高黎貢山隧道TBM卡機與物探、鉆探成果耦合性淺析

陳 杰 杜宇本 蔣良文 沈 維

(1.成都華豐工程勘察設(shè)計有限公司， 成都 610031；2.西南交通大學(xué)， 成都 611756；3.中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司， 成都 610031)

隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)的快速發(fā)展和社會的進(jìn)步，地下交通運輸工程機械化施工也得到蓬勃發(fā)展[1-2]，作為國家的重要基礎(chǔ)設(shè)施，鐵路在中國綜合交通運輸體系中處于骨干地位[3]，而全斷面巖石掘進(jìn)機(Tunnel Boring Machine，簡稱TBM)憑借其安全性和高效性等特點，被廣泛應(yīng)用于鐵路等長大深埋隧道施工中[4-6]。

大瑞鐵路高黎貢山隧道出口工區(qū)施工段采用TBM法施工。為查明TBM施工段的地質(zhì)條件，勘察期間采用遙感、地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、原位測試及室內(nèi)試驗等方法開展了綜合地質(zhì)勘察。然而，高黎貢山隧道地質(zhì)條件極為復(fù)雜，TBM掘進(jìn)過程中發(fā)生了多次卡機和受困，嚴(yán)重影響施工安全和工程進(jìn)度，并造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失[7]。

本文擬從TBM施工卡機受困地質(zhì)條件規(guī)律性總結(jié)，與勘察期間物探、鉆探成果進(jìn)行耦合性分析，利用綜合分析成果結(jié)論，提出類似條件工況地質(zhì)勘察建議，以指導(dǎo)設(shè)計和施工。

1 概況

1.1 工程概況

大瑞鐵路高黎貢山隧道起訖里程為D1K 192+302～D1K 226+840，全長34.538 km，洞內(nèi)線路縱坡為“人”字坡，隧道進(jìn)口線路高程為842 m，出口線路高程為 1 215 m，最大埋深 1 155 m。本隧采用“1平+1斜+2豎”的輔助坑道設(shè)置方案，平導(dǎo)位于預(yù)留Ⅱ線線位上，1號斜井長 3 850 m，1號豎井深762 m，2號豎井深640 m，斜、豎井均設(shè)置為主副井。

圖1 高黎貢山隧道線路布置示意圖(m)

1.2 地質(zhì)概況

高黎貢山隧道位于怒江和龍川江間，穿越高黎貢山山脈南段，山體渾厚，總體地勢北東高南西低，山脈大體為南北走向，山脈、河流相間，地面高程640～2 340 m，相對高差約 1 700 m，地形起伏大。

隧址區(qū)位于印度板塊與歐亞板塊相碰撞的縫合帶附近，地處青藏滇緬巨形“歹”字型構(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。地質(zhì)條件具“三高”(高地?zé)?、高地?yīng)力、高地震烈度)和“四活躍”(活躍的新構(gòu)造運動、活躍的地?zé)崴h(huán)境、活躍的外動力地質(zhì)條件和活躍的岸坡淺表改造過程)集于一體的特征，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜。

圖2 高黎貢山隧道TBM施工段地質(zhì)縱斷面圖

1.3 TBM卡機受困概況

高黎貢山隧道出口平導(dǎo)小TBM于2017年11月25日始發(fā)掘進(jìn)；出口正洞大TBM于2018年2月1日始發(fā)掘進(jìn)。高黎貢山隧道TBM施工段D1K 226+126～D1K 219+631，長6.495 km，發(fā)生卡機受困10次；平導(dǎo)施工段PDK 225+943～PDK 219+842，施工長度6.101 km，發(fā)生卡機受困14次。兩段TBM施工段卡機受困情況如表1所示。

表1 TBM卡機受困情況統(tǒng)計表

2 地面物探成果分析

高黎貢山隧道勘察期間采用可控源音頻大地電磁測深法(Controlled Source Audio Magneto Telluric Method，簡稱CSAMT法)，是在音頻大地電磁測深(Audio Magneto Telluric Method，簡稱AMT法)基礎(chǔ)上，發(fā)展起來的一種人工源頻率測深方法[8]，全隧道貫通施作，物探點間距為 20 m，共完成 34.6 km。

2.1 物探成果特征

出口工區(qū)TBM施工段物探解譯電阻率斷面圖如圖3所示。

由圖3可知，出口工區(qū)TBM施工段物探解譯電阻率斷面圖顯示了以中阻為背景、分布有多條規(guī)模較大的條帶狀、串珠狀和片狀低阻異常的電性特征。在橫向上，高低阻異常相間，中阻背景值為102.4～103.2Ω·m。物探解譯結(jié)果表明隧道洞身范圍存在上下基本貫通的條帶狀、團狀或串珠狀低阻異常，低阻異常的電阻率值均低于102.2Ω·m，屬高風(fēng)險卡機段落。此外，局部段落洞身上部存在條帶狀及串珠狀低阻異常，且異常區(qū)有垂直或斜向向隧道洞身延伸的趨勢，洞身范圍低阻異常的電阻率值分別為102.6～102.8Ω·m、102.2～102.4Ω·m和102.6～102.8Ω·m。

圖3 物探解譯電阻率斷面圖

根據(jù)物探CSAMT法解譯成果資料，以電阻率值為基礎(chǔ)，對地表物探指標(biāo)對TBM發(fā)生卡機概率進(jìn)行分類，結(jié)果如表2所示。

建立扶貧工作責(zé)任清單，選擇重點部門和重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)村進(jìn)行聯(lián)合督查。實行驗收制，將驗收結(jié)果與績效考評、評優(yōu)評先、干部選拔相結(jié)合。對于驗收不合格的單位實行約談、函詢或誡勉談話。

表2 地表物探電阻率值對應(yīng)卡機概率分類表

需注意的是，CSAMT法資料僅是宏觀評價高黎貢山隧道工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)，考慮到CSAMT法自身存在靜態(tài)效應(yīng)、近場效應(yīng)、場源效應(yīng)、地形影響、高壓輸電線和日變磁場等會造成不可消除的干擾，從而導(dǎo)致CSAMT法資料的精度受到一定影響。因此，CSAMT可能漏判或誤判部分不良地質(zhì)體，現(xiàn)場開挖結(jié)果也表明CSAMT資料在不良地質(zhì)段落存在一定范圍里程差異。

2.2 物探成果分析

根據(jù)地表物探CSAMT法電阻率值解譯結(jié)果，結(jié)合該物探方法存在一定差異性等特點，物探解譯結(jié)果表明存在8段TBM卡機高風(fēng)險段落，如表3所示。

表3 TBM已施工段物探預(yù)測卡機高風(fēng)險段落表

3 深孔鉆探成果分析

考慮到高黎貢山較大隧道埋深和復(fù)雜地質(zhì)條件，深孔鉆探成孔及取芯難度極大，而繩索取芯技術(shù)鉆進(jìn)效率非常高、結(jié)構(gòu)簡單，采用該技術(shù)能夠更好地保證巖芯質(zhì)量，避免巖芯長時間浸泡，從而延長鉆頭的使用壽命，降低勞動強度[9]。高黎貢山隧道正線進(jìn)、出口各施工1個水平向探孔，共完成勘探量425.9 m/2孔，共施工豎向深孔鉆探32孔，完成勘探深度 20 958.85 m，平均鉆孔間距約1.01 km。其中，設(shè)計TBM施工段施工深孔鉆探共13孔，完成勘探深度 6 793.5 m，平均間距約1.02 km。

3.1 鉆探成果特征

表4 TBM已施工段鉆探揭示地質(zhì)情況表

根據(jù)區(qū)域報告和勘測階段地質(zhì)調(diào)繪情況，推測老董坡斷層與洞身相交于D1K 220+120附近，斷裂附近巖體普遍破碎，糜棱巖、碎裂巖發(fā)育，且該斷層屬巖性接觸斷層，地下水發(fā)育，對隧道工程影響較大。

3.2 鉆探成果分析

綜合深孔鉆探資料及區(qū)調(diào)情況分析，TBM施工卡機高風(fēng)險段落存在7段，具體情況如表5所示。

表5 TBM已施工段鉆探預(yù)測卡機高風(fēng)險段落表

4 綜合成果分析

綜合地表物探預(yù)測資料和深孔鉆探成果劃分高黎貢山隧道TBM施工卡機高風(fēng)險段落，共12段，具體如表6所示。

表6 TBM已施工段卡機高風(fēng)險段落統(tǒng)計表

5 結(jié)論與討論

5.1 TBM卡機受困與物探成果耦合性分析

以地表物探電阻率值對TBM卡機概率進(jìn)行分段分級，高黎貢山隧道TBM已施工段卡機高風(fēng)險段落共有8段，對應(yīng)正洞卡機里程耦合率為40%，對應(yīng)平導(dǎo)卡機里程耦合率為57.1%，綜合耦合率為50%。

5.2 TBM卡機受困與鉆探成果耦合性分析

根據(jù)高黎貢山隧道深孔鉆探資料及區(qū)調(diào)情況綜合分析，揭示TBM施工卡機高風(fēng)險段落共有7段，其主要地質(zhì)問題包括斷層構(gòu)造破碎帶、構(gòu)造影響破碎帶、蝕變帶及巖性接觸帶，對應(yīng)正洞卡機里程耦合率為50%，對應(yīng)平導(dǎo)卡機里程耦合率為50%，綜合耦合率為50%。

5.3 綜合成果耦合性分析

通過對高黎貢山隧道TBM已施工揭示卡機受困情況地質(zhì)條件的總結(jié)，與洞身地表物探及深孔鉆探預(yù)測卡機高風(fēng)險段落對比分析，其單項耦合概率均為50%，耦合概率較低。將物探與鉆探結(jié)論相結(jié)合后，TBM卡機高風(fēng)險段落為12段，總長約2.05 km，約占TBM已施工段的31.6%，對出口工區(qū)主要地質(zhì)問題總結(jié)更加全面，綜合分析耦合率提升至71%。由此可見，地質(zhì)深孔鉆探對物探及地質(zhì)調(diào)繪的驗證工作極為重要。

5.4 分析成果討論

采用TBM施工的隧道工程，尤其是地質(zhì)條件極為復(fù)雜地區(qū)，在前期勘測階段，應(yīng)根據(jù)地表物探成果資料，結(jié)合區(qū)域構(gòu)造特征及地層條件，對構(gòu)造界線、影響較大的巖性接觸帶、蝕變帶等不良地質(zhì)體進(jìn)行有針對性的補充鉆探勘測，做到提前預(yù)判提前處理，減小TBM卡機受困概率，提升其施工的安全性和高效性，為隧道工程建設(shè)提供更好的工期保障。