某输水洞TBM掘进过程中地质问题及处理方案.docx

1、某输水洞TBM掘进过程中地质问题及处理方案输水洞TBM掘进过程中地质问题及处理方案输水洞TBM掘进过程中地质问题及处理方案1 工程概况某水利枢纽工程地处西藏自治区拉萨河流域中游，坝址位于某县乡下游1.5km，距下游拉萨市直线距离63km。开发任务以灌溉、发电为主，兼顾防洪和供水。水库正常蓄水位4095m、汛期限制水位4093.5m、死水位4066 m、电站装机容量160MW、灌溉面积65.28104亩。水库总库容12.3108m3，工程规模为等大（1）型工程。地震基本烈度为度。枢纽主要由碾压式沥青混凝土心墙砂砾石坝、泄洪洞、泄洪兼导流洞、发电引水系统、发电厂房和灌溉输水洞等组成。灌溉输水洞总长

2、16827m，洞轴线方向：进口及洞身为S21W，至出口转为S79W。进口底板高程4061.60m，出口底板高程 4044.84m。钻爆法施工洞段为圆拱直墙洞室，开挖尺寸4.0m4.0m，TBM施工洞段为圆形洞室，开挖洞径4.0m。灌溉输水洞为无压隧洞，建筑物级别为3级，设计引用流量10.0 m3/s，洞内最大流速2.02m/s，进口布置于拉萨河支流扒曲的右岸、坝址上游约200m，靠近泄洪洞进口附近。出口布置于澎波曲的支流白曲的左岸，无名沟右侧约605m山坡坡脚处，洞身近乎直线布置，轴线方位SW201220，于出口段折向SW259555。灌溉输水洞全长16.827km，可分为引水渠、进水口、输水

3、隧洞、出口段等部分。引水渠长79m，为梯形渠槽；进水口为竖井式，底板高程4061.6m；输水隧洞洞身段纵坡1；出口底板高程4044.87m，出口段全长155m，由出口陡坡及其前后两段出口明渠组成，后接入白曲。我部承担的第标段：采用钻爆法和TBM法联合施工的输水洞中间洞段工程(桩号1+500m桩号13+830m)及采用钻爆法施工的#1、#2施工支洞工程；支洞和主洞施工特性分别见表1-1、1-2。表1-1 施工支洞特性表支洞编号进口坐标支洞综合坡度支洞进口底高程（m）支洞末端底高程（m）支洞长度（m）X（m）Y（m）#13338917.5630629224.321/5.704250.004058.

4、231145.12#23328107.8630624030.181/8.314145.004047.99847.35表1-2 主洞施工特性表支洞编号支洞与主洞交点坐标主支洞交点处高程主支洞交点处桩号（m）主洞起点设计底高程（m）主洞终点设计底高程（m）X（m）Y（m）#13338301.0030628279.224058.233+094.004061.604044.84#23328769.4830624550.244047.9913+329.00本工程TBM施工洞段桩号为0+31640+13129，工期共53个月，从2011年6月1日开始施工，2015年10月31日竣工。本工程突出的特点是：目

5、前世界最高海拔上使用TBM，施工环境恶劣，地质条件复杂、可能遇到的地质问题多，安全风险较大。采用TBM法进行施工，面临高寒缺氧、高地应力、高地震烈度、高安全风险、施工环境恶劣等难题，如何解决地质问题这些难题，是工程施工顺利进展的关键所在。为防范各类风险，加强施工技术措施，特制定本专项方案。2人员及组织机构针对技术问题，拟成立某输水隧洞地质问题及其处理方案专项技术组，拟设置组长1名，副组长1名，下设2个小组，即地质预报组和地质问题施工处理组。组长由总公司总工程师 担任；副组长由项目部部主任 担任； 地质预报组成员： 。 问题处理组人员： 。地质预报小组主要负责地质资料的收集、整理和分析，对施工地

6、质重点地段提出初步的处理意见。地质问题处理小组主要针对施工中出现的较大或者重大地质问题提出针对性的处理方案，并组织现场处理地质问题。3存在地质问题及解决方案3.1工程地质（1）桩号0+3164m0+3200m埋深580m600m，为与#1支洞交叉部位，围岩为新鲜二长花岗岩(E2-E2J)，节理发育，岩体完整性差，地下水高出洞顶500m540m,局部小断层较发育，围岩不稳定，为类围岩，开挖中易失稳，需注意支护。（2）桩号0+3200m0+11720m埋深530m1300m，围岩为新鲜二长花岗岩(E2-E2J)，节理不甚发育，岩体较完整，地下水高出洞顶350m1200m，总体属类围岩，类围岩约占2

7、0%30%，围岩基本稳定。局部小断层较发育，完整性较差，围岩稳定性差，开挖中易掉块，为类围岩，需注意支护。该段洞身埋深大，岩性单一，岩质坚硬，桩号0+3232m0+11720m埋深超过发生岩爆的临界埋深615m，开挖时发生中等岩爆的可能性较大，需注意防护。桩号0+5000m0+10000m埋深较大，据推断，地温较高，需采取对应措施。（3）桩号0+11720m0+12060m 埋深450m500m，穿越断层F1，该断层控制托龙岩浆岩(E2T)的侵入，节理发育，岩体破碎。断层走向N60W，倾NE，6585，破裂带宽百余米，以脆性破裂为主，断裂组成物主要为角砾岩、碎裂岩及碎粉岩，局部地段为断裂泥，为

8、逆冲断层。断层及破碎带可能成为地下水储水构造与补排运移通道，地下水高出洞顶270m350m。开挖穿越本段时，发生承压或半承压地下水突水、渗水的可能性较大。下盘为石炭系诺错组的板岩、细砂岩、页岩，层理发育。本段围岩极不稳定，属类围岩，开挖时易失稳，须及时支护。（4）桩号0+12060m0+12620m 埋深370m460m，围岩为石炭系诺错组(C1-2n2)的板岩、中厚层状细砂岩夹页岩，层理发育，岩层产状N60W, 倾NE ,40，岩层走向与洞轴线大角度斜交，总体有利于洞室稳定，应注意中薄层状泥灰岩夹页岩对拱顶稳定的不利影响。地下水高出洞顶220m270m，围岩局部稳定性差，属类围岩，开挖中易塌

9、方，需注意支护。（5）桩号0+12620m0+12870m 埋深300m370m，围岩为石炭系诺错组(C1-2n3)的炭质页岩夹薄煤层，岩质软弱，层理发育，岩层产状N60W, 倾NE ,40，岩层走向与洞轴线大角度斜交，总体有利于洞室稳定，应注意中薄层状泥灰岩夹页岩对拱顶稳定的不利影响。地下水高出洞顶200m220m，围岩不稳定，属类围岩，开挖中易塌方，须注意支护。本段岩层中夹薄煤层，产生有毒有害气体的可能性较大，开挖过程中应注意采取必要的防范措施。（6）桩号0+12870m0+13129m 埋深330m350m，围岩为石炭系诺错组(C1-2n4)的板岩、灰岩、页岩、泥页岩，局部夹薄煤层，层理

10、发育，层理走向与洞轴线大角度斜交，地下水高出洞顶190m200m，围岩稳定性较差。局部小断层较发育，围岩不稳定,开挖中易塌方，需注意支护。本段总体属类围岩，断层发育部位为类。本段岩层中夹薄煤层，产生有毒有害气体的可能性较大，开挖过程中应注意采取必要的防范措施。3.2主要的地质问题及对施工的影响（1）地应力引起的岩爆问题输水洞洞段最大埋深1300米，处于欧亚板块与印度板块碰撞的岛弧后缘逆冲地带，地应力可达30-40MPa，属于高地应力区域，加上二长花岗岩岩性硬度较大，储能较大，个别洞段引起岩爆的可能性较大。根据估计岩爆程度在片帮-中等岩爆。岩爆的产生对设备和人员施工安全产生隐患，是危害施工正常进

11、展的因素之一。片帮可以导致人员受伤，设备局部受损；中等岩爆则会导致人员伤亡和设备局部严重受损。（2）断层破碎带、不利结构面引起塌方问题隧道位于板块碰撞弧后逆冲带，经过的区域断裂带和小规模的断层、破碎带较多，岩体的结构面发育，不利结构面组合多，容易产生塌方。塌方对设备和人员产生危害，处理塌方需要时间，耽误工期，影响施工的进度。更有甚者，可以卡住设备和破坏设备。（3）地下水丰富引起的突水问题从地形地貌和水文气象看，本区雨季集中在6-8月份，降雨相对集中，同时冬季降水，春夏之交融化，部分降水和雪水转化为地下水。地下水主要为裂隙水，局部灰岩可能存在岩溶水以及断层，断层泥等具有阻水作用，因此，掘进过程中

12、，遇到裂隙带、断层或者溶洞时，可能发生突水而产生涌水等现象。（4）软岩塑性变形引起的大变形问题由于存在高地应力，洞段局部有炭质页岩、板岩等软弱岩石，断层内可能遇到断层泥，这些岩石遇水容易软化，产生大量的塑性变形，变形可能导致掘进过程卡住设备，或者使二衬变形过大甚至破坏。（5）岩性引起的有毒有害气体问题石炭系诺错组(C1-2n4)的板岩、灰岩、页岩、泥页岩，局部夹薄煤层，可能产生大量的有害和有毒气体，同时，二长花岗岩(E2-E2J)可能具有较强的核辐射或产生其他有害气体等。（6）高地热引起的高温问题工程区位于念青唐古拉山火山岩浆弧带上，地热梯度大，高低热容易引起高低温。地热引起施工环境恶化，增加

13、施工难度，减低施工功效，提高施工成本等。3.3地质预报隧道超前地质预报：在分析既有地质资料的基础上，采用地质调查、物探、超前地质钻探、超前导坑等手段，对隧道开挖工作面前方的工程地质与水文地质条件及不良地质体的工程性质、位置、产状、规模等进行探测、分析判释及预报，并提出技术措施建议（图3.3-1）。本洞地质预报采取的原则是：首先对地质复杂程度进行分级（表3.3-1），其次在分级的基础上，采用进行分类处理原则。隧道超前地质预报可采用地质调查与勘探相结合、物探与钻探相结合、长距离与短距离相结合、地面与地下相结合、超前导坑与主洞探测相结合的方法，并对各种方法预报结果综合分析，相互验证，提高预报准确性。

14、（1） 地质条件复杂隧道(区段)的超前地质预报应以地质调查法为基础，以超前钻探法为主，结合多种物探手段进行综合地质超前预报。（2） 地质条件较复杂隧道(区段)的超前地质预报应以地质调查法为基础，以弹性波反射法为主，辅以红外探测、高分辨直流电法、地质雷达等方法，必要时采用超前钻探验证。当发现局部地段工程地质条件复杂时，应按地质条件复杂隧道（区段）的地质超前预报方案实施。图3.3-1 地质预报程序图解（3） 地质条件中等复杂隧道(区段)的超前地质预报应以地质调查法为主，对重要的地质界面、断层或地面物探异常地段可采用弹性波反射法进行探测，必要时采用红外探测、高分辨直流电法和超前钻探等。（4） 地质条

15、件简单隧道(区段)的超前地质预报可只采用地质调查法进行。表3.3-1 地质复杂程度分级 复杂程度分级 影响因素 复 杂较 复 杂中 等 复 杂简 单地质复杂程度(含物探异常)岩溶发育程度强烈发育，以大型暗河、廊道、较大规模溶洞、竖井和落水洞为主，地下洞穴系统基本形成中等发育，沿断层、层面、不整合面等有显著溶蚀，中小型串珠状洞穴发育，地下洞穴系统未形成，有小型暗河或集中径流弱发育，沿裂隙、层面溶蚀扩大为岩溶化裂隙或小型洞穴，裂隙连通性差，少见集中径流，常有裂隙水流微弱发育，以裂隙状岩溶或溶孔为主，裂隙不连通，裂隙透水性差涌水涌泥程度特大型涌突水（涌水量100000m3/d）、大型涌突水（涌水量1

16、0000100000m3/d） 、突泥，高水压较大型涌突水（涌水量100010000m3/d）、突泥中型涌水（涌水量1001000m3/d）、涌泥小型涌水（涌水量100m3/d），涌突水可能性极小断层稳定程度大型断层破碎带、自稳能力差、富水，可能引起大型失稳坍塌中型断层带，软弱，中弱富水，可能引起中型坍塌中小型断层，弱富水，可能引起小型坍塌中小型断层，无水，掉块地应力影响程度极高应力（Rc/max4）， 开挖过程中硬质岩时有岩爆发生，有岩块弹出；软质岩岩芯常有饼化现象，岩体有剥离，位移极为显著高应力（Rc/max=47），开挖过程中硬质岩可能出现岩爆，岩体有剥离和掉块现象；软质岩岩芯时有饼化现

17、象，岩体位移显著瓦斯影响程度瓦斯突出：瓦斯压力P0.74Mpa，瓦斯放散初速度P10，煤的坚固性系数f0.5，煤的破坏类型为类及以上高瓦斯：全工区的瓦斯涌出量0.5m3/min 低瓦斯：全工区的瓦斯涌出量0.5m3/min无地质因素对隧道施工影响程度危及施工安全，可能造成重大安全事故存在安全隐患可能存在安全问题局部可能存在安全问题诱发环境问题的程度可能造成重大环境灾害施工、防治不当，可能诱发一般环境问题特殊情况下可能出现一般环境问题无2.3.1主要的地质预报手段地质预报一般有长距离地质预报和短距离的地质预报。长距离预报包括：TSP、TGP、TRT、大地电磁等手段。短距离主要有： 地质雷达， 超

18、前水平钻孔，掌子面岩石分析等。短距离预报与长距离超前地质预报相互印证、互为补充，以达到最好的超前预报精度。（1）地质调查：宏观上，通过区域地质，掌握输水洞所处地区的区域地质，通过航片或者卫片对灌溉输水洞全段范围内区域断裂、区域地形、地貌、地层岩性、区域水文地质等进行进一步的全面核查。开挖过程中进行地质观察和地质编录：对灌溉输水洞全段，包括掌子面和洞壁的岩性、岩体风化情况、水文情况、岩体结构等进行编录，同时对施工过程中洞渣块度、力学性质、掘进过程的掘进参数等进行地质编录。其优缺点为：该方法设备简单(地质罗盘、卷尺等）、操作方便、不占用隧道施工时间，提交资料及时，且能为整座隧道提供完整的地质资料，

19、费用低，但对与隧道交角较大而又向前倾的结构面容易产生漏报，对操作人员地质知识水平要求较高，一般要求地质专业人员来完成。（2）Beam实时监测隧道掘进电法超前监视 BEAM，由GEOHYDRAULIK DATA开发并专有，是一种特别为地下建设工业开发的、非植入性（不需要采用钻孔等进入围岩内部的措施）的地球物理探测系统和预报方法。它能够伴随着工程施工一直在掌子面前方3倍隧洞直径范围内进行围岩探测。自动进行数据的采集和评价处理，并且预测的结果实时显示，允许在工地快速做决定。BEAM是创新的采用focusing-electrode logging （这种方法的原理是：通过A1电极产生保护电流，保证A0

20、电极的电流向掌子面正前方探测，而不会向其他方向,换句话说，这个原理是用来保证探测的方向性正确）和 frequency-domain induced Polarization（这种方法的原理是，在不同频率下测量电阻率）这两个已经充分证实了的原理测量.低频交流电区域是由配置的3个电极和调整电压产生的.强迫输入电流(42V安全电压)到掌子面前方的岩石中.引起一个感应区域,特别是在前方区域岩石发生变化时。BEAM建立在对电参数持续观测的基础上.最重要的是“激发极化影响”，它表述为频率影响百分比（PFE）。PFE描述的是岩石容纳电量的能力。它和孔隙率相互联系，具有地质相关属性。（按照托马斯的说法，其实P

21、FE其实是一个关于在不同频率下围岩电阻的一个函数，可表示为PFE=F( Rf1、Rf2)，它不仅测量与岩石破碎程度相关的孔隙率，同时也测量岩石的渗透率（在相同孔隙率情况下，岩石通过水的能力，如果岩石中包含很多泥质，阻碍相应的水通过，则渗透率就小）同时，BEAM测量电阻，电阻描述了水利地质情况(一般岩石的电阻很大，如果岩石中含水，水的电阻小，则使岩石整体的电阻变小)。BEAM系统实时探测中，通过PFE和电阻的异常可以辨别相关岩石的变化。根据这两个参数可以做出掌子面前方地质和水利地质情况的评价，这些情况反映在BEAM显示器上可以为现场快速决定作依据。BEAM法实时监测，可以保证短程的快速预报，但是

22、目前该法的费用相对较高。（3）Tsp203超前探测：对灌溉输水洞全段进行探测，重点探测灌溉输水洞围岩的完整程度、地下水发育情况等。TSP203（TSP200）超前地质预报系统是利用地震波在不均匀地质体中产生的反射波特性来预报隧道掘进面前方及周围临近区域地质状况的。它是在掌子面后方边墙上一定范围内布置一排爆破点，依此进行微弱爆破，产生的地震信号在隧道周围岩体内传播，当岩石强度发生变化时，比如有断层或层变化，信号的一部分被返回。界面两侧岩石的强度差别越大，反射来的信号也就越强。返回的信号被经过特殊设计的接收器接收转化成信号并进行放大。根据信号返回的时间和方向，通过专用数据处理软处理就可以得到岩体强

23、度变化界面的位置及方位。优缺点及适用范围适用范围广 适用于极软岩至极硬岩的任何地质情况。预报距离长 能预报掌子面前方100350m范围内的地质状况，围岩越硬越完整预报长度就越大。对隧道施工干扰小 它可在隧道施工间隙进行，即使专门安排此项工作，也不过30分钟左右。提交资料及时 在现场采集数据的第二天即可提交正式成果报告。它设计了一套专用处理软件，将复杂多解的波形分析转换为直观的单一解的波形能量分析图。（4）红外探水：采用专门的红外探水仪器，对洞段掌子面前方的水文情况进行探测，重点是地下水体的分布、形状、大小等。红外探测属广义遥感技术，它建立在红外辐射场的基础上。地球上一切物质，每时每刻都在向外部

24、辐射红外电磁波，并形成红外辐射场。物质在向外部发射红外辐射的同时，必然会把它内部的信息传递出来，因而根据场的变化，即探测曲线上所出现的异常，提前发现隐蔽的灾害实体，从而预防灾害的发生。红外辐射场理论应用于隧道地质预报中，就是，当隧道外围空间和掘进前方存在隐伏水体或含水构造时，隐伏水体或含水构造产生的异常场就要叠加到正常场上，使隧道内的正常场产生畸变，根据拱顶、隧底、边墙、掌子面探测曲线、测量数据的变化就能确定隐伏水体或含水构造所在空间方位。优点：仪器小巧轻便，操作简单，可实现全空间全方位探测，能预测道外围空间及掘进面前方30m范围内是否存在隐伏水体或含水构造，基本不占用隧道施工时间，资料分析简

25、洁、快速、直观。 缺点：它只能告诉探测点前方30m范围内有没有水，至于水量大小、水宽度及具体位置等则难以说清，也就是说目前红外探测只限于定性阶。 适用范围：适用于任何地层中定性判断探测点前方有没有水”及水体存在方位。（5）地质雷达：对灌溉输水洞断层破碎带、物探异常带及岩性接触带进行探测，重点探测地下水发育情况，掌握掌子面前方的富水情况。优缺点： 目前国内还没有为隧道超前地质预报而专门设计制作的地质雷达，仪器密封性差，洞内不易防水、防潮、防尘，易造成仪器损坏，特别是没有专门的天线，操作起来费时费力，且效果不好。 探测距离太短，一次只能探测530m，与目前隧道每天开挖接近1020m的速度极不匹配。

26、 隧道内的环境条件与地质雷达的理论基础半无限空间不吻合，加之洞内钢拱架、钢筋网、锚杆、钢轨等金属构件的影响，探测结果一般不太理想。 就目前的技术水平而言，地质雷达采用高频率的天线作为隧道砼衬砌质量无损检测的手段仍是比较合适的。 地质雷达在地表探测530m范围内的地下地层或地质异常体(溶洞、土洞、断裂、空隙等)反射信号还是比较明显的，也是一种比较理想的手段；灰岩地区隧道铺底前采用中低频率的天线作为探明隧底隐伏岩溶洞穴的手段仍是大家经常采用的。岩溶重点发育地段，有时也用地质雷达对掌子面前方和边墙外侧岩溶洞穴进行探测。 （6）超前地质钻孔：对重点复杂地段（如：断层破碎带、重大物探异常带）采用超前地质

27、探孔进行超前探测（图2）。其优点： 可比较直观地告诉我们钻孔所经过部位的地层岩性、岩体完整程度、裂隙度、溶洞大小、有没有水以及可测水压高低等。 煤系地层可进行孔内煤与瓦斯参数测定，采取适宜防治措施，防治煤与瓦斯突出危险性。 与物探方法相比，它具有直观性、客观性，不存在物探手段经常发生的多解性、不确定性。其缺点：费用高、占用隧道施工时间长，且资料只是一孔之见。(理论上讲，由于溶洞发育的复杂性、多变性，几个钻孔也难100%地把掌子面前方的管道岩溶提前揭露预报出来。)图3.3-1 超前地质钻孔示意图（7）地质分析：对全灌溉输水洞进行地质编录，记录现场揭露的地质信息，并综合上述各种探测方法获得的地质信

28、息，通过综合分析，预测预报前方工程地质及水文地质条件。（8）跨孔声波CT成像法（定发、定收、同步接发）（声波、电磁波、地震波）跨孔声波CT是通过探测成像确定钻孔间岩体结构等情况，借助医学界X射线断层扫描的基本原理，结合岩土的物理力学性质的相关分析，采用射线走时和振幅来重构岩土内部声速值及衰减系数的场分布，通过像素、色谱、立体网络的综合展示，达到直观反映岩石（体）内部结构图像（如岩溶洞穴的位置、规模及充填特性等）之目的。 3.3.2地应力的测试与预报地应力是指存在于地层中的未受到工程扰动的天然应力，主要由2部分组成，即自重应力场和构造应力场。一是测试，主要通过实测点的地应力或者变形资料，测试设备

29、为地应力计；二是预测，主要是通过埋深，在实测点的基础上采用数值模拟反演分析，来确定预测区的地应力场。3.3.3断层及破碎带、不利结构面预报一是地质调查，包括宏观地质调查和掌子面地质调查。宏观地质调查包括：地层地质调查、地质构造调查、 水文地质调查、岩溶地质调查、煤系及软弱底层地层调查、 岩浆岩侵入体调查。掌子面地质调查主要是对洞壁、辅助洞、掌子面的地质情况进行分析，预判断层、破碎带及不利岩体结构面组合。二是地震波法。目前主要有TRP系统、TSP系统和TGP系统等。本次建议选用TSP203系统进行远程地质预报。三是地质雷达。一般是短距离预报，主要预测10-40m范围之内的地质情况，包括岩体结构、

30、地下水、断裂带等。四是超前地质钻孔法。一般情况下不适用，在对地质情况十分复杂，其他手段预测不准确时才使用。3.3.4地下水预报在地质调查和素描的基础上，初步判断水体的位置，然后进行红外探水，如出现异常，采用超前钻孔等进行探测，综合分析地下水体的具体位置、形状和大小等参数。3.3.5软岩变形测试与预报一是地质调查法：利用地质理论和作图法，将隧道所揭露的地层岩性、地质构造、结构面产状、地下水出露点位置及出水状态、出水量、煤层、溶洞等准确记录下来并绘制成图表，结合已有勘测资料，进行隧道开挖面前方地质条件的预测预报。二是超前地质钻：一般情况下不使用，在特殊情况下，超前地质钻探是利用水平钻机在隧道工作面

31、进行地质钻探获取地质信息的一种地质超前预报方式。某隧道复杂地段水平钻孔纳入了施工工序，每30m一个循环，纯钻时间59小时，辅助时间12小时，干扰施工时间611小时（约713%）。（仰角、伏角、外插角）(根据需要可有多种不同的布置方式和钻孔个数) 三是地震波法：采用TSP2003进行探测，方法与前同。3.3.6有害有毒气体监测与预报一是监测，主要是针对瓦斯和其他有毒。有专门的瓦斯浓度监测仪器，同时，也可以采集空气样本进行检测。二是预报，根据宏观地质调查和掌子面地质分析。地质调查方法与前同。3.3.7地温的测试与预报一是地温测定。对掌子面的岩体和地下水的温度进行测试，对洞段内的气温进行测试，确定洞室和掌子面的温度。二是地温预报，主要根据测试点的地温和开挖揭露的地质情况，预判地温。3.4具体实施方案 表4 TBM施工段地质预报方案洞段里程长度（m）地质特征可能出现的施工地