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大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工風險識別及對策探析

文檔作者：陳俊文檔來源：遼寧省撫順水文局		點擊數(shù)：	更新時間： 2020年12月17日
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工程實踐 水利技術監(jiān)督 2016年第3期
OOI：10．3969／j．issn．1008—1305．2016．03．040
大伙房水庫輸水隧洞TBM 法施工
風險識別及對策探析
陳 俊
(遼寧省撫順水文局，遼寧撫順113015)
摘要：針對TBM 法在大伙房水庫輸水隧洞施工實踐中存在的風險，構建基于熵權的TBM 法施工進度風險評估指
標體系，評估影響TBM 法施工進度的關鍵風險項。結果表明， 高壓涌水、巖爆以及卡機是影響大伙房水庫輸水
隧洞TBM法施工進度的關鍵風險項。同時，針對關鍵風險項提出TBM法施工在遭遇高壓涌水層、巖爆以及卡機
風險時應采取的對策。研究可為同類型水工隧洞工程的施工風險識別與防治提供決策依據(jù)。
關鍵詞： 大伙房水庫輸水隧洞；TBM 法施工；風險識別與對策
中圖分類號：TV672 ．1 文獻標識碼：B 文章編號：1008—1305(2016)03—0105—03
大伙房水庫輸水隧洞作為緩解遼寧省中部以及
南部區(qū)域水資源短缺壓力，促進區(qū)域城鎮(zhèn)化與工業(yè)
化進程的工程手段，已成為保障區(qū)域經(jīng)濟、社會可
持續(xù)健康發(fā)展的重要舉措。大伙房水庫輸水一期隧
洞工程為長85．32km，洞徑為8．03m，該隧洞將鳳
鳴與西江水電站尾水輸送至大伙房水庫，設計飲水
流量70m ／s，擔負著向遼寧省南部以及中部地區(qū)7
城鎮(zhèn)輸運生活與生產(chǎn)用水的重任。輸水二期工程隧
洞段全長29．1km，洞徑6m，設計流量60m ／s，擔
負著由大伙房水庫往目標城市輸水的任務。與常規(guī)
隧洞工程對比，大伙房水庫輸水隧洞具有埋深大、
距離長、施工地質環(huán)境復雜等特點¨ 。因此，有必
要識別該工程TBM法施工中存在風險項，探索關
鍵風險的應對措施，從而提升TBM法施工的的效
率與安全性。
1 工程水文地質概況
大伙房水庫輸水工程包括取水工程與輸水工程
2部分，該工程尤以輸水工程中隧洞工程施工條件
最為復雜。根據(jù)工程地勘報告，水工輸水隧洞工程
須穿越一系列煤層、礦區(qū)以及自然保護區(qū)，區(qū)域水
文地質條件復雜，地下巖層廣泛分布有松散巖、碎
屑巖以及碳酸鹽類裂隙水，含水層賦水結構多樣
化，且多具有一定承壓性。隧洞干線工程沿線屬奧
陶系中統(tǒng)地層，巖溶發(fā)育普遍且可見出露的碳酸巖
層以及溶洞、溶孔。隧洞穿越區(qū)域基巖呈弱風化，
巖體少有膨脹且未見大規(guī)模的巖體崩塌及滑坡現(xiàn)
象，受地應力的影響，干線沿線部分軟質巖具備
發(fā)生塑性形變以及流變的可能 。輸水隧洞采
取TBM 法全斷面掘進施工，需穿越數(shù)十條巖石
斷裂帶以及多個地質單元與向斜構造，隧洞掘
進時遭受透水、滲流以及圍巖塌落等風險因素
的威脅。
2 TBM 法施工風險識別與評估
2．1 施工進度風險評估指標體系構建
大伙房水庫輸水隧洞TBM法施工作業(yè)環(huán)境復
雜，因此有必要將多種風險納入施工進度計劃的制
定過程，識別影響施工進度的關鍵風險要素，從而
便于采取有效的控制與防范措施 。將直接影響該
工程施工進度的風險項劃分為施工及安裝風險、水
文地質風險、機械故障風險以及施工管理風險4
類，施工進度風險評估指標體系見表1。
2．2 基于熵權的施工進度風險評估
針對大伙房水庫隧洞工程TBM法施工進度的風
險評估，可采取專家法定量評估各評估指標的風險
大小，其中，風險評估集可表示為{1，2，3，? ，
9}，風險越大則評估值越大 。因此，多專家針對
第i個風險項的評估值可由式(1)計算：
收稿日期：2o16—04．02
作者簡介：陳俊(1981年一)，男，工程師。
· 105 ·
2016年第3期 水利技術監(jiān)督 工程實踐
表1 施工進度風險評估指標體系
TBM施工進度風險
風險類別 施工及安裝風險 水文地質風險 機械故障風險 施 ：管理風險
①掘進軸線偏差 ①隧洞高壓涌水 ① 主軸承斷裂 ① 臺班安排不合理
②管片組裝后受損 ②巖爆 ②卡機 ②工序銜接不到位
風險項 ③管片止水失效 ③地層空洞或溶洞 ③ 支撐系統(tǒng)失穩(wěn) ⑧火災
④注漿壓力不足 ④管片結構失事 ④ 運輸機械碰撞、脫軌 ④操作不熟練
⑤ 注漿孔堵塞 ⑤有害氣體泄露 ⑤水、電、風系統(tǒng)故障
E =Σ(n‘r ) (1)
式中：E 一評估值；Fin一第i個風險項評估值為17,
的專家人數(shù)，其中，n：1，2，?9。
為克服專家法主觀評估不一致的問題，可采取
熵權來對各施工進度風險項賦權重。某一風險項的
熵權值越大，表示專家對該風險項的評估差異越
小，把握越大。因此，第i個風險項的熵權值可由
式(2)計算：
9
S =一kΣOi．LnO (2)
9
式中：0 =r ／ΣFin，表示第i個風險項值為n的
概率；k=1／ln9；經(jīng)修正后的第i個風險項的熵權
值可由式(3)計算：
9
=E 。(1一Si)／(n一ΣSi) (3)
結合大伙房水庫TBM法施工實際，由10位專家實
施評估，風險項評估見表2。
表2 施工進度風險項評估
專家個數(shù) 評估值
評估等級
1 2 3 4 5 6 7 8 9 (E )
高壓涌水 0 0 0 0 1 l 4 3 l 76
卡機 0 0 0 0 O 0 2 4 4 81
管片結構失事 4 3 3 0 O 0 0 O 0 23
巖爆 0 0 0 0 1 2 3 4 O 69
有害氣體泄露 7 2 1 0 0 0 0 0 0 l4
由式(1)～(3)計算可得各風險項的熵權值與
綜合評估值，見表3。
由表2～3可知，依照60％作為標準進行歸類，
則可將隧洞高壓涌水、巖爆、卡機視作影響大伙房
水庫輸水隧洞TBM法施工進度的關鍵風險項。因
此，應采取超前鉆探的方式，強化對斷層、溶洞等
不良地質條件的監(jiān)控力度，同時通過超前帷幕灌
漿、固結灌漿、疏干斷層與裂隙水等措施來盡量規(guī)
· 1 06 ·
避關鍵風險項。
表3 施3-進度風險項權重分析
風險項 『綜 值{ l綜專
高壓涌水 l 76 l o．149 I 11．174
二 3~~c ／L 二 管片結構失事l 81二匡0．2 !2 16．9 07
23 l 0．186 l 3．82
巖爆 l 69 l 0．166 l 6．75l
有害氣體泄露l l4 l 0．293 l 3．6o
3 TBM 法施工關鍵風險對策
3．1 TBM 法施工穿越高壓涌水層的處置措施
大伙房水庫輸水隧洞在穿越具有承壓性的地下
高壓涌水層時，會引發(fā)大量涌水灌入土倉，造成土
倉水壓力的急劇升高，從而致使泥漿直接由螺旋輸
運機上口涌出，在淹沒TBM掘進機底部管片吊裝
機械的同時，甚至引發(fā)大面積軟土地層的沉降，嚴
重威脅施工人員安全。鑒于此，可采用如下措施指
導穿越高壓涌水層的掘進施工。
(1)TBM掘進前的預加固處理。主要包括如下
要點：① 采取TBM 掘進施工時，一般會在中盾處
預留若干根超前預注漿孔，可通過這些預注漿孔鉆
孔形成長度達15～20m的超前注漿孔，并采用注
漿機注入1：1比例的水玻璃．水泥漿液或聚氨酯實
施超前加固注漿處理，從而在掘進輪廓外構成止水
環(huán)以防止涌水 。② 實施超前注漿應選取凝膠時間
介于1—5min的雙液漿，凝膠時間過短會造成管路
堵塞，凝膠時間過長則達不到預期止水效果。③ 注
漿完成之后應進行地層加固穩(wěn)定性與用水量的檢
驗，注漿效果要求TBM 掌子面穩(wěn)定且總涌水量小
于0．5m ／min，否則應再次實施注漿封堵。
(2)TBM掘進中的參數(shù)控制與聚合物摻加。在
TBM掘進中宜從如下方面實施掘進參數(shù)控制并摻
人聚合物：① 可通過調整出渣量、加快掘進速度、
注入高壓氣體等形式使得土倉土壓力大于地層土壓
工程實踐 水利技術監(jiān)督 2016年第3期
力與靜水壓力之和，從而降低涌人土倉的地下水
量。② 在調整掘進參數(shù)的同時，應通過摻加高分子
聚合物來改善切削土體的滲透性與流塑性，以防止
大孔隙率粗砂水土分離，降低土體滲透性，從而實
現(xiàn)封堵地下涌水的目的。
(3)TBM掘進后的注漿處理。為有效阻隔地下
高壓涌水灌人成型管片以及巖層間的孔隙，確保隧
洞防水效果，應在TBM 掘進通過洞段注人聚氨酯
以及二次補注以密實巖體與管片問的縫隙，從而構
成TBM 掘進施工隧洞的第一層防水屏障 。具體
工序包括：① 將管片置于涌水、滲漏的部位作為中
心點，在該中心點前后每隔3環(huán)實施一次聚氨酯注
漿，形成地下水封堵帶。②注漿之后應對封堵帶間
的管片實施二次補強注漿，注入雙液漿以密實孔
隙，從而構筑包裹管片的完整止水屏障。
3．2 巖爆風險防治措施
巖爆作為TBM 施工掘進中的地質災害，嚴重
威脅施工進度與人員生命安全，因此，針對大伙房
水庫輸水隧洞巖爆風險可采取如下防治措施。
(1)圍巖加固?？赏ㄟ^噴錨支護的形式，在掘
進施工中實施鋼筋網(wǎng)與錨桿加固。針對塌腔較大、
圍巖軟弱以至影響TBM掘進撐靴通過的圍巖洞段，
可采取噴射混凝土及架設鋼拱架的方式加固圍巖。
(2)釋放應力。針對巖爆易發(fā)生圍巖洞段，可
采取超前錨桿支護鉆機鉆取應力釋放孔，通過注入
高壓水來釋放部分圍巖應力，從而防止巖爆的發(fā)生。
(3)改進支護形式。可采用永久支護與臨時支護
結合的方式實現(xiàn)支護的迅速錨固，同時可將普通錨桿
更換為水脹錨桿或脹殼式機械預應力錨桿，配合架設
柔性尼龍防護網(wǎng)，從而強化支護結構并可有效防止巖
爆落石 。另外，可采用摻加速凝劑或5％ ～10％超
細沸石粉的混凝土，在提升混凝土強度、降低終凝時
間的同時實現(xiàn)快速加固與封閉圍巖的目的。
3．3 卡機風險脫困措施
TBM法掘進施工中因卡刀盤、卡護盾以及姿
態(tài)偏差導致的卡機風險嚴重影響施工進度，針對大
伙房水庫所采用的雙護盾式TBM掘進機的工作特
征，提出如下卡機脫困措施。
(1)預灌漿法。可在TBM 隧洞掘進全斷面輪
廓線內(nèi)500ram處范圍內(nèi)鉆取直徑為50ram，施工深
度4—5m 的淺孔，同時沿刀盤在掌子面全斷面范
圍里鉆取施工深度為15m 的深孔。之后，通過灌
漿泵將硅酸鹽改性聚氨酯類(Silicate Modified PUR)
或聚氨酯類(PUR)化學灌漿材料注入巖體鉆孔中，
將破碎或松散的圍巖粘結為一體，從而在提升圍巖
完整度的同時更有利于TBM掘進通過。
(2)側導坑法。依據(jù)TBM護盾受卡區(qū)域范圍，
可通過在盾殼兩側或一側鉆取孔徑為50～80cm側
導坑，采取人工進入的方式開挖護盾外層巖體并作
支護，從而降低盾殼外圍巖體施加在盾殼上的應
力 。導坑開挖過程中應注意盾殼的受力結構，同
時選取合理的支護形式以及支護參數(shù)，以確保施工
人員與設備的安全。
(3)設備改造法。針對由圍巖變形快以及出渣
效果差所造成的卡機事故，可由如下方面實施設備
改造：① 在設備設計階段增加刀盤尺寸或擴大邊刀
行程，從而在維持盾殼不變的前提下增加盾殼與圍
巖間的空間并擴大掘進輪廓面，實現(xiàn)TBM 掘進機
在圍巖塑性形變觸及盾殼之前迅速通過掘進面。②
為滿足在軟弱圍巖中掘進出渣的要求，可通過擴大
刀盤開口率與刮渣口，以實現(xiàn)在掌子面發(fā)生塌方時
及時將掌子面與刀盤間的渣料順利運出。
4 結語
通過構建基于熵權的施工進度風險評估指標體
系，識別出了影響大伙房水庫輸水隧洞TBM 法施
工進度的關鍵風險項。對TBM法施工關鍵風險項
的識別，有利于針對易發(fā)生風險洞段實施超前監(jiān)
控、鉆探、預加固、灌漿、支護及設備改進等風險
防范舉措，同時也為TBM法施工方案的優(yōu)化提供
了實踐依據(jù)。
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