引汉济渭秦岭隧洞TBM施工风险

引汉济渭秦岭隧洞TBM施工风险与对策分析张克强1 李凌志2 齐梦学3（1、陕西省引汉济渭工程办公室，2、铁道第一勘察设计院集团公司，3、中铁十八局集团公司）陕西省引汉济渭工程是一项从汉江上游调水到渭河流域关中地区的跨流域调水工程。

调水主体工程由两座大型水库和长98.3km的秦岭输水隧洞组成。

受地形条件限制，隧洞穿越秦岭主脊的约40km洞段必须采用TBM施工。

与国内外大量的TBM隧洞比较，秦岭隧洞具有特殊的技术复杂性。

本文对该隧洞TBM的施工风险和对策作初步研究。

1 、工程概况1.1 调水工程布局引汉济渭工程规划建设两处水源，一是汉江干流黄金峡水库，二是汉江支流子午河三河口水库。

从黄金峡水库坝后汉江左岸向北开凿隧洞，连接三河口水库并继续向北穿越秦岭，在渭河支流黑河金盆水库东侧的黄池沟出洞到达秦岭北麓。

工程总体布局可概括为两库、两站、两电、一洞两段。

两库即黄金峡水库、三河口水库；两站、两电指两座水库坝后联合布置的抽水站、水电站；一洞两段指从汉江左岸到秦岭北麓长98.3km的秦岭隧洞，由黄（金峡）三（河口）段及越岭段两段组成，参见图1。

图1 引汉济渭工程总体布置图黄金峡泵站将库水抽高119m送入隧洞，隧洞在三河口水库坝后与二级泵站进水池（兼作电站尾水池）相接，当黄金峡来水多于关中所需时，将余水抽入三河口水库蓄存，黄金峡来水不足时由三河口水库放水补足。

三河口水库是调水工程的核心调节设施，秦岭隧洞越岭段是调水进入关中的咽喉。

1.2 隧洞地形与地质条件秦岭隧洞穿越区域在大地构造单元上属秦岭褶皱系，沉积巨厚，岩浆活动频繁，变质作用复杂，褶皱、断裂发育。

隧洞横穿秦岭褶皱系中的南秦岭印支褶皱带、礼县—柞水华力西褶皱带和北秦岭加里东褶皱带中的三个二级构造单元。

秦岭隧洞TBM施工段穿越2条区域性大断层、3条次一级断层和11条地区性一般性断层。

区域性大断层具有切割深、延伸长、规模大的特点；一般性断裂规模较小，多为较窄的破碎带，断带物质破碎。

受构造作用影响，岩体节理发育－较发育，主要节理方向为北西及北东向，以密闭节理为主，节理面较平直，延长数米至数十米。

区内主要地层岩性包括石炭系变砂岩、千枚岩；泥盆系变砂岩、千枚岩；中元古界绿泥片岩、云母片岩、石英片岩；并伴有燕山期花岗岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩、加里东晚期花岗岩、闪长岩体的侵入。

隧洞围岩地质分段见表1。

地下水主要为基岩裂隙水。

断裂带和影响带及岭北的加里东晚期花岗岩、下元古界片麻岩、下古生界片岩地层中地下水较发育，属中等富水区，其余地段多为弱富水及贫水区。

隧洞施工涌水预测情况见表2。

隧洞区山高谷深，地形起伏大，隧洞埋深大，存在热害、岩爆、突涌水、围岩失稳及塑性变形等工程地质问题，工程地质条件和水文地质条件较为复杂。

1.3 隧洞工程设计概况过三河口水库大坝后，秦岭隧洞傍岭南蒲河、岭北黑河支流王家河、黑河走线，以尽可能方便地布置施工支洞。

经比较设计走线方案具有洞线最短、与地质构造带接近正交等优点。

秦岭隧洞越岭段长81.779km，设计在该段布置了9条施工支洞，其中岭南6条（0、0-1及1~4号支洞），岭北3条（5~7号支洞）（参见图1）。

综合地形和地质条件，3号支洞以南的约26km洞段、6号支洞以北的约16km洞段设计用钻爆法施工。

3号支洞与6号支洞之间穿越秦岭主脊的约39km主洞采用TBM施工。

两台TBM分别由3、6号支洞进入，在洞内组装，南北相向掘进。

综合评价地质条件，设计推荐选用敞开式TBM。

TBM施工区段划分示意图参见图2。

根据不同段落的围岩分类情况，TBM施工隧洞采用两种洞身结构：对III类及以下围岩，在一次锚喷支护的基础上再进做现浇混凝土衬砌；对I、II类围岩，仅做锚喷支护。

衬砌断面内径6.92m，锚喷断面内径7.76m，TBM设计开挖直径8.02m。

为方便TBM施工时铺设运输轨道，并为衬砌台车提供基础，所有TBM施工段均铺设钢筋混凝土预制底拱，不同洞段的洞底均保持顺坡衔接。

2、主要工程地质问题与TBM施工风险分析秦岭隧洞越岭段穿越区域地质条件复杂，地壳经历了漫长的地质时期，在强烈的构造应力和外应力作用下，形成了一个复杂的地质环境，埋深大、破碎带密集、软硬岩兼具、地应力高、存在突涌水、岩温高等地质问题，使得长距离TBM掘进存在诸多施工风险。

2.1 TBM通过地质构造带的风险岭南3号支洞工区TBM将穿越QF4、f7两条断层，其中QF4属区域性断裂，断带宽度达400m。

岭北6号支洞工区穿越f8~f19、QF3等17条断层及褶皱带。

TBM施工过程中遇到地质构造带，往往围岩稳定性差甚至不能自然稳定，将严重影响TBM掘进施工，主要表现为如下几个方面：（1）掌子面或刀盘后方频发塌方，刀盘前方局部临空，不能有效破岩，清碴支护工作量大；（2）出碴量瞬间增加导致输碴系统瘫痪，被迫频繁停机；（3）洞壁不能为TBM撑靴提供必要的承载力，致使TBM推进困难，掘进方向难以控制；（4）围岩坍塌落石占用TBM主机区域设备空间，清碴占用大量时间，或因初期支护量大大增加，还需要回填或灌浆处理空洞，使TBM 掘进单元经常待工，效率显著降低；（5）围岩失稳引起坍塌并可能会伴随发生突涌（泥）水，对TBM 设备、作业人员安全带来威胁。

2.2 岩爆对TBM施工的威胁秦岭隧洞通过岭脊地段最大主应力值σ1（为水平应力）一般为15～22MPa，最大达27～30MPa，方向介于N16°W～N54°W之间，平均N43°W。

三项主应力关系为SH＞Sh＞SV,具有明显的水平构造应力作用，地应力值偏大。

在坚硬完整、干燥无水的Ⅰ、Ⅱ类围岩地段的花岗岩、闪长岩地层中进行开挖时，由于应力集中，在掌子面或离掌子面一定距离范围内有发生岩爆、甚至较强烈岩爆的可能。

预测隧洞通过岭脊花岗岩、闪长岩地段约20km范围内时岩爆在所难免。

与处于同一山脉、相距不远的西康铁路秦岭隧道相比，本工程埋深增加约400m，岩爆发生的几率和强度将高于西康铁路隧道。

TBM施工具有对围岩扰动较小、掘进速度快、开挖边界光滑等特点，掘进成洞后，围岩应力集中较弱，在一段时间内保持稳定；然而，经过一段时间的应力重分布后可能就会发生岩爆，即TBM施工中的岩爆具有滞后性，这种现象对于施工安全的危害更大。

2.3 软岩大变形隧洞穿越岭脊段大多数岩石的单轴抗压强度大于30MPa，少数岩石如云母片岩、炭质片岩、炭质千枚岩等单轴抗压强度小于30MPa，断层泥砾小于5MPa。

高地应力下的软岩洞段，TBM开挖后极有可能发生较大的变形，将对TBM施工安全、成洞质量、施工进度产生较大影响，主要表现为：（1）如果收敛变形发生较为迅速，变形较大时会导致TBM护盾被卡；（2）已经安装完毕的钢拱架，在围岩发生较大变形的情况下自身强度不足以抵抗围岩压力，发生严重变形甚至破坏；（3）软岩洞段如果节理较为发育，一旦发生大变形，势必带来围岩坍塌；（4）如果发生大变形的软岩洞段完整性较好，可能不至于坍塌，但围岩收敛之后将导致洞径变小。

2.4 突涌（泥）水据地质勘察，本工程所穿断层多具有隔水性质，在向斜核部由于岩石碎裂也可能形成储水构造。

当TBM接近此类富水区域时，处理不当有可能因隔水层击穿出现涌水，断带富含细粒物质时也有可能发生涌泥，对正常施工和人身与设备安全带来威胁。

2.5 通风秦岭隧洞埋深大于1000m的地段，预测岩温超过28℃，推测埋深最大段最高可达42℃。

隧洞TBM施工段通风只能由支洞送入，最大独头通风距离达到15km，国内TBM独头通风鲜有达到如此长度的实例。

长距离通风，对风量、风压都有较高要求，而本工程开挖直径为8.02m，没有空间安装大直径的风管。

如果不能实施有效通风，不仅将直接影响TBM掘进效率，施工人员的健康也会受到影响。

2.6极硬岩对TBM的影响秦岭隧洞TBM施工涉及到的极硬岩有印支期花岗岩、下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩及华力西期闪长岩，岩石单轴抗压强度较高，取样试验强度达到91.2-133Mpa、91.8-114.8 Mpa、73.9-100.2 Mpa，节理不发育、不易破碎。

限于钻孔取样的局限性，参考临近的西康铁路秦岭隧道施工实际情况，本工程TBM掘进完全可能遇到抗压强度200MPa以上的极硬岩。

极硬岩条件下掘进对TBM施工的危害主要表现为：1、岩石坚硬，如果完整性较好，则需要更大的推力和扭矩才能完成破岩，并且盘形滚刀贯入度小，破岩效率降低，掘进缓慢，刀具磨损严重；2、如果围岩坚硬而节理发育，则破岩过程中滚刀受到的冲击会加剧，易造成滚刀轴承漏油、刀圈偏磨、刀圈崩刃等异常损坏，加大刀具消耗，增加刀具更换的时间，导致掘进速度大幅降低。

3、应对风险的技术对策3.1 TBM通过地质构造带的对策TBM在地质构造带中掘进会发生围岩失稳，根据表现形式以及严重程度，分别采取不同的应对措施。

（1）加强地质工作，尽可能探明前方地质条件。

结合地质资料以及掘进参数和出碴情况，可初步判断前方地质是否有变化；同时，可以配置相应的超前地质预报设备，如BEAM、TSP、HSP、ISIS等，每天利用TBM整备时间或者在不影响正常掘进的情况下实施预报；虽然目前TBM配置的超前地质预报手段还无法达到较高精度，但仍然可以提供一定的参考，有针对性地选择综合预报手段，能对TBM掘进施工提供较大帮助。

（2）轻微或一般围岩失稳洞段，通常不会严重影响TBM掘进，坍塌量不大，可采用先掘进后处理的办法。

通过减小撑靴撑紧压力、减小推进力与推进速度、降低刀盘转速等掘进参数的调整，继续掘进；围岩在护盾后面出露后，根据围岩的表现形式与失稳程度，选取合适的形式及时加强初期支护。

可采用的支护形式有喷射混凝土、或纤维混凝土、锚杆、钢筋网、钢拱架等。

需特别注意，该情况下希望TBM尽快掘进通过，但必须严格控制掘进速度，充分利用TBM掘进对围岩扰动小的特点，维持围岩基本稳定，否则会加剧围岩失稳。

（3）严重围岩失稳发生时，TBM无法继续掘进，必须停机，先处理后通过。

利用TBM自身设备或采用其他方法超前处理，然后TBM掘进通过或直接步进通过。

对前方的断层破碎带超前加固处理，对于大的区域性断层破碎带，可先采用钻爆法进行开挖，并进行相应预加固处理，然后再TBM掘进通过或直接步进通过。

超前加固的措施包括超前锚杆、超前小导管、超前注浆、超前管棚等；可以采用加固速度快、效果较明显的新型化学浆液材料。

（4）围岩失稳洞段，TBM掘进方向容易发生偏离，需高度关注掘进方向的变化，及时调整，避免出现较大偏离。

3.2 岩爆段TBM施工措施（1）加强超前地质探测，预报岩爆发生的可能性及地应力的大小。

可采用超前钻探、声反射等方法，同时利用隧道内地质编录观察岩石特性，综合判断可能发生岩爆高地应力的范围、岩爆规模。