双护盾TBM施工突涌水防治措施

【摘要】 文章以山西中部引黄工程TBM3标项目为例，在设计水文地质与实际揭露差异较大的情况下，双护盾TBM施工采取“探、堵、排”相结合的涌水防治措施，降低了TBM掘进施工遭遇突涌水灾害的风险，可为类似工程提供借鉴经验。

【关键词】突涌水 防治措施 降低风险 0 引言

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，本工程自天桥水电站库区取水，包括枢纽取水工程和输水工程，供水范围覆盖四市十六个县（市/区）。输水工程包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线。

东干线隧洞全长28.763km，为无压输水隧洞，设计流量10.19m3/s。其中：桩号东干0+000～8+699.63段采用钻爆法施工；桩号东干8+699.63～28+762.89段约20.063km采用TBM施工，隧洞开挖直径4.11m，采用管片衬砌，衬砌后内径3.6m。

1 水文地质

东干TBM段隧洞从中阳东部土石山区经过，沿线地表为黄土丘陵、灌丛山地，地形起伏较大，河流及冲沟发育，隧洞埋深多大于300m，最大埋深693m。

工程线路涉及柳林泉域、郭庄泉域两个泉域。隧洞多位于地下水位以下，地下水位高于洞顶最大约309m，隧洞沿线地下水类型有变质岩类裂隙水及碳酸盐岩裂隙岩溶水。其中，对隧洞影响最大的是寒武系、奥陶系碳酸盐岩裂隙岩溶水。经估算，东干TBM隧洞涌水量约60万m3/d。

2 施工简况

本工程采用意大利SELI公司生产的双护盾TBM，该TBM设备于2015年2月18日从进洞支洞口始发滑行，至 2019 年 10 月 8 日完成主洞 11141 m掘进施工，到达主洞与通风支洞交汇处（桩号17+621.87），期间分别于2017年4月、2017年12月、2019年4月出现突涌水，平均涌水量达18000m3/d，多次停机堵水耗时436天。

2020年7月26日，TBM从通风支洞与主洞交汇处二次始发，始发掘进前对主洞沿线主要出水部位进行封堵，主洞涌水量控制在11000m3/d左右。而后在1.7km掘进里程范围内遭遇三次较大涌水，主洞涌水量从11000m3/d增加至27000m3/d、40000m3/d，最后增至53000m3/d，期间共实施11次掌子面超前预注浆施工。

截止2022年5月，东干线主洞累计掘进12.889km，剩余6.173km。受突涌水灾害影响，累计造成停机1015天，自开工主洞累计涌排水量达3000万m3。

3 突涌水灾害防治措施

根据隧洞沿线水文地质特点，本标段所面临的地质问题有：岩溶、软质岩变形、断层、地下水等，其中，影响施工的最主要因素为地下水。因受地形、交通以及技术条件的限制，一定程度上影响了前期水文地质勘探工作的开展，致使对隧洞沿线水文地质情况的认识出现了偏差，不能有效指导TBM掘进。施工期多次遭遇超预期涌水，严重制约工程进度。为降低TBM施工遭遇突涌水灾害的风险，争取早日实现隧洞贯通，工程后期，设计单位联合施工方邀请业内专家，从绕线、地表定向钻孔预注浆、增加竖井工作面以及超前地质预报等多方面研究探索，总结形成了符合工程实际、具有可操作性的、“探、堵、排”相结合的涌水防治措施。

3.1 超前地质探测

本工程开工时间相对较早，TBM设备不具备搭载探测仪器的条件，目前使用便携式探测仪器，对剩余洞段进行三维地震法连续探测，根据地震法探测成果、综合短期内掘进参数及围岩变化，有针对性地开展激发极化法超前探水，最终根据激发极化法探水成果综合预判前方水文地质情况，以指导TBM掘进。

3.1.1 三维地震波法 （一）工作原理

三维地震法是隧道地震波反射层析成像技术的简称，该技术的基本原理在于当地震波遇到声学阻抗差异（密度和波速的乘积）界面时，一部分信号被反射回来，一部分信号透射进入前方介质。声学阻抗的变化通常发生在地质岩层界面或岩体内不连续界面。反射的地震信号被高灵敏地震信号传感器接收，震波从一种低阻抗物质传播到一个高阻抗物质时，反射系数是正的；反之，反射系数是负的，具体计算如式（1）所示。因此，当地震波从软岩传播到硬的围岩时，回波的偏转极性和波源是一致的。当岩体内部有破裂带时，回波的极性会反转。反射体的尺寸越大，声学阻抗差别越大，回波就越明显，越容易探测到。通过分析，被用来了解隧洞掌子面前方地质体的性质（软弱带、破碎带、断层、含水等）、位置及规模，探测距离约为80～100m。

(1)

其中，R代表反射系数，为无因次量，介质2的波阻抗。

（二）观测系统布置

三维地震的震源和检波器采用分布式立体布置方式。 （三）数据采集

代表介质1的波阻抗，

代表

仪器的工作过程为：在震源点上锤击，在锤击岩体产生地震波的同时，触发器产生一个触发信号给基站，然后基站给无线远程模块下达采集地震波指令，并把远程模块传回的地震波数据传输到电脑，完成地震波数据采集。

（四）数据处理及成果解析方法和原则

三维地震成像图采用的是相对解释原理，即确定一个背景场，所有解释相对背景值进行，异常区域会偏离背景区域值，根据偏离与分布多少解释隧道前方的地质情况。

（1） 一般来说，软件设定围岩相对背景值破碎、含水区域呈蓝色显示，相对背景值硬质岩石呈黄色显示。

（2） 从整体上对成像图进行解释，不能单独参照一个断面的图像。

（3） 根据异常区域图像相对于围岩背景，从背景波速分析异常的波速差异，进而判断围岩类别。

（4） 对围岩类别的判断须与地质情况相结合，综合分析。 3.1.2 激发极化法 （一）工作原理

激发极化探测方法是电法勘探的一个重要分支，以围岩和含水地质构造的电性参数差异为物理基础，根据施加电场作用下围岩传导电流的分布规律，推断探测区域电阻率的分布情况和地质情况。通过在掌子面布置一定数量的电极。按照一定的序列，自动供入直流电（A、B电极），测量电极（M、N电极）测量两个电极间的电势差，从而计算出视电阻率剖面，具体计算如式（2）所示。通过对视电阻率剖面进行反演计算，得到探测区域围岩电阻率剖面，对含水构造表现为低阻，对完整围岩表现为高阻，从而达到对探测区域地质情况探测的目的，探测距离约为30m。

(2)

其中：

K表示装置系数，仅与A、B、M、N四个电极之间的距离有关，表示视电阻率，

表示M和N两点之间的电势差，I为供电电流。

（二）测线布置

激发极化探测采用山东大学研发的GEI综合电法仪，通过1条多芯电缆连接供电电极与测量电极，并将供电电极与测量电极设置在掌子面上。另外通过1根多芯电缆连接电极B和N，测量时保证电极与围岩良好耦合。掌子面刀盘上布置9个电极，作为供电电极与测量电极。

3.2 超前预注浆止水

回顾前期TBM掘进施工历程，涌水对隧洞掘进施工的影响主要体现在以下几个方面：

（一）掌子面富水条件下，TBM掘进过程中，主机皮带机掉渣严重，直接影响换步及管片安装，人工清渣效率低、占用正常掘进时间，严重制约TBM掘进速度。

（二）掘进过程中遭遇突涌水时，TBM配置的大量电气设备被地下水直接冲淋或浸泡，导致设备器件损坏、设备使用寿命降低、故障率提高，影响正常掘进施工。

（三）隧洞坡度较缓，沿线积水水位较高，机车编组长期涉水运行故障率高，运行效率低下。

（四）长期大流量排水使施工成本显著增加。

施工后期，当预报掌子面前方富含地下水，可能发生涌水时，采取掌子面超前预注浆的方式提前将前方地下水封闭至开挖体以外，保障后续掘进。对于意外

揭露的涌水，根据实际出露状态，采取分流减压、先浅后深、封堵加固、集中引流封闭等处理措施，待明水封堵后再实施掌子面超前预注浆施工。

3.2.1 工艺流程(见图1)

图1超前预注浆施工工艺流程 3.2.2 施工方法

掌子面超前预注浆分为Ⅰ、Ⅱ序孔，设计孔深30～35m，孔径Φ=76mm。Ⅰ序孔在距离掌子面50cm侧壁部位进行钻孔注浆，孔位可根据现场情况稍作调整，钻孔作业时保持外插角呈7～10°夹角，浆液扩散半径控制在5m以内，每个孔沿掌子面圆周方向45°布孔，共计8个，具体孔数可根据实际出水情况进行调整。若Ⅰ序孔出水普遍较小，可直接在掌子面中心位置施做检查孔，对本次注浆效果进行检验，若检查孔无水，恢复掘进；若有水，则进行Ⅱ序孔施工，必要时针对Ⅰ序孔中出水比较集中的区域，加密布孔注浆。

Ⅰ、Ⅱ序孔孔位呈“梅花形”布置，Ⅱ序孔距掌子面中心1～1.5m，总计布孔4个，钻孔方向与隧洞中心轴线平行。具体布孔示意如图2所示。

图2掌子面超前预注浆布孔示意图

钻孔采用ZQS100B潜孔钻机一次成孔，钻进过程中若出水压力较大，且钻进效率低下时，暂停钻进，注浆后重新扫孔。为避免出现高压、大流量出水孔难以安装注浆塞的现象，可提前安装孔口管再施钻。超前预注浆采用纯压式灌浆法，浆体材料以水泥基材料为主，必要时可适当掺加水玻璃等速凝材料。

掌子面超前预注浆施工完成后，根据实际情况掘进至25～30m时停止掘进，为下次超前注浆预留止浆岩盘，停机后开展超前地质探测工作。

3.3 排水系统保障

隧洞掘进施工中，一般TBM逆坡掘进涌水风险可控，因为TBM配置的常规排水系统可将掌子面涌水抽排至后配套尾部，且隧洞排水可以沿洞底自流，不存在淹机的风险。本工程因隧洞设计坡度较小，隧洞自流排水速度缓慢，随着洞线的深入延伸，沿程的汇水量持续增大，导致洞底积水较深，严重影响机车编组运行效率。

在隧洞下游支线贯通前，主洞涌水一直通过TBM进洞支洞排水系统抽排至洞外，进洞支洞扬程约150m，沿线开挖旁洞均匀布置三个水仓建立三级泵站接力抽排，另外在主支交叉口及3#旁洞布置三趟直排管路，总排水能力可达到3万m3/d。

下游支线贯通，具备排水条件后，隧洞排水实现自流，解除了掘进施工中遭遇突涌水的安全风险，同时在主洞上游通风支洞交叉口布置水仓、建立排水泵站，

截流通风支洞上游涌水，减少自流排放，通过三趟直排管路抽排至下游主支交叉口，直排能力可达到2万m3/d，并在各错车平台增设倒水设施加速排水，有效降低了通风支洞下游主洞洞底水位，保障了机车编组高效运行。

4 防治效果

TBM二次始发至今，累计掘进1.7km，期间共实施超前地质探测20余次、掌子面超前预注浆11次，保障TBM安全稳定、连续掘进约1.2km。通过对掌子面超前预注浆施工工艺的不断优化，预注浆施工效率及施工质量均得到了明显提高，同时，不间断进行排水系统升级改造，并按照“总量监测、限量排放”的原则，严格控制自流排水量，有效降低了主洞洞底水位，保障了机车编组高效运行，降低了设备故障率。

通过工程后期的不断实践、探索，上述“探、堵、排”相结合的突涌水防治措施适宜本工程特殊复杂地质条件下的TBM隧洞掘进施工，并且取得了显著的成效。

5 结束语

详细、准确地掌握水文地质情况是TBM快速、安全施工的重要保证。由于TBM设备庞大、对不良地质条件的适应性差，在遭遇突涌水等特殊不良地质条件时，采取的应对措施远不如钻爆法灵活。施工期一旦发生突涌水灾害，将直接影响工期、造成投资增加，严重时还会威胁人身财产安全。在前期的地质勘察中，应详尽查明施工可能遇到的地质灾害类型及其分布范围、发生的可能性和对TBM施工的影响程度，为TBM施工的可行性研究、TBM设备选型及施工预案提供基础地质资料。

本文以山西中部引黄工程TBM3双护盾TBM项目施工为例，在特殊背景条件下，施工期充分利用超前地质探测及各类数据资料分析，准确预判前方水文地质情况，并提前采取应对措施，减少或避免了突涌水灾害的发生，可为类似隧洞工程突涌水灾害的防治提供经验借鉴。

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作者简介：张鹏，男，工程师，中国水利水电第四工程局有限公司，主要从事水利水电施工工作。

任朝阳，男，工程师，中国水利水电第四工程局有限公司，主要从事水利水电施工工作。