全断面掘进施工隧洞围岩失稳风险识别与对策研究

2016-04-06肖大鹏

水利规划与设计 2016年2期

关键词：风险识别对策

肖大鹏

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

全断面掘进施工隧洞围岩失稳风险识别与对策研究

肖大鹏

（辽宁省水利水电科学研究院，辽宁沈阳110003）

摘要：针对全断面掘进施工在隧洞工程实践中存在的风险，构建隧洞施工围岩失稳风险故障树模型，并采用层次分析法评估围岩失稳风险项。结果表明，高压涌水与岩爆是影响全断面掘进施工围岩失稳的关键风险项。同时，针对关键风险项提出全断面掘进施工在遭遇高压涌水层以及岩爆风险时应采取的对策。研究成果可为同类型水工隧洞工程的施工风险识别与防治提供决策依据。

关键词：全断面掘进施工；隧洞围岩失稳；风险识别；对策

跨区域输水隧洞工程作为缓解区域水资源短缺压力，促进区域城镇化与工业化进程的工程手段，已成为保障区域经济、社会可持续健康发展的重要举措。与常规隧洞工程对比，跨区域输水隧洞具有埋深大、距离长、施工地质环境复杂等特点［1］。因此，有必要识别该类工程全断面掘进施工中围岩失稳风险项，探索关键风险的应对措施，从而提升全断面掘进施工的的效率与安全性。国内学者针对全断面掘进施工应用技术开展了一系列研究，高勤生等探讨了新型化学灌浆技术在全断面掘进施工围岩加固施工中的应用原则；徐卫亚等分析了深埋隧洞TBM盾壳卡机的风险概率；张军伟等提出了大伙房水库输水隧洞TBM选型应遵循的原则与关键技术；田永清探讨了万家寨引黄工程地质条件对隧洞TBM法施工的影响。这些研究成果对改进全断面掘进施工工艺具有重要的指导作用，然而针对全断面掘进施工围岩失稳风险项的识别及关键风险对策的研究尚需深入。

1　全断面掘进施工面临的风险因素

跨区域输水隧洞工程一般包括取水工程与输水工程两部分，该类工程尤以输水工程中隧洞工程施工条件最为复杂。此类水工输水隧洞工程常须穿越一系列煤层、矿区以及自然保护区，区域水文地质条件复杂，地下岩层常遭遇松散岩、碎屑岩以及碳酸盐类裂隙水，含水层赋水结构多样化，且多具有一定承压性。隧洞穿越区域基岩常呈弱风化，岩体少有膨胀性且未见大规模的岩体崩塌及滑坡现象，受地应力的影响，隧洞沿线部分软质岩具备发生塑性形变以及流变的可能［2］。输水隧洞采取全断面掘进施工，常须穿越数十条断裂带以及多个地质单元与向斜构造，隧洞掘进时遭受透水、渗流以及围岩塌落等风险因素的威胁。

2　隧洞工程围岩失稳风险识别与评估

2.1 隧洞围岩失稳风险故障树构建

全断面掘进施工隧洞工程涉及大埋深、长距离且施工环境复杂施工段的全断面掘进施工，围岩失稳风险对施工效率与安全至关重要［3］。因此，有必要针对该类工程隧洞围岩失稳问题识别并评估其风险项，探索围岩失稳破坏的成因机理。

故障树（FTA）作为风险识别与综合度量的有效工具，通过图形演绎分析的方式来描述风险事件发生的逻辑顺序，可定量地由隧洞围岩失稳出发计算识别系统性事故的成因［4］。结合全断面掘进施工围岩失稳风险项，构建深埋隧洞围岩失稳故障树，如图1所示。

2.2 基于层次分析法的围岩失稳风险识别与评估

针对隧洞围岩失稳故障树系统的风险识别可采用层次分析法，通过构建层次清晰的评估指标体系，采取专家法赋值各层次风险项的权重，并将各风险项置于9标度值表格中从而构建判断矩阵，如表1所示。通过求解矩阵特征根与特征向量，进而获取具备一致性的判断矩阵，其所对应的特征向量即为各风险项的权重，从而识别出影响围岩失稳的关键风险因子［5］。

图1　深埋隧洞围岩失稳故障树系统

表1　围岩失稳风险项权重数量化

全断面掘进施工隧洞工程部分施工段隧洞围岩结构不均一，且断裂带及节理裂隙发育，处于大埋深的隧洞围岩地处高地应力、强流变以及高渗透压等不利地质环境中，易引发涌泥突水、岩爆、围岩变形等地质灾害。因此，选取岩爆、高压涌水、洞口滑坡、遇破碎带、高地温、软岩变形作为围岩失稳的风险项进行分析，采取层次分析法计算各风险项的权重值如表2所示。

表2　围岩失稳风险项权重值

由表2可知，围岩失稳各风险项的权重排序为：岩爆（0.267）＞高压涌水（0.243）＞软岩变形（0.131）＞高地温（0.142）＞遇破碎带（0.089）＞洞口滑坡（0.063）＞遇溶洞（0.065）。因此，以0.2作为归类标准，围岩失稳的关键风险项为岩爆与高压涌水，关键风险项的识别可为深埋隧洞全断面掘进施工方案的优化提供科学依据。

3　隧洞施工围岩失稳关键风险项对策

3.1 高压涌水层的处置措施

全断面掘进施工隧洞工程在穿越具有承压性的地下高压涌水层时，会引发大量涌水灌入土仓，造成土仓水压力的急剧升高，从而致使泥浆直接由螺旋输运机上口涌出，在淹没全断面掘进机底部管片吊装机械的同时，甚至引发大面积软土地层的沉降，严重威胁施工人员安全。鉴于此，可采用如下措施指导穿越高压涌水层的掘进施工。

3.1.1 全断面掘进前的预加固处理

其要点主要包括：①采取全断面掘进施工时，一般会在中盾处预留若干根超前预注浆孔，可通过这些预注浆孔钻孔形成长度达15～20m的超前注浆孔，并采用注浆机注入1∶1比例的水玻璃-水泥浆液或聚氨酯实施超前加固注浆处理［6］，从而在掘进轮廓外构成止水环以防止涌水。②实施超前注浆应选取凝胶时间介于1min～5min的双液浆，凝胶时间过短会造成管路堵塞，凝胶时间过长则达不到预期止水效果［7］。③注浆完成之后应进行地层加固稳定性与用水量的检验，注浆效果要求全断面掘进机械掌子面稳定且总涌水量小于0.5m3/min，否则应再次实施注浆封堵。

3.1.2 全断面掘进中的参数控制与聚合物掺加

在全断面掘进中宜从如下方面实施掘进参数控制并掺入聚合物：①可通过调整出渣量、加快掘进速度、注入高压气体等形式使得土仓土压力大于地层土压力与静水压力之和，从而降低涌入土仓的地下水量。②在调整掘进参数的同时，应通过掺加高分子聚合物来改善切削土体的渗透性与流塑性，以防止大孔隙率粗砂水土分离，降低土体渗透性，从而实现封堵地下涌水的目的。

3.1.3 全断面掘进后的注浆处理

为有效阻隔地下高压涌水灌入成型管片以及岩层间的孔隙，确保隧洞防水效果，应在全断面掘进通过洞段通过注入聚氨酯以及二次补注的方式密实岩体与管片间的缝隙，从而构成全断面掘进施工隧洞的第一层防水屏障。具体工序包括：①将管片置于涌水、渗漏的部位作为中心点，在该中心点前后每隔3环实施一次聚氨酯注浆，形

成地下水封堵带［8］。②注浆之后应对封堵带间的管片实施二次补强注浆，注入双液浆以密实孔隙，从而构筑包裹管片的完整止水屏障。

3.2 岩爆风险防治措施

岩爆作为全断面施工掘进中的地质灾害，严重威胁施工进度与人员生命安全，因此，针对该类工程隧洞岩爆风险可采取如下防治措施。

3.2.1 围岩加固

可通过喷锚支护的形式，在掘进施工中实施钢筋网与锚杆加固。针对塌腔较大、围岩软弱以至影响全断面掘进机械撑靴通过的围岩洞段，可采取喷射混凝土及架设钢拱架的方式加固围岩。

3.2.2 释放应力

针对岩爆易发生围岩洞段，可采取超前锚杆支护钻机钻取应力释放孔，通过注入高压水来释放部分围岩应力，从而防止岩爆的发生。

3.2.3 改进支护形式

可采用永久支护与临时支护结合的方式实现支护的迅速锚固，同时可将普通锚杆更换为水胀锚杆或胀壳式机械预应力锚杆，配合架设柔性尼龙防护网，从而强化支护结构并可有效防止岩爆落石［9］。另外，可采用掺加速凝剂或5%～10%超细沸石粉的混凝土，在提升混凝土强度、降低终凝时间的同时实现快速加固与封闭围岩的目的。