西部調水工程輸水隧洞TBM施工要點分析

楊慶華，張海南，姚亞廣

（1.安陽市水利工程運行保障中心，河南 安陽 455000；2.南水北調安陽市西部調水PPP項目管理辦公室，河南 安陽 455000；3.安陽市水資源事務中心，河南 安陽 455000）

1 引言

引水工程建設過程的關鍵在于深長隧洞的施工。與傳統鉆爆方法相比，TBM 具有機械化程度高、掘進速度快、成洞質量高、施工擾動小、綜合經濟社會效益高等顯著優勢，是深長隧道施工的最佳選擇和必然發展方向。然而，TBM 工法對圍巖的各項物理力學參數變化較為敏感，在圍巖條件多變的洞段適應能力差。針對不良地質條件，需在TBM選型、TBM施工參數設計、掘進狀態監測、超前地質預報等方面進行專門的應對措施研究，以保障施工進度、人員和設備的安全。文章以南水北調安陽市西部調水工程為例，對上述問題進行了探討。

2 工程概況

南水北調安陽市西部調水工程自南水北調中線總干渠引水，通過新建壓力輸水管線48.41 km，設置加壓泵站3座，輸水至安陽市西部的林州市、殷都區及龍安區等西部缺水地區，設計年輸水量7 000萬m3，用于滿足當地生產生活用水需求。工程已于2022年12月30日全線完工試通水。輸水隧洞自下堡村西北至橫水鎮范家莊，位于工程穿越山丘區段，全長13.13 km。其中進口段、出口段采用鉆爆法開挖；隧洞其余部分采用雙護盾TBM施工。

3 TBM選型

該工程隧洞段地層巖性主要以石灰巖為主，以Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類圍巖為主。由于隧洞需穿過斷裂帶，地層復雜，地層巖性軟硬兼有，經比較（詳見表1），選擇雙護盾TBM 較為適宜。根據隧洞地質情況，初步擬定TBM掘進參數。在掘進過程中，根據掘進狀態的分析評估結果適時調整掘進模式和掘進參數，以適應復雜多變的地質條件。

表1 TBM機型比較表

4 不良地質條件

4.1 淺埋強風化段

隧洞沿線地表分布較多溝谷，呈“V”型地貌，隧洞穿越個別溝谷時，淺埋段洞頂以上巖層厚度薄，強風化，巖體裂隙和溶蝕發育，洞頂圍巖較差，大部分為Ⅴ類圍巖，且巖層傾角較緩，成洞后洞頂易發生垮塌、掉塊。受地形影響，溝谷淺埋段易滯水，雨季有發生涌水的可能。

4.2 斷層破碎帶

隧洞沿線區域斷裂構造發育，通過地質調查、物探鉆探，對工程影響較大的斷裂進行了識別和復核。在隧洞軸線范圍內發現多條大斷層。斷層性質以張性斷層為主，斷層面傾角一般較陡，斷層帶寬度為10～100 m，斷層帶內巖體破碎、軟化，易發生塌方、涌水等災害。巖體裂隙主要發育有4組裂隙，裂隙走向分別為335°～355°、180°～220°、100°～140°、20°～50°，裂隙多為垂直發育，與巖體層理交叉切割為塊狀，裂隙間距0.40～0.80 m，裂隙寬度一般為2～15 mm，大者50 mm。

4.3 巖溶

隧洞部分段位于安陽河左岸階地上，受安陽河水位的影響，巖溶中等發育。鉆探巖芯可見充填鈣質、泥質的裂隙以及3～5 mm 的溶孔，部分鉆孔形成溶洞，溶洞內大多充填紅黃色重粉質壤土，呈硬塑～堅硬狀態。

5 地質災害應對措施

5.1 掘進狀態監測

TBM 運行的主要過程與實驗室用于測定土樣抗剪強度的扭剪試驗，運行狀態數據綜合反映了機器的性能和前方巖面的物理力學性質。當巖體完整性較好時，TBM 需要較大的力才能夠壓碎和切削巖體，實現有效破巖；當巖體較為軟弱破碎時，TBM 只需要較小的力就可以壓碎和切削巖體。此工程隧洞施工過程中加強掘進狀態監測，利用傳感器實時采集刀盤轉速、扭矩、推力、推進速度等破巖過程中的關鍵數據，通過搭建的人工神經網絡算法（ANN）模型對大量的非線性數據進行分析后，預測前方的巖體質量等級，適時優化掘進參數，并根據掘進速度預測對可能發生的巖爆、塌方、卡機等地質災害進行預警。

5.2 超前預報

由于隧洞施工過程中所面臨的地質風險的不確定性，在隧道施工過程中，開展超前地質預報，對掘進面前方的工程地質和水文地質情況進行探測、分析、判斷和預報尤為重要。此工程在廣泛借鑒此地區相關工程經驗的基礎上，采用短距離地質分析與長距離物探監測相結合的方法進行地質預報；物探監測主要采用TRT地震波反射法。由于地質環境復雜，探測范圍內存在許多不確定因素可能會對地震波反射信號造成影響，即使相同的不良地質現象生成的預報結果圖也會因不同的地質條件和地質環境而具有較大的差異性，純人工憑經驗判譯會使得結果存在較大的主觀成分。因此為保證判譯結果可靠，此工程通過與TRT典型不良地質現象特征圖像庫進行數字比對，進一步明確工程區域各種不良地質現象，提高超前地質預報的精度。

5.3 變形坍塌

由于較軟弱巖、節理較密集地帶節理間距較小，巖體的完整性受到影響，當開挖通過后，圍巖平衡狀態破壞，導致應力重新分布，圍巖自穩力降低，圍巖出露刀盤支撐護盾后，即會產生不同程度的收斂變形甚至塌方。此工程在軟弱圍巖條件下的掘進時TBM降低推進速度，貫入度指標控制在6 mm/r以下；采用單護盾模式，利用管片提供反力進行掘進，以減少對圍巖的擾動，方便掘進姿態的控制。當掌子面的條件差時，停止TBM掘進，采用固結灌漿（化學灌漿）技術措施加固圍巖和堵水后，再進行TBM掘進。

5.4 巖溶

由于巖溶分布的隨機性，如：TBM刀盤和刀盤支撐體突然有大的下部或側部巖溶，由于重力和TBM推進力的作用，會發生刀盤和刀盤支撐體的整體下沉或側扭，對TBM 結構造成大的甚至是不可挽回的損失。故TBM 側、底巖溶必須在刀盤前部進行處理回填，并形成能夠承載TBM 和撐靴支撐力的混凝土結構后再掘進，TBM 頂部溶洞可在TBM 經過后隨TBM 的后期支護進行處理。由于巖溶層位透水性較強，容易發生涌水、突水，當溶洞中有充填物時，也可能出現突泥現象。此工程施工過程中按“早探明、預注漿、快封閉，先探后掘，堵排結合，節制排放”的原則進行處理。

6 結語

TBM施工方法已成為中國隧洞建設的主要趨勢。文章以南水北調安陽市西部調水工程輸水隧洞為例，探討TBM 應用復雜地層時遇到的不良地質現象及采取的應對措施，其中既有傳統成熟的處理措施，也有相對新穎的處理方法。注意的是，TBM 施工項目實施過程中存在很多不可預見的風險，因此充足的應急準備和妥當的應急處置是項目順利實施的重要保障。