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      TBM隧道花崗巖蝕變帶突泥涌水處理方案研究*

      2022-08-02 03:56:32楊志勇
      施工技術(shù)(中英文) 2022年13期
      關(guān)鍵詞:平導(dǎo)廣林正洞

      楊志勇

      (云桂鐵路云南有限責(zé)任公司,云南 昆明 650011)

      0 引言

      隧道施工中遇到的突泥涌水問題日益增多,尤其是隧道通過破碎帶時(shí)發(fā)生突泥涌水、坍塌的災(zāi)害最為常見。因此,開展隧道突泥涌水研究具有重要意義[1-3]。目前,已有相關(guān)學(xué)者開展了該方面研究,如畢煥軍[4]、錢富林[5]、劉欽等[6]和范亦農(nóng)等[7]分別對大梁隧道、關(guān)角隧道、龍?zhí)端淼兰敖废铀淼赖耐荒嘤克畽C(jī)理開展了對應(yīng)研究,并結(jié)合工程實(shí)際提出了相應(yīng)的處置措施,有效指導(dǎo)了現(xiàn)場施工。但受區(qū)域地質(zhì)條件及施工因素的影響,不同隧道的突泥涌水機(jī)理存在一定差異,進(jìn)而仍需結(jié)合具體工程開展相應(yīng)研究。本文以大瑞鐵路高貢山隧道突泥涌水事故為工程背景,結(jié)合工程實(shí)際,提出了針對花崗巖蝕變帶突泥涌水問題的不同解決方案,并對不同方案進(jìn)行了合理分析,為今后解決類似工程問題提供參考。

      1 工程概況

      高黎貢山隧道全長34.538km,為時(shí)速140km/h的電氣化鐵路隧道,洞內(nèi)線路縱坡為“人”字坡,最大線路坡度為23.5%。全隧共分布有19條斷層及2個(gè)向斜,其中4條為導(dǎo)水熱斷層(裂),2條為活動(dòng)斷裂。全隧預(yù)測最大涌水量為19.2萬m3/d。隧道最大埋深1 155m。

      出口工區(qū)采用TBM掘進(jìn)施工為主,TBM施工區(qū)段長13.34km,正洞采用1臺直徑9.03m敞開式TBM施工,平導(dǎo)采用1臺直徑6.36m敞開式TBM施工。高黎貢山隧道出口工區(qū)正洞、平導(dǎo)分別于2016年8月1日和2016年5月1日開始施工,正洞段長13 260m,平導(dǎo)段長11 518.58m。截至2019年10月28日,正洞TBM掘進(jìn)4 579m,平導(dǎo)TBM掘進(jìn)4 461m。

      1.1 出口工區(qū)地質(zhì)特征

      1.1.1地質(zhì)構(gòu)造特征

      隧道出口工區(qū)以燕山期花崗巖為主,地表零星覆蓋第四系坡殘積粉質(zhì)黏土。本次不良地質(zhì)段鄰近鉆孔揭示有節(jié)理密集發(fā)育的巖體破碎帶(Fbr)。其次隧區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的板塊結(jié)合帶,為青、藏、滇、緬巨型“歹”字形構(gòu)造西支中段弧形構(gòu)造帶與經(jīng)向構(gòu)造帶之“蜂腰部”南段。工作區(qū)內(nèi),怒江斷裂帶(F1)和瀘水-瑞麗斷裂帶(F2)在本工作區(qū)北緣緊密擠壓成平行索狀,往南兩斷裂帶逐漸撒開,由南北向轉(zhuǎn)向南東或南西向偏轉(zhuǎn),呈一帚狀形態(tài)。兩斷裂帶間三角地帶為侵入的花崗巖體。南北向轉(zhuǎn)南西向弧形構(gòu)造帶、南北向構(gòu)造帶及東北向構(gòu)造帶組成區(qū)內(nèi)構(gòu)造體系,形成“A”字形基本構(gòu)造骨架。距區(qū)段最近為廣林坡斷層,與隧道交于D1K220+972,線路與斷層交角59°,走向N63°W,傾向SW,傾角約60°。地表發(fā)育于志留系中上統(tǒng)(S2-3)條帶狀、網(wǎng)紋狀灰?guī)r、砂質(zhì)白云巖、砂巖夾頁巖中,洞身段穿燕山期花崗巖地層,斷裂附近巖體破碎,糜棱巖、碎裂巖發(fā)育。沿?cái)鄬佑谢◢弾r侵入。

      1.1.2水文地質(zhì)特征

      隧區(qū)地下水主要為基巖裂隙水,地表局部溝槽少量第四系松散巖類孔隙水,地下水受地表水系、地形地貌和構(gòu)造形跡的控制,區(qū)內(nèi)發(fā)育的由南北向轉(zhuǎn)為南西向的弧形瀘水-瑞麗斷裂帶(F2),和由南北向轉(zhuǎn)為北東向的怒江斷裂帶(F1),使地下水的徑流與排泄都受斷裂帶的控制。縱伸于測區(qū)中部的高黎貢山是地表水系的天然分水嶺,區(qū)內(nèi)地下水徑流系統(tǒng)的分水嶺位置與地表徑流系統(tǒng)一致。由于受到地形的控制,總體上是從北向南徑流的,在區(qū)內(nèi)集中化排泄程度不高。

      隧區(qū)地下水以大氣降雨補(bǔ)給為主,局部受地表水體補(bǔ)給。其補(bǔ)給條件與降雨量、地形地貌及巖性等條件密切相關(guān),沿分水嶺地帶高黎貢山區(qū)平均年降雨量均在2 000mm以上,且降雨量相對較大。因而,地下水獲得的補(bǔ)給量相對較大,該區(qū)具有地下水相對豐富、徑流途徑短、沿溝谷滲透匯集等特征。

      1.2 局部突泥涌水處理情況

      2019年8月27日,出口平導(dǎo)TBM掌子面掘進(jìn)至PDZK221+481處揭示圍巖為全~強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,刀盤前方巖體呈泥砂狀隨水流不斷涌出,涌渣量約100m3,突涌情況穩(wěn)定后滲水情況隨之減小至衰竭,同時(shí)TBM護(hù)盾及盾尾主梁區(qū)域拱部出現(xiàn)變形沉降,拱頂巖體呈巨塊狀下沉形成錯(cuò)臺,下錯(cuò)高度約5cm,頂護(hù)盾被圍巖擠壓至極限位置(原有限位塊受擠壓彎曲變形),盾尾拱架出現(xiàn)扭曲變形。

      出口平導(dǎo)TBM自2019年8月27日在PDZK221+481處卡機(jī)以來,其處理過程可分為3個(gè)階段:平導(dǎo)卡機(jī)常規(guī)處理階段、增設(shè)高位導(dǎo)洞及盾尾管棚工作室階段、管棚工作室突涌及應(yīng)急處理階段。另外,正洞TBM在掘進(jìn)至D1K221+547.5(位于平導(dǎo)TBM后方66.5m)時(shí),結(jié)合平導(dǎo)揭示的不良地質(zhì)情況,采取主動(dòng)停機(jī)以探測前方地質(zhì)情況。

      1.3 局部突泥涌水揭示及地質(zhì)補(bǔ)勘

      1.3.1圍巖情況

      1)平導(dǎo)(盾尾里程PDZK221+486.5)

      平導(dǎo)盾尾拱部右側(cè)圍巖為弱風(fēng)化花崗巖,局部節(jié)理、裂隙較發(fā)育,巖體呈塊狀構(gòu)造,巖質(zhì)較硬,整體地下水弱發(fā)育,以滴狀、線狀裂隙水為主。

      2)正洞(掌子面里程DK221+547.5)

      2019年10月21日,高黎貢山隧道出口正洞掌子面里程D1K221+547.5,掘進(jìn)過程中扭矩由2 300kN·m增大至3 000~4 800kN·m,查看掌子面發(fā)現(xiàn)5點(diǎn)至11點(diǎn)位置圍巖為全~強(qiáng)風(fēng)化花崗巖,無水、較穩(wěn)定,右上側(cè)圍巖完整,強(qiáng)度較高。護(hù)盾及盾尾左側(cè)拱腰8點(diǎn)至10點(diǎn)范圍圍巖極破碎,掉塊形成空腔,環(huán)向?qū)挾燃s3m,徑向深度約1.5m,延伸至刀盤區(qū)域,其余位置圍巖完整。

      1.3.2地下水情況

      2019年8月27日,平導(dǎo)TBM掘進(jìn)至掌子面里程PDZK221+481,揭示洞內(nèi)圍巖為燕山期花崗巖,地下水發(fā)育,呈滴狀滲水及線狀流水,拱頂左側(cè)見股狀水流出,水量約4m3/h,水質(zhì)清澈,無壓力,為基巖裂隙水。

      平導(dǎo)PDZK221+481不良地質(zhì)處理期間,平導(dǎo)施作鉆孔51個(gè),其中6個(gè)鉆孔揭示有高壓水,判斷掌子面前方存在封閉囊狀水,并具有高壓富水特征。

      1.3.3地質(zhì)補(bǔ)勘情況

      對應(yīng)地表水未出現(xiàn)下滲,地表部分花崗巖呈全~強(qiáng)風(fēng)化狀,礦物成分有綠泥石蝕變現(xiàn)象,寬度約45m。

      1)物探

      通過使用TPS探測、HSP探測、TBM破巖震源波探測、激發(fā)極化探測等探測方法進(jìn)行探測。分析結(jié)果如下:平導(dǎo)PDZK221+479—PDZK221+466,PDZK221+444—PDZK221+434區(qū)段節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎~極破碎,圍巖自穩(wěn)能力差。正洞D1K221+540—D1K221+530,D1K221+519—D1K221+478,D1K221+458—D1K221+456區(qū)段附近節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體破碎,局部巖體自穩(wěn)能力差,局部發(fā)育地下水。

      2)鉆探

      正洞、平導(dǎo)以及高位導(dǎo)坑施作泄水孔、超前探孔(35個(gè))及管棚共76個(gè),采用自帶風(fēng)壓回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)+水鉆工藝。根據(jù)超前鉆孔判斷,平導(dǎo)護(hù)盾前方3~24m范圍為強(qiáng)~弱風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,地下水弱~較發(fā)育;迂回導(dǎo)坑前方5~40m范圍為強(qiáng)~弱風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,地下水較發(fā)育;前方0~24m范圍為強(qiáng)~弱風(fēng)化花崗巖,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,地下水弱~較發(fā)育。

      1.3.4地質(zhì)條件分析

      根據(jù)平導(dǎo)、迂回導(dǎo)坑等鉆孔探測情況,推測PDZK221+481卡機(jī)段前方發(fā)育構(gòu)造風(fēng)化破碎帶,該破碎帶具有巖體破碎、部分泥化、高壓富水、易涌突的特征。破碎帶走向約為N74°E,與線路走向夾角約24°,推測構(gòu)造破碎帶大里程側(cè)邊界與平導(dǎo)交于PDZK221+483,與正洞交于D1K221+553附近。小里程側(cè)邊界未探明,具體寬度需進(jìn)一步驗(yàn)證(推測破碎帶寬度>20m)。根據(jù)超前鉆孔,平導(dǎo)盾尾前方強(qiáng)~強(qiáng)風(fēng)化花崗巖厚度3~24m,迂回導(dǎo)坑洞室前方弱風(fēng)化花崗巖厚度5~17m,正洞盾尾前方強(qiáng)~弱風(fēng)化花崗巖厚度0~24m。

      根據(jù)正洞掌子面圍巖情況、探孔及地表調(diào)繪,推測目前正洞掌子面已接近該構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。平導(dǎo)掌子面右側(cè)7m以外,前方35m為弱風(fēng)化花崗巖,巖體穩(wěn)定性較好。

      2 處理方案研究及優(yōu)缺點(diǎn)分析

      2.1 處理方案

      2.1.1方案1:自平導(dǎo)TBM后方右側(cè)增設(shè)迂回導(dǎo)坑

      1)處理措施

      在平導(dǎo)TBM后方約245m處右側(cè)(面向掌子面,下同)增設(shè)迂回導(dǎo)坑,并在廣林坡斷層前轉(zhuǎn)入平導(dǎo)線位,利用迂回導(dǎo)坑超前施工平導(dǎo)及正洞的廣林坡斷層范圍。

      從迂回導(dǎo)坑向平導(dǎo)PDZK221+481附近增設(shè)高位支洞,通過高位支洞對平導(dǎo)上方的不良地質(zhì)進(jìn)行泄水、加固。利用迂回導(dǎo)坑超前平導(dǎo),并反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)。當(dāng)正洞TBM遇到不良地質(zhì)并出現(xiàn)卡機(jī)時(shí),可通過迂回導(dǎo)坑繞行加固處理。當(dāng)平導(dǎo)TBM需檢修時(shí),可在平導(dǎo)線位設(shè)置TBM檢修洞。

      2)迂回導(dǎo)坑設(shè)計(jì)(見圖1)

      圖1 迂回導(dǎo)坑靠近廣林坡斷層附近段平面示意

      迂回導(dǎo)坑沿平導(dǎo)右側(cè)(面向掌子面)30m平行設(shè)置,考慮梭礦等有軌運(yùn)輸?shù)囊?,轉(zhuǎn)彎半徑按50m控制。迂回導(dǎo)坑轉(zhuǎn)入平導(dǎo)的具體里程應(yīng)結(jié)合探測確定的廣林坡斷層位置確定。迂回導(dǎo)坑標(biāo)高與兩端平導(dǎo)交點(diǎn)處的軌頂標(biāo)高齊平順接。

      迂回導(dǎo)坑按有軌運(yùn)輸單車道控制,每隔350~400m設(shè)置1處錯(cuò)車道。單車道內(nèi)凈空尺寸為4.1m(寬)×4.35m(高),錯(cuò)車道內(nèi)凈空尺寸為6.25m(寬)×5.2m(高)。

      3)高位支洞對不良地質(zhì)的處理

      從迂回導(dǎo)坑YHDK0+221.56處增設(shè)高位支洞,并設(shè)置高位作業(yè)洞室用以泄水、加固構(gòu)造風(fēng)化破碎帶。

      為確保TBM成功脫困,通過高位作業(yè)洞室向平導(dǎo)方向施作φ108超前注漿管棚(內(nèi)設(shè)鋼筋籠)及泄水孔,1m×1m(橫×縱)梅花形布置,管棚長度按穿過風(fēng)化帶并進(jìn)入對側(cè)基巖不小于5m控制。為避免水泥漿液損壞TBM密封件等設(shè)備,在底部第1排采用化學(xué)注漿,其余采用水泥漿,如圖2,3所示。

      圖2 高位支洞平面示意(單位:cm)

      圖3 高位支洞加固平導(dǎo)上方不良地質(zhì)典型橫斷面設(shè)計(jì)(單位:cm)

      4)平導(dǎo)反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)段

      通過迂回導(dǎo)坑施工至卡機(jī)段前方,采用鉆爆法反向施工(見圖4),通過不良地質(zhì)段并對受困TBM周邊圍巖進(jìn)行加固使其脫困。采用鉆爆法反向施工至平導(dǎo)構(gòu)造風(fēng)化破碎帶時(shí),采用φ108大管棚+大外插角小導(dǎo)管進(jìn)行超前注漿加固并確保超前大管棚長度覆蓋PDZK221+486.7—PDZK221+490.75段。

      圖4 平導(dǎo)突涌段爆鉆法反向施工縱斷面示意(單位:cm)

      2.1.2方案2:在平導(dǎo)與正洞之間增設(shè)迂回導(dǎo)坑

      1)處理措施

      在平導(dǎo)TBM后方約245m處左側(cè)正洞與平導(dǎo)之間增設(shè)迂回導(dǎo)坑,并在廣林坡斷層前轉(zhuǎn)入平導(dǎo)線位,利用迂回導(dǎo)坑超前施工平導(dǎo)及正洞的廣林坡斷層范圍。利用迂回導(dǎo)坑超前平導(dǎo),并反向施工加固平導(dǎo)不良地質(zhì)。

      當(dāng)正洞TBM遇到不良地質(zhì)并出現(xiàn)卡機(jī)時(shí),可通過迂回導(dǎo)坑超前加固處理。當(dāng)平導(dǎo)TBM需檢修時(shí),可在平導(dǎo)線位設(shè)置TBM檢修洞。

      2)迂回導(dǎo)坑設(shè)計(jì)(見圖5)

      圖5 迂回導(dǎo)坑靠近廣林坡斷層附近段平面

      迂回導(dǎo)坑沿平導(dǎo)左側(cè)15m平行設(shè)置,考慮梭礦等有軌運(yùn)輸?shù)囊?,轉(zhuǎn)彎半徑按50m控制。迂回導(dǎo)坑轉(zhuǎn)入平導(dǎo)的具體里程應(yīng)結(jié)合探測確定的廣林坡斷層位置確定。迂回導(dǎo)坑標(biāo)高與兩端平導(dǎo)交點(diǎn)處的軌頂標(biāo)高齊平順接。

      受迂回導(dǎo)坑與平導(dǎo)、正洞之間的凈距限制,本方案不考慮通過迂回導(dǎo)坑設(shè)置高位支洞。

      3)其他

      本方案的運(yùn)輸組織、平導(dǎo)不良地質(zhì)段反向加固措施、特殊襯砌設(shè)計(jì)均與方案一相同。

      2.1.3方案3:利用正洞TBM超前施工

      本方案基于正洞TBM在進(jìn)入廣林坡斷層前,能夠超前平導(dǎo)刀盤至少280m。

      1)處理措施

      在正洞TBM超前平導(dǎo)約280m后,從正洞D1K221+460附近(超前平導(dǎo)掌子面約20m)朝平導(dǎo)方向開設(shè)橫通道,并采用鉆爆法反向施工平導(dǎo),加固平導(dǎo)不良地質(zhì)段。

      由于要采用鉆爆法施工廣林坡斷層,故正洞TBM在進(jìn)入斷層前(或卡機(jī)后),仍需要等待鉆爆法施工的平導(dǎo)超前處理。本方案平面如圖6所示。

      圖6 方案3示意

      2)其他

      本方案的運(yùn)輸組織、平導(dǎo)不良地質(zhì)段反向加固措施、特殊襯砌設(shè)計(jì)均與方案1相同。

      2.2 處理方案比選及推薦

      2.2.1方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

      平導(dǎo)不良地質(zhì)處理方案優(yōu)缺點(diǎn)比較分析如表1所示。

      表1 方案優(yōu)缺點(diǎn)對比分析

      2.2.2比較分析

      從上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)綜合比較分析看,雖然方案1的工程規(guī)模相對更大,但其在施工安全、工期可靠性保障、不良地質(zhì)處理手段選擇等方面具有更大的優(yōu)勢,故推薦盡快實(shí)施方案1,并根據(jù)正洞TBM掘進(jìn)情況,必要時(shí),可同時(shí)考慮通過正洞處理平導(dǎo)不良地質(zhì)及前方廣林坡斷層。

      3 結(jié)語

      本文討論的方案1已經(jīng)于現(xiàn)場實(shí)施完成,經(jīng)過2年多的監(jiān)測,平導(dǎo)洞內(nèi)無異常。

      TBM脫困的原理是采取一系列措施盡可能減小刀盤阻力和護(hù)盾阻力,使其滿足TBM掘進(jìn)施工的脫困扭矩及推力,過程中需采取加強(qiáng)支護(hù)手段,保證初支強(qiáng)度,必要時(shí)采用鉆爆法輔助通過,其處理原則和理念均要“泄水降壓、改良圍巖、釋放空間”,通過對TBM刀盤前方不良地質(zhì)圍巖泄水固結(jié),注漿加固改良圍巖狀態(tài),提高圍巖自穩(wěn)程度后,采用一定輔助措施釋放TBM設(shè)備周邊空間,幫助TBM脫困或TBM自行脫困。在方案研究階段,按不良地質(zhì)處理原則,泄水降壓、注漿加固、盾殼周邊擴(kuò)挖等具體脫困方式的選擇,應(yīng)重點(diǎn)考慮方案的可行性、可操作性、安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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