大伙房水库输水隧洞TBM法施工风险识别及对策探析

陈俊

（辽宁省抚顺水文局，辽宁抚顺113015）

大伙房水库输水隧洞TBM法施工风险识别及对策探析

陈俊

（辽宁省抚顺水文局，辽宁抚顺113015）

针对TBM法在大伙房水库输水隧洞施工实践中存在的风险，构建基于熵权的TBM法施工进度风险评估指标体系，评估影响TBM法施工进度的关键风险项。结果表明，高压涌水、岩爆以及卡机是影响大伙房水库输水隧洞TBM法施工进度的关键风险项。同时，针对关键风险项提出TBM法施工在遭遇高压涌水层、岩爆以及卡机风险时应采取的对策。研究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。

大伙房水库输水隧洞；TBM法施工；风险识别与对策

大伙房水库输水隧洞作为缓解辽宁省中部以及南部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。大伙房水库输水一期隧洞工程为长85.32km，洞径为8.03m，该隧洞将凤鸣与西江水电站尾水输送至大伙房水库，设计饮水流量70m3/s，担负着向辽宁省南部以及中部地区7城镇输运生活与生产用水的重任。输水二期工程隧洞段全长29.1km，洞径6m，设计流量60m3/s，担负着由大伙房水库往目标城市输水的任务。与常规隧洞工程对比，大伙房水库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，有必要识别该工程TBM法施工中存在风险项，探索关键风险的应对措施，从而提升TBM法施工的的效率与安全性。

1工程水文地质概况

大伙房水库输水工程包括取水工程与输水工程2部分，该工程尤以输水工程中隧洞工程施工条件最为复杂。根据工程地勘报告，水工输水隧洞工程须穿越一系列煤层、矿区以及自然保护区，区域水文地质条件复杂，地下岩层广泛分布有松散岩、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。隧洞干线工程沿线属奥陶系中统地层，岩溶发育普遍且可见出露的碳酸岩层以及溶洞、溶孔。隧洞穿越区域基岩呈弱风化，岩体少有膨胀且未见大规模的岩体崩塌及滑坡现象，受地应力的影响，干线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TBM法全断面掘进施工，需穿越数十条岩石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。

2TBM法施工风险识别与评估

2.1施工进度风险评估指标体系构建

大伙房水库输水隧洞TBM法施工作业环境复杂，因此有必要将多种风险纳入施工进度计划的制定过程，识别影响施工进度的关键风险要素，从而便于采取有效的控制与防范措施［3］。将直接影响该工程施工进度的风险项划分为施工及安装风险、水文地质风险、机械故障风险以及施工管理风险4类，施工进度风险评估指标体系见表1。

2.2基于熵权的施工进度风险评估

针对大伙房水库隧洞工程TBM法施工进度的风险评估，可采取专家法定量评估各评估指标的风险大小，其中，风险评估集可表示为｛1，2，3，…，9｝，风险越大则评估值越大［4］。因此，多专家针对第i个风险项的评估值可由式（1）计算：式中：Ei—评估值；rin—第i个风险项评估值为n的专家人数，其中，n=1，2，…9。

表1施工进度风险评估指标体系

为克服专家法主观评估不一致的问题，可采取熵权来对各施工进度风险项赋权重。某一风险项的熵权值越大，表示专家对该风险项的评估差异越小，把握越大。因此，第i个风险项的熵权值可由式（2）计算：

，表示第i个风险项值为n的概率；k=1/1n9；经修正后的第i个风险项的熵权值可由式（3）计算：结合大伙房水库TBM法施工实际，由10位专家实施评估，风险项评估见表2。

表2施工进度风险项评估

由式（1）～（3）计算可得各风险项的熵权值与综合评估值，见表3。

由表2～3可知，依照60%作为标准进行归类，则可将隧洞高压涌水、岩爆、卡机视作影响大伙房水库输水隧洞TBM法施工进度的关键风险项。因此，应采取超前钻探的方式，强化对断层、溶洞等不良地质条件的监控力度，同时通过超前帷幕灌浆、固结灌浆、疏干断层与裂隙水等措施来尽量规避关键风险项。

表3施工进度风险项权重分析

3TBM法施工关键风险对策

3.1TBM法施工穿越高压涌水层的处置措施

大伙房水库输水隧洞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TBM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。

（1）TBM掘进前的预加固处理。主要包括如下要点：①采取TBM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，从而在掘进轮廓外构成止水环以防止涌水［5］。②实施超前注浆应选取凝胶时间介于1～5min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。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TBM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。

（2）TBM掘进中的参数控制与聚合物掺加。在TBM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）TBM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TBM掘进通过洞段注入聚氨酯以及二次补注以密实岩体与管片间的缝隙，从而构成TBM掘进施工隧洞的第一层防水屏障［6］。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。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TBM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，针对大伙房水库输水隧洞岩爆风险可采取如下防治措施。

（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TBM掘进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。

（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）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［7］。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。

3.3卡机风险脱困措施

TBM法掘进施工中因卡刀盘、卡护盾以及姿态偏差导致的卡机风险严重影响施工进度，针对大伙房水库所采用的双护盾式TBM掘进机的工作特征，提出如下卡机脱困措施。

（1）预灌浆法。可在TBM隧洞掘进全断面轮廓线内500mm处范围内钻取直径为50mm，施工深度4～5m的浅孔，同时沿刀盘在掌子面全断面范围里钻取施工深度为15m的深孔。之后，通过灌浆泵将硅酸盐改性聚氨酯类（Si1icateModifiedPUR）或聚氨酯类（PUR）化学灌浆材料注入岩体钻孔中，将破碎或松散的围岩粘结为一体，从而在提升围岩完整度的同时更有利于TBM掘进通过。

（2）侧导坑法。依据TBM护盾受卡区域范围，可通过在盾壳两侧或一侧钻取孔径为50～80cm侧导坑，采取人工进入的方式开挖护盾外层岩体并作支护，从而降低盾壳外围岩体施加在盾壳上的应力［8］。导坑开挖过程中应注意盾壳的受力结构，同时选取合理的支护形式以及支护参数，以确保施工人员与设备的安全。

（3）设备改造法。针对由围岩变形快以及出渣效果差所造成的卡机事故，可由如下方面实施设备改造：①在设备设计阶段增加刀盘尺寸或扩大边刀行程，从而在维持盾壳不变的前提下增加盾壳与围岩间的空间并扩大掘进轮廓面，实现TBM掘进机在围岩塑性形变触及盾壳之前迅速通过掘进面。②为满足在软弱围岩中掘进出渣的要求，可通过扩大刀盘开口率与刮渣口，以实现在掌子面发生塌方时及时将掌子面与刀盘间的渣料顺利运出。

4结语

通过构建基于熵权的施工进度风险评估指标体系，识别出了影响大伙房水库输水隧洞TBM法施工进度的关键风险项。对TBM法施工关键风险项的识别，有利于针对易发生风险洞段实施超前监控、钻探、预加固、灌浆、支护及设备改进等风险防范举措，同时也为TBM法施工方案的优化提供了实践依据。

［1］孙洪凯，祁海燕，潘旭，等.TBM在隧洞不良地质条件下的施工技术［J］.水利规划与设计，2015（06）：78-79+82+96.

［2］张军伟，梅志荣，高菊茹，等.大伙房输水工程特长隧洞TBM选型及施工关键技术研究［J］.现代隧道技术，2010，47（05）：1-10.

［3］蔡文华，刘长喜.引洮总干渠9#隧洞TBM设备施工应用及技术探讨［J］.水利规划与设计，2012（02）：61-64.

［4］王跃峰，王立选，邵月顺.深埋特长隧洞TBM施工初探［J］.水利技术监督，2005（04）：42-45.

［5］温森，徐卫亚.深埋隧洞TBM卡机事故风险分析［J］.长江科学院院报，2008，25（05）：135-138.

［6］王首绪，杨静，郑秀珍.基于熵权的公路BOT项目建设风险的模糊综合评价［J］.交通科学与工程，2010，26（03）：89-94.

［7］葛寨辉.富水粉细砂层拆除被困TBM刀盘注浆加固技术［J］.隧道建设，2012，32（S2）：105-110.

［8］王江.引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术［J］.隧道建设，2011，31（03）：364-368.

TV672+.1

B

1008-1305（2016）03-0105-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.040

2016-04-02

陈俊（1981年—），男，工程师。