根據實際地質的變化情況，及時調整鉆機系統的沖擊、旋轉、進給壓力保持鉆機不超負荷運轉；⑤鉆機小車驅動裝置添加防護措施：在原固定方式的基礎上，在剎車下部添加支撐架，即便連接螺栓斷裂也能起到制動作用，避免鉆機小車的整體滑落，此外在整套驅動的上部焊接防護罩，減少巖爆落石的直接砸損，降低設備的故障及損壞率；⑥鉆機弧形齒道的改進：用高性能耐磨鋼材制作弧形齒道，提高其強度；將磨損嚴重和跳齒嚴重段的齒道割除，將其打磨至與弧形面平整，兩側各打出焊接坡口；將新制作的齒道定位焊接，保證新舊齒道接觸點過渡順暢。

3.2 皮帶系統損壞與優化改進

3.2.1 皮帶損壞

受高頻強巖爆影響，TBM 掘進段被迫停機對劃穿的TBM 皮帶、砸壞輸送連續帶進行修復共計411 次，用 時120.3d；停機清理堵塞渣斗的大石塊4919 次，用時52.7d。輸送帶劃破、堵渣清理等工序的增加，降低TBM 設備利用率，制約施工進度。

3.2.2 皮帶系統優化及改進

1）選取適宜掘進參數 TBM 在巖爆洞段掘進時，為有效破碎掌子面的巖石，減少進入皮帶機的大石塊數量，掘進時必須合理選擇掘進參數。確定強烈及以上巖爆洞段宜采用低轉速（2～3r／min）、低推力（100～180bar）、低貫入度、高扭矩（1 200～2 000kNm）的掘進參數。

2）改進修補工藝 為達到強度不降低且快速修補輸送帶，經過多次新材料、新設備的試用，最終選用點式修補機對受損的輸送帶進行熱硫化修復。該修復方式修補周期短，占用空間小，且修補后強度與原輸送帶相差不大。

3）優化改造結構設計 連續皮帶：在下渣斗后部焊接安裝儲渣盒和在下渣斗內焊接張貼小塊Trimay 耐磨板，減小轉渣沖擊力，提高下渣斗鋼板耐磨性。輸送帶：TBM 皮帶機輸送帶采用強力高、耐沖擊、成槽性好、層間粘合力大、屈撓性優異的尼龍輸送帶。緩沖裝置：主機皮帶機緩沖床使用材料為NM600 的耐磨鋼板進行修復，同時將原設計的單根長托輥改為三組五連托輥，以加大承載力。其他方面：在橋架、轉載皮帶機下渣斗尾端均下降20cm，以降低轉載點的落差；在轉載皮帶機上方安裝金屬收集器，及時清除皮帶機上鐵器；將橋架皮帶機驅動改為變頻控制，以利于保養人員檢查輸送帶狀況；樁號K33+030 處增設輔驅，保證主洞連續皮帶驅動滿足使用。

4 強化巖爆支護施工

為降低巖爆段施工風險，確保人員、設備安全，在巖爆規模大、頻次高的常態下，應采用鋼拱架+格柵拱架+鋼筋網片等聯合支護形式，輔以超前應力鉆孔和應急噴漿等技術手段進行防治。巖爆加強支護工藝流程如圖1 所示。

圖1 巖爆工況下TBM施工工藝流程圖

1）超前應力釋放 TBM 施工中，通過施作應力釋放孔，有效地減輕圍巖的應力集中程度并使應力集中向圍巖深部進行轉移，同時使圍巖積聚的彈性應變能提前得以耗散；或在超前應力釋放孔中灌注高壓水，在圍巖內部形成一個低彈區，使開挖隧洞臨空面的切向應力達到均勻分布的形狀，減少巖爆發生的可能性。TBM 第一掘進段施作超前應力釋放孔638m，徑向應力釋放孔1 852m。

2）應急噴漿 為了實現圍巖出露護盾后的快速封閉，有效抑制巖爆規模不斷擴大，加快圍巖出露護盾后的快速封閉，利用應急噴混系統可以實現拱部塌腔70cm 范圍內的噴護，達到全機械手對圍巖的及時噴護，實現巖爆支護由剛性向柔性的轉變，較大程度上降低人員及設備安全風險，降低剛性支護材料用量。

3）清理爆渣 嶺南TBM 施工過程中，由于滯后性強巖爆多發生于拱部120°范圍，且大部分發生在護盾上方，隧洞作業空間狹窄，大型清渣設備無法使用，采取人工清理。

4）立設拱架 鋼拱架、格柵拱架、鋼筋網片等剛性支護手段對巖塊的彈射和塌落具有緩沖消能作用，起到第一道安全防護的作用，在一定程度上保證人員和設備的安全。同時改變應力作用點，減小巖爆發生的概率。

5 巖爆施工安全防護

為盡可能減少巖爆對人員、設備、工程的危害，全面加強隧洞內施工作業的安全保護和安全管理條件，促進隧洞施工中人員與設備健康安全，使應急救援、避險工作及時、高效、有序開展，最大限度減少巖爆災害造成的損失，秦嶺輸水隧洞TBM 施工巖爆洞段采分別采取以下措施進行防范。

作業人員采取L1 區初期支護人員、刀盤作業人員和底部清渣人員分區避險；人員施行基本防護、嚴格執行安全手冊和巖爆等待確保安全；掘進機設備采取了防止設備砸傷和設備安全脫困措施。

6 結論與討論

1）高頻強巖爆TBM 施工中，爆落石塊塊體造成TBM 皮帶損傷、連續皮帶損傷、渣斗堵塞等皮帶系統損壞，巖爆大石塊砸壞拱架安裝器、鉆機系統、液壓系統、電氣元件等造成主機系統損壞，對TBM 施工影響極大。

2）制定、實施一系列技術改進及管理措施后，明顯降低了高頻強巖爆對皮帶系統、主機系統造成損壞的頻率，但損壞情況不可避免。

3）巖爆頻發洞段，通過安裝儲渣盒、焊接Trimay 耐磨板等措施可最大限度保護皮帶系統，降低損傷頻率。

4）面對巖爆規模大、頻次高的不利工況，“掘進不支護、支護不掘進”應成為巖爆洞段安全施工的準則。

5）TBM 施工的掘進參數的選擇與巖爆的對應關系在今后的施工還需進一步深入研究。