護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)隧洞施工的圍巖適宜性分類

侯 浩,張之鈺

(水利部山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030024)

護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)隧洞施工的圍巖適宜性分類

侯 浩,張之鈺

(水利部山西水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,山西太原 030024)

中國(guó)目前的地下工程圍巖分類法,其核心為圍巖穩(wěn)定性,對(duì)于全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工并不完全適用。從隧洞掘進(jìn)機(jī)施工的特點(diǎn)和總結(jié)影響護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工的地質(zhì)因素入手,嘗試提出以巖性及巖性組合、圍巖完整程度、地下水為主要衡量指標(biāo)的掘進(jìn)機(jī)施工適宜性分類方法,并介紹了山西引黃工程隧洞護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工的實(shí)踐,可供同類工程勘察、襯砌設(shè)計(jì)參考。

工程地質(zhì);TBM;圍巖;適宜性分類

0 引言

上世紀(jì)90年代以來,全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)在中國(guó)隧洞施工中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。TBM施工因其掘進(jìn)快速安全、對(duì)圍巖擾動(dòng)小等優(yōu)勢(shì),越來越受到青睞。但同時(shí)也應(yīng)看到,TBM施工有其適用的圍巖范圍,并不是所有洞室圍巖都適宜采用TBM施工,全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)造價(jià)昂貴,一旦投入使用而圍巖不適宜,則造成的損失非常巨大。因此,對(duì)TBM施工的圍巖適宜性做出評(píng)價(jià)非常重要。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)采用的圍巖分類方法均是以圍巖穩(wěn)定性為核心的分類方法,它與鉆爆法的施工特點(diǎn)相適應(yīng),而TBM施工與鉆爆法相比有很大的不同,原有的圍巖分類方法對(duì)TBM隧洞施工的借鑒有局限性,有必要將穩(wěn)定性分類與適宜性分類區(qū)別開來。

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)一般分為護(hù)盾式巖石掘進(jìn)機(jī)及開敞式巖石掘進(jìn)機(jī),本文試圖重點(diǎn)就護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工的圍巖適宜性分類方法進(jìn)行探討。

1 TBM隧洞施工的特點(diǎn)

TBM隧洞施工有如下特點(diǎn):

(1)從TBM掘進(jìn)特點(diǎn)看,TBM施工有一定的圍巖適用范圍,并不是圍巖穩(wěn)定性越好,TBM施工越適宜。

(2)TBM的施工速度大大快于常規(guī)鉆爆法,雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)更是集中了快速掘進(jìn)、快速襯砌一次成洞的優(yōu)點(diǎn),正常情況下一個(gè)斷面從開挖到襯砌基本完成,延續(xù)時(shí)間不會(huì)超過14 d。因此,該方法對(duì)圍巖自穩(wěn)時(shí)間沒有過高的要求。

(3)TBM對(duì)圍巖的擾動(dòng)小,其支護(hù)又非常及時(shí),更符合新奧法的現(xiàn)代開挖支護(hù)理念。

(4)目前,T BM施工的隧道直徑大都在5～10 m之間,不需要像特大洞室那樣對(duì)圍巖自穩(wěn)提出更高的要求。

(5)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工,在時(shí)間和空間方面都對(duì)圍巖的觀察和地質(zhì)編錄的條件形成了制約,難以按照常規(guī)要求進(jìn)行分項(xiàng)評(píng)分來判定圍巖類別,從而確定支護(hù)類型。

(6)同護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)相比,開敞式掘進(jìn)機(jī)的防護(hù)條件、作業(yè)條件、支撐條件不盡相同,特別是永久襯砌施作時(shí)間延后,對(duì)圍巖自穩(wěn)時(shí)間等要求較高,二者在圍巖適宜性方面有較大差別。

(7)絕大部分隧道都不可能由均質(zhì)地層或單一的圍巖類別構(gòu)成,現(xiàn)實(shí)可行的方法是,確定某一種占較大比重或?qū)λ矶词┕さ墓て?、造價(jià)起控制作用的圍巖類別作為主體圍巖,兼顧其它圍巖條件,對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行個(gè)性化設(shè)計(jì),這樣才能最大限度地發(fā)揮掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)勢(shì)和潛能,取得事半功倍的效果,因此有必要確立“主體圍巖”的概念。

從T BM隧洞施工的這些特點(diǎn)看,目前國(guó)內(nèi)的圍巖分類方法對(duì)T BM隧洞施工的借鑒有局限性,也不利于對(duì)該種方法施工的隧洞襯砌設(shè)計(jì)提供合理可靠的依據(jù)。

2 影響TBM隧洞施工的主要地質(zhì)因素

2.1 巖性及巖性組合

掘進(jìn)機(jī)的盤形滾刀破巖以擠壓、研磨為主,它會(huì)使巖石產(chǎn)生裂縫擴(kuò)展的張拉破壞、剪切破壞及擠壓破壞,故巖性及巖性組合是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)隧洞施工時(shí)最敏感的地質(zhì)因素。

不同的巖性有其各自的強(qiáng)度范圍。巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均小于抗壓強(qiáng)度,故抗壓強(qiáng)度可作為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)的控制指標(biāo),且該指標(biāo)較容易由試驗(yàn)求得。從適宜性角度考慮,掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)并不是巖石強(qiáng)度越高越好。巖石強(qiáng)度越高,刀具的磨損也越大,掘進(jìn)速度會(huì)減慢,在巖石強(qiáng)度很高時(shí)可能出現(xiàn)進(jìn)尺非常緩慢的現(xiàn)象。國(guó)內(nèi)使用過的雙護(hù)盾全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)技術(shù)參數(shù)中,巖石抗壓強(qiáng)度一般30～150 MPa,最大320 MPa。實(shí)踐表明,掘進(jìn)機(jī)在單軸抗壓強(qiáng)度30～120 MPa時(shí)會(huì)有較高的掘進(jìn)速度[1]。TBM掘進(jìn)時(shí)主要克服的巖石強(qiáng)度是天然抗壓強(qiáng)度,巖石的強(qiáng)度指標(biāo)宜以天然狀態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度衡量。

對(duì)于特殊巖石,如膨脹巖、流變巖等應(yīng)具體分析。膨脹巖應(yīng)考慮其膨脹性強(qiáng)弱,巖石呈弱膨脹性且地下水影響不大時(shí),對(duì)掘進(jìn)機(jī)的適宜性影響有限。軟弱流變巖掘進(jìn)時(shí)易產(chǎn)生包機(jī)頭等現(xiàn)象,且容易對(duì)隧洞襯砌造成破壞。其變形和應(yīng)力釋放過程相當(dāng)漫長(zhǎng),據(jù)山西引黃聯(lián)接段7#隧洞流變巖洞段監(jiān)測(cè),連續(xù)8個(gè)月應(yīng)力調(diào)整仍未停止,有資料介紹持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)年。

覆蓋層結(jié)構(gòu)松散,強(qiáng)度低,土層中容易產(chǎn)生機(jī)頭下沉、滾刀包泥等現(xiàn)象,砂卵礫石層中容易出現(xiàn)坍塌冒頂現(xiàn)象,一般不適于掘進(jìn)機(jī)施工,尤其是濕陷性黃土、膨脹土、軟土等。

自然界大部分地區(qū)巖石并不單一出現(xiàn),而是由多種巖石共同組成地質(zhì)體,自然界較多見的是硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖的組合,這也是掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)應(yīng)關(guān)注的圍巖地質(zhì)組合。在這種組合中,應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的是軟質(zhì)巖的分布及性狀。

由于軟質(zhì)巖的變形量相對(duì)較大,所以在組合中起主要作用的是軟質(zhì)巖的分布及性狀。據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),當(dāng)圍巖周邊徑向位移相對(duì)值<5%時(shí),可以采用護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)開挖。對(duì)于掘進(jìn)機(jī)施工可以考慮用軟質(zhì)巖所占比例、軟質(zhì)巖層連續(xù)厚度等指標(biāo)衡量。軟質(zhì)巖層連續(xù)厚度并非實(shí)際變形厚度,隧洞徑向變形量一般不會(huì)超過此厚度。軟質(zhì)巖所占比例越低、連續(xù)軟質(zhì)巖層厚度越薄,則圍巖適宜性越好。引黃工程南干線7號(hào)隧洞中有37 km為砂頁巖相間分布,其中泥頁巖所占比例為10%～50%,采用TBM施工在2000年底成功貫通。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度是影響圍巖適宜性的又一重要因素。當(dāng)巖體完整時(shí),圍巖的穩(wěn)定性主要由巖性控制,此時(shí)的掘進(jìn)貫入度較低。當(dāng)巖體中結(jié)構(gòu)面增加,完整程度降低時(shí),圍巖的易掘進(jìn)性逐步過渡到由巖性與結(jié)構(gòu)面共同控制,此時(shí)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)貫入度增加,往往進(jìn)尺加快。但當(dāng)完全由結(jié)構(gòu)面控制,巖體呈破碎狀態(tài)時(shí),掘進(jìn)事故率增加,總體進(jìn)尺反而減慢。

表征巖體破碎程度的指標(biāo)為巖體完整性指數(shù)Kv,它可以通過鉆孔、探洞等實(shí)測(cè),也可通過節(jié)理統(tǒng)計(jì)近似確定。根據(jù)巖體完整性指數(shù)與掘進(jìn)速度的統(tǒng)計(jì)資料,當(dāng)Kv值介于0.38～0.75時(shí),即巖體處于較完整、較破碎狀態(tài)時(shí)掘進(jìn)速度較快。

2.3 地下水

地下水對(duì)掘進(jìn)的影響主要體現(xiàn)在三方面:一是突水、涌水會(huì)對(duì)掘進(jìn)產(chǎn)生直接影響,如臺(tái)灣雪山隧道等在施工中就受到了高壓涌水的影響;二是水會(huì)降低巖石的抗壓強(qiáng)度,影響圍巖穩(wěn)定性,尤其對(duì)于軟質(zhì)巖,強(qiáng)度降低非常顯著,甚至可能產(chǎn)生泥化,在隧洞開挖涉及地下水時(shí),隧洞就成為排水廊道,使隧洞周圍的地下徑流趨于活躍,因此,即使是原本就處于地下水位之下呈飽和狀態(tài)的圍巖,在隧洞開挖后巖石強(qiáng)度也會(huì)不同程度降低;三是觸發(fā)對(duì)水敏感的特殊性巖石的特殊工程性質(zhì),如膨脹巖遇水可能觸發(fā)膨脹變形,原來就在水下的膨脹巖則有可能因開挖而失去側(cè)限產(chǎn)生新的膨脹變形。

護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)開挖由于支護(hù)及時(shí),對(duì)減低巖石軟化程度及膨脹變形有利。具有一定強(qiáng)度的完整的軟質(zhì)巖,如果無地下水影響時(shí),采用TBM施工也較適宜。引黃聯(lián)接段7#隧洞穿過較長(zhǎng)的泥灰?guī)r洞段,均處于地下水位之上,其天然抗壓強(qiáng)度一般5～10MPa,在施工中除出現(xiàn)一次蠕變卡機(jī)外,其余均很順利且掘進(jìn)速度快。

2.4 其它

當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境時(shí),脆性巖體及完整的巖石有可能發(fā)生巖爆;軟弱巖體有可能產(chǎn)生大的圍巖變形。但護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工由于支護(hù)及時(shí),對(duì)抑制變形有一定的作用。

當(dāng)掘進(jìn)遇大的斷層破碎帶時(shí),容易發(fā)生大的坍塌;當(dāng)掘進(jìn)遇大的溶洞時(shí),可能發(fā)生機(jī)身下沉、洞壁無支撐無法掘進(jìn)、突水、充填物坍塌等現(xiàn)象。此等不利地質(zhì)條件對(duì)掘進(jìn)機(jī)可能是不適宜的。

3 護(hù)盾式T BM隧洞施工的圍巖適宜性分類

參考國(guó)內(nèi)現(xiàn)有圍巖分類(級(jí))標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)施工的特點(diǎn)和中國(guó)國(guó)內(nèi)隧洞工程應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)施工的經(jīng)驗(yàn),筆者嘗試提出了以巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水為主要指標(biāo)加以界定的分類方法,分類中所用的定性指標(biāo)力求簡(jiǎn)單明確,定量指標(biāo)力求方便易測(cè),從而增加分類的可操作性。具體見表1。

由于現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)使用TBM施工仍相對(duì)較少,相關(guān)資料缺乏,分類表中一些控制指標(biāo)具有一定的主觀性,有待更多實(shí)踐檢驗(yàn)及完善。

需要說明的是,本分類意在事前控制,為使評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單明了,容易對(duì)號(hào)入座,分類時(shí)采用了排列組合的方式,組合中存在漏項(xiàng),并未包含自然界所有的圍巖類型。故本分類為非完全性分類,但分類涵蓋了自然界大多數(shù)的圍巖類型。

4 山西引黃工程的實(shí)踐

山西引黃工程先后使用6臺(tái)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī),迄今進(jìn)行了9條、約131 km水工隧洞施工。在十多年的施工歷程中,經(jīng)歷了多種多樣的圍巖條件,也遇到過非常復(fù)雜棘手的困難地段,從中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn),也有一些可資借鑒的教訓(xùn)。

總體來說,絕大部分隧洞段在開挖襯砌后,并沒有發(fā)現(xiàn)圍巖直接作用于襯砌頂、邊拱混凝土管片的情況。這說明大多數(shù)圍巖的自穩(wěn)時(shí)間對(duì)于掘進(jìn)機(jī)施工來說是足夠的?？梢哉J(rèn)為這些隧洞段適宜或基本適宜掘進(jìn)機(jī)施工,多屬于表1中的Ⅰ、Ⅱ類。但是,也遇到過極軟地層、斷層破碎帶、大溶洞、流變巖等表1中的Ⅲ、Ⅳ類圍巖條件,給施工造成很大的困擾。當(dāng)Ⅲ類、Ⅳ類圍巖成為主體圍巖或者Ⅲ、Ⅳ類占比例較大時(shí),是否采用掘進(jìn)機(jī)施工,就要慎重考慮。經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)于位于巖石隧洞進(jìn)出口的覆蓋層洞段,采用人工開挖和支護(hù)更為有利。多數(shù)情況下,還可以成為掘進(jìn)機(jī)進(jìn)入工作面之前的導(dǎo)引洞段。

表1 護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)施工的圍巖適宜性分類Table 1 Suitability classification ofwall rock when constructing by shielded full face rock TBM

上述圍巖分類的探索形成過程,對(duì)山西引黃工程后期的隧洞設(shè)計(jì),也產(chǎn)生了積極的影響,并取得了明顯效果。

聯(lián)接段7#隧洞的襯砌設(shè)計(jì),借鑒了新奧法隧洞開挖支護(hù)理論,改變了以往預(yù)制混凝土管片鋼筋用量同傳統(tǒng)圍巖類別一一對(duì)應(yīng)的思路。對(duì)于傳統(tǒng)分類中Ⅲ類和好于Ⅲ類的圍巖,設(shè)計(jì)認(rèn)為可以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力,從而將襯砌混凝土管片限于構(gòu)造配筋,考慮施工荷載對(duì)管片周邊予以加強(qiáng),稱為輕型管片。傳統(tǒng)Ⅳ類圍巖和以泥灰?guī)r(整體性較好,無地下水影響)為主的Ⅴ類圍巖,考慮由襯砌結(jié)構(gòu)同圍巖共同承受山巖壓力,按照結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算配筋,稱為中型管片。當(dāng)遇到斷層破碎帶、泥化巖段和流變巖段等特殊地質(zhì)條件時(shí),按照松散體理論,由襯砌結(jié)構(gòu)承受全部山巖壓力,使用加強(qiáng)配筋的重型管片。由于重型管片的使用量非常有限,這就大幅降低了總的鋼筋用量。

[1] 水利部科技推廣中心.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005:155-156.

(責(zé)任編輯:胡立智)

Suitability Classification of Wall RockW hen Tunnel Constructed by Shielded Full Face Rock TBM

HOU Hao,ZHANG Zhiyu
(Shanxi Hydroelectric Investigation&Design Institute of theMinistry of Water Resources P.R.C.,Taiyuan,Shanxi030024)

At present,the core of our classification of wall rock in underground engineering is the stability of rock.It’s not suit for shielded full face rock TBM constructing.In this paper,the characteristics of TBM and the summary of geological factorswhich impact TBM constructingwere studied,and then the suitability classification method by lithology and lithological composition,integrity ofwall rock,undergroundwater as the main measure of TBM was adviced.At last,the practice which construct tunnel by TBMin Shanxi Yellow River Diversion Project was introduced.It will be referenced by similar projects and lining design.

engineering geology;TBM;wall rock;suitability classification

TV554

A

1671-1211(2010)05-0527-04

2010-07-28;改回日期:2010-09-03

侯浩(1968-),男,高級(jí)工程師,水文工程地質(zhì)專業(yè),從事水文工程地質(zhì)方面的工作。E-mail:HHH555LLL@TOM.com