比能法在渤海海峽隧道TBM施工中的應(yīng)用分析

高 攀，鄒 翀

（中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009）

比能法在渤海海峽隧道TBM施工中的應(yīng)用分析

高 攀，鄒 翀

（中國中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009）

擬建的渤海海峽隧道采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）施工極具挑戰(zhàn)性，其中關(guān)鍵之一就是TBM的掘進(jìn)速率預(yù)測問題。本文將渤海海峽隧道和澳大利亞Clem Jones隧道進(jìn)行工程類比，并介紹了比能法在Clem Jones隧道的應(yīng)用情況。在Clem Jones隧道施工過程中，相關(guān)研究人員運(yùn)用比能法對TBM的可掘性進(jìn)行了分析及預(yù)測，從后期的掘進(jìn)情況來看比能法的預(yù)測結(jié)果與實(shí)際施工吻合得較好。本文在Clem Jones隧道和渤海海峽隧道對比分析的基礎(chǔ)上，認(rèn)為運(yùn)用比能法預(yù)測TBM的可掘性同樣適用于渤海海峽隧道的TBM施工。

TBM；比能；鑿巖速率指數(shù)；掘進(jìn)速率

1 前言

隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）以其諸多特性成為硬巖掘進(jìn)中的首選設(shè)備。結(jié)合地質(zhì)條件和巖土條件選取合適的TBM對于隧道施工來說至關(guān)重要。高效的掘進(jìn)設(shè)備可以極大程度地縮短工期，并降低造價(jià)。各國已有眾多研究者和TBM制造商提出了TBM性能預(yù)測方法和可掘性指標(biāo)，并已應(yīng)用于實(shí)際工程中。部分方法基于理論或試驗(yàn)波形，其他則基于經(jīng)驗(yàn)公式[1]。如今，借助先進(jìn)的TBM技術(shù)及監(jiān)測設(shè)備，在掘進(jìn)過程中可以得到連續(xù)的記錄及測量結(jié)果。這些信息可以很好地修正模型所假設(shè)的巖土條件。

澳大利亞Clem Jones隧道對采用TBM施工進(jìn)行全程跟蹤，并采用比能法對TBM的掘進(jìn)效率、設(shè)備性能進(jìn)行了研究。本文根據(jù)由探孔鉆機(jī)和TBM上安裝的其他監(jiān)測設(shè)備提供的數(shù)據(jù)，以比能為參數(shù)，評估了地質(zhì)條件對硬巖TBM可掘性的影響。

2 比能法理論簡介

評估TBM性能通常采用基于試驗(yàn)室測試結(jié)果及切削力的理論或試驗(yàn)?zāi)Ｐ头椒ㄒ约盎赥BM的現(xiàn)場性能及部分巖層特性經(jīng)驗(yàn)公式法，而比能法可歸于理論或試驗(yàn)?zāi)Ｐ皖悇e中[2]。比能是開挖單位體積巖石所需的能量值，由Teale根據(jù)石油工業(yè)中的鉆探參數(shù)提出[3]。McFeat-Smith等采用相似的方法研究了確定條件下的破巖比能[4]。Snowdon等在一篇對盤形滾刀作用于英國巖層的綜合性論文中，研究了法向軋制力與鉆入力的關(guān)系。本文引用了由Teale提出的比能概念，即

式（1）中，SE為比能，MJ/m3；F為推力，N；A為隧道斷面面積，m2；N為轉(zhuǎn)速，r/min；T為扭矩，N?m；P為貫入速率，m/min。

式（1）的第一部分表示推力，在本文所引用的Clem Jones隧道實(shí)例中，等于作用于隧道橫斷面的壓力。第二部分是扭矩（轉(zhuǎn)動能量），即作用于轉(zhuǎn)動中的TBM上的轉(zhuǎn)動力，由線性力和相應(yīng)的半徑相乘而得。使刀盤轉(zhuǎn)動所需的扭矩由巖石特性及TBM的設(shè)計(jì)參數(shù)決定。在本文所引用的Clem Jones隧道實(shí)例中，TBM提供的最大扭矩取決于轉(zhuǎn)動電機(jī)的參數(shù)。

3 Clem Jones隧道與渤海海峽隧道工程類比

3.1 Clem Jones隧道與渤海海峽隧道工程概況

3.1.1 Clem Jones隧道

Clem Jones隧道是目前澳大利亞最大的基礎(chǔ)設(shè)施工程之一，這條雙洞隧道大部分由兩臺直徑12.4 m的雙護(hù)盾硬巖TBM開挖。工程全長6.8 km，其中4.8 km為雙圓隧道，其余2 km為地面道路、匝道及互通式立交。這項(xiàng)投資3億美元的工程自2006年9月開始施工，于2010年3月完工。兩臺直徑12.4 m的雙護(hù)盾TBM開挖了雙圓隧道75%的部分，由城市自北向南橫穿布里斯班河。剩余的地面工程，包括上下坡道、大跨度交叉洞口、通風(fēng)隧道、連接通道及變電站則采用傳統(tǒng)方法開挖而成。

3.1.2 擬建的渤海海峽隧道

擬修建的渤海海峽隧道位于山東蓬萊市東港至旅順老鐵山之間，全長約125 km。隧道擬采用雙洞單線+服務(wù)隧道方案，隧道按250 km/h標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)。根據(jù)我國高速鐵路隧道斷面大小，內(nèi)凈空面積66 m2可以滿足客車200～250 km/h的行車速度要求，在參考英法海底隧道及我國的獅子洋隧道的斷面大小基礎(chǔ)上，初步擬定其橫斷面如圖1所示。為了減小建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，采用深埋方案，考慮到第四系沉積有30 m左右，因此隧道最小埋深初步定為海底以下80 m左右，最大縱坡定為1.8%。

圖1 渤海海峽隧道橫斷面Fig.1 Cross section of Bohai Strait tunnel

從以上情況來看，Clem Jones隧道的施工難度主要集中在開挖斷面大，使用了當(dāng)時(shí)世界上直徑最大的TBM，對TBM的整體要求高。而渤海海峽隧道雖然開挖斷面小于Clem Jones隧道，但考慮到隧道總長在125 km左右，分段開挖長度為50 km左右的施工條件，渤海海峽隧道的綜合施工難度和風(fēng)險(xiǎn)等級要遠(yuǎn)高于Clem Jones隧道。

3.2 Clem Jones隧道與渤海海峽隧道的地質(zhì)條件

3.2.1 Clem Jones隧道

Clem Jones隧道橫穿的是布里斯班河床最下層布里斯班凝灰?guī)r（TUFF）層及Neranleigh Fernvale（NF）地層中的非均質(zhì)理化變質(zhì)巖。TUFF一般節(jié)理欠發(fā)育，含有3個(gè)正交不連續(xù)區(qū)域。由于選址的特殊性，獨(dú)立TUFF層節(jié)理處的低于水平面不連續(xù)區(qū)域成為主導(dǎo)的非連續(xù)區(qū)域。隧道附近的巖體為典型的輕度風(fēng)化和未風(fēng)化巖體。在低洼地帶，TUFF風(fēng)化程度更加明顯，節(jié)理更加密集。TUFF的抗壓強(qiáng)度為40～130 MPa。風(fēng)蝕度測量值為1～5.6，均值為2.2。

NF巖體主要為包含紋理石英和石英砂屑巖的千枚巖。巖體主要經(jīng)歷了兩次地質(zhì)變形，形成了結(jié)構(gòu)區(qū)域間的窄剪切帶及局部斷裂帶。NF巖體的抗壓強(qiáng)度取決于荷載的方向，即頁理的角度，但大多為50～120 MPa。由于石英紋理的存在，其風(fēng)蝕度測量值為3.8～5.2，明顯高于TUFF體。

3.2.2 擬建的渤海海峽隧道

目前尚無針對渤海海峽隧道工程的地質(zhì)勘測資料，僅有地球物理探測、石油勘探、沿線各島嶼的地質(zhì)資料。從這些資料推斷渤海海峽隧道掘進(jìn)地層以花崗巖、玄武巖、石英巖等強(qiáng)度較高的硬巖為主。

因此，兩條隧道所穿越的地層都是性質(zhì)較為單一的硬巖，但都穿越了多條斷層破碎帶。從埋深情況推斷，渤海海峽隧道所穿越的圍巖其強(qiáng)度應(yīng)大于Clem Jones隧道，并且圍巖的風(fēng)蝕度應(yīng)小于Clem Jones隧道。渤海海峽隧道的地質(zhì)不確定性明顯要大于Clem Jones隧道，同時(shí)考慮到海上地質(zhì)勘探的難度較大，因此渤海海峽隧道更有必要運(yùn)用技術(shù)手段進(jìn)行TBM可掘性預(yù)測分析。

4 Clem Jones隧道TBM主要參數(shù)

工程使用的兩臺護(hù)盾式TBM（S-375和S-376）由德國制造商海瑞克公司為該工程專門制造。其直徑為12.34 m，刀盤驅(qū)動功率為4 200 kW。刀盤配有74×19″的盤形滾刀。TBM S-375參數(shù)見表1。

表1 TBM S-375參數(shù)Table 1 Parameters of TBM S-375

5 比能法在Clem Jones隧道可掘性預(yù)測中的應(yīng)用

5.1 隧道開挖過程中收集的數(shù)據(jù)

TBM在掘進(jìn)過程中采集到以下幾種類型的信息，用于評估TBM工作中的地質(zhì)條件：

1）通過盾體上的孔向掌子面前方進(jìn)行沖擊鉆探；

2）掘進(jìn)過程中對隧道側(cè)壁的觀測，以及維修停工期間從掘進(jìn)機(jī)刀盤部位對開挖面的觀測；

3）對TBM傳送帶上運(yùn)出的開挖碴土的目測、評估；

4）對TBM頭部地下水流入率的評估；

5）對TBM通過后開挖的隧道橫通道的地質(zhì)繪圖；

6）建立永久襯砌前對在開挖斷面采取的巖芯樣本的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。

具體的過程如下。

1）鉆探孔。探孔主要用于探測TBM前方24 m的水流及其他異?，F(xiàn)象。采用數(shù)據(jù)記錄器記錄鉆進(jìn)過程中的鉆入壓力及掘進(jìn)速率等詳細(xì)信息。分析采集的數(shù)據(jù)，可推斷出軟弱帶是否存在及其位置，并及時(shí)在計(jì)劃中進(jìn)行修正。

2）對隧道內(nèi)部暴露巖體的觀測。在TBM施工過程中，僅能在雙護(hù)盾模式下對隔板區(qū)露出的巖體進(jìn)行觀測，暴露的巖體約位于刀盤后方6 m處。在隧道掌子面，僅能在TBM停機(jī)維修時(shí)對掌子面暴露的巖體進(jìn)行觀測。在觀測中，對巖體種類、風(fēng)化程度、破碎程度及巖體質(zhì)量進(jìn)行記錄。

3）巖碴觀測。在TBM掘進(jìn)過程中，對皮帶輸送機(jī)輸送的開挖下來的巖碴進(jìn)行觀測，并對碴塊的大小、形狀進(jìn)行觀測評估。另外，對碴塊的整體級配進(jìn)行觀測。如果可行的話，對巖碴的含土量進(jìn)行觀測。

4）地下涌水評估。由于主要觀測點(diǎn)位于TBM下部，且流入的水包括地下水及施工廢水兩部分，故TBM頭部地下水滲流/涌入情況難以評估。盡管如此，仍可以通過對總涌水速率進(jìn)行評估，得到大致的地下水涌入情況。

為了體現(xiàn)義務(wù)教育階段數(shù)學(xué)課程的整體性，全日制義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)不僅通盤考慮了九年的課程內(nèi)容，還以“數(shù)與代數(shù)”、“空間與圖形”、“統(tǒng)計(jì)與概率”、“實(shí)踐與綜合應(yīng)用”為基本的學(xué)習(xí)領(lǐng)域交叉安排學(xué)習(xí)內(nèi)容.同時(shí)，新課程還強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)與社會生活、其他學(xué)科之間的聯(lián)系.這就要求教師具備良好的、開放的數(shù)學(xué)知識結(jié)構(gòu).此外，新課程在數(shù)學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)上采用不同的表達(dá)方式，以滿足多樣化的學(xué)習(xí)需求.這又需要教師具有多元的數(shù)學(xué)表征方式[8].

5）橫通道掌子面地質(zhì)素描。橫通道每一開挖循環(huán)后，進(jìn)行掌子面地質(zhì)素描，以得到巖石種類、風(fēng)化程度、強(qiáng)度及不連續(xù)性等信息。利用混凝土取芯鉆機(jī)，對橫通道每一開挖循環(huán)鉆取巖芯，并進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）試驗(yàn)，以得到完整巖石的強(qiáng)度及變形模量等信息。

6）TBM掘進(jìn)參數(shù)。每一臺TBM都裝配有數(shù)據(jù)記錄器，每隔10 s自動記錄超過350個(gè)相關(guān)機(jī)械參數(shù)，并存入兩個(gè)主數(shù)據(jù)庫。這里主要記錄了掘進(jìn)速率、貫入速率、推力（總值/接觸值）、轉(zhuǎn)速、扭矩、開挖時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)對TBM性能進(jìn)行研究。南側(cè)隧道的基本掘進(jìn)速率-推力、扭矩曲線見圖2。

5.2 開挖比能分析

刀盤需要的功率是巖石性質(zhì)和TBM特性的函數(shù)，與隧道直徑、盤形滾刀數(shù)量、刀盤直徑和貫入速率等有關(guān)。由于節(jié)理、頁理巖層需要更大的功率和更大的刀盤扭矩，有時(shí)對節(jié)理和頁理巖層的掘進(jìn)功率大于對完整巖層的掘進(jìn)功率。

圖2 南側(cè)隧道的基本掘進(jìn)速率-推力、扭矩曲線Fig.2 Penetration rate vs thrust and torque，southbound tunnel profile

對于本文中的分析，開挖比能由Teale提出的式（1）確定，但由于第一部分的值小于第二部分的值，故將式（1）簡化為

式（2）中，ESE為開挖比能，MJ/m3；A為隧道斷面面積，m2；N為轉(zhuǎn)速，r/min；T為扭矩，N?m；P為貫入速率，m/min。

5.2.1 最大應(yīng)變能理論

彈性失效應(yīng)變能由UCS試驗(yàn)確定，如圖3所示，彈性失效應(yīng)變能為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降之前的曲線與應(yīng)變軸圍成的面積，表示吸收的能量。采用理想線性-彈塑性模型模擬巖體，彈性失效應(yīng)變能可以表示為

式（3）中，ESEf為彈性失效應(yīng)變能，MJ/m3；σf為巖石失效抗壓強(qiáng)度，N/m2；E為變形模量，N/m2。

圖3 由UCS試驗(yàn)決定的彈性失效應(yīng)變能Fig.3 Elastic strain energy at failure determined by a UCS test

5.2.2 開挖比能與彈性失效應(yīng)變能之間的相關(guān)效應(yīng)

最大應(yīng)變能理論假設(shè)開挖比能與彈性失效應(yīng)變能之間存在直接相關(guān)性。本文中，二者的相關(guān)性表示為[7]

式（4）中，ESE為開挖比能，MJ/m3；ESEf為彈性失效應(yīng)變能，MJ/m3；DRI為鑿巖速率指數(shù)；kESE為有關(guān)TBM系統(tǒng)和地質(zhì)條件的常數(shù)。

如式（4）所示，鑿巖速率指數(shù)和彈性失效應(yīng)變能共同表示巖石的可鉆性或可切削性。鑿巖速率指數(shù)最早由Johannessen在挪威理工大學(xué)模型中提出[8]，并在 Lislerud[9]和 Filip Dahl等[10]的研究中得到發(fā)展。鑿巖速率指數(shù)主要取決于以下兩個(gè)試驗(yàn)。

1）脆性試驗(yàn)（瑞典脆性試驗(yàn)）。此試驗(yàn)用沖擊設(shè)備對巖石的脆性進(jìn)行測試，定義脆性值（S20）為20次沖擊后通過篩子的粒級百分比。

2）篩粒J值試驗(yàn)。此試驗(yàn)使用微型鉆頭測試巖石表層的硬度。定義篩粒J值（SJ）為鉆頭200次運(yùn)行后1/10 mm處的穿透量。

如式（4）所示，為結(jié)合彈性失效應(yīng)變能和開挖比能，引入了新的常數(shù)kESE，該常數(shù)與TBM系統(tǒng)和地質(zhì)條件有關(guān)[7]。理想狀況下，kESE需要根據(jù)大量不同地質(zhì)條件下的場地?cái)?shù)據(jù)和不同的隧道直徑進(jìn)行修正。因此，可以考慮在各參數(shù)間根據(jù)試驗(yàn)室數(shù)據(jù)及實(shí)際TBM比能建立一個(gè)直接相關(guān)常數(shù)。建立此常數(shù)的主要目的是提供計(jì)算隧道開挖比能的直接公式。

5.2.3 比能法分析預(yù)測結(jié)果

TBM S-376的比能計(jì)算圖線、TBM模式及隧道開挖面觀測情況見圖4。比能圖線在NF區(qū)出現(xiàn)了值得注意的上升，這可能是由于存在的石英巖提高了巖體的沖蝕度，較頁理效應(yīng)更為顯著。TUFF層則更易于開挖，需要的比能也更低。

圖4 彈性失效應(yīng)變能相對應(yīng)的ESE 及ESE預(yù)測Fig.4 ESE and ESEpredictedfrom elastic strain energy at failure注：T1和T2分別表示兩種TUFF

在圖4中根據(jù)已有資料給出了鑿巖速率指數(shù)。鑿巖速率指數(shù)體現(xiàn)了巖石的抗擠壓能力（脆性）和抗穿入能力（表層硬度）。鑿巖速率指數(shù)與比能密切相關(guān)。巖體越難貫入（鑿巖速率指數(shù)低），比能越大。TBM S-376對TUFF層和NF巖層的平均值分別為18 MJ/m3和28 MJ/m3。NF巖層較TUFF層所需的開挖比能增加了約50%。

基于對Clem Jones隧道巖石樣本進(jìn)行的UCS試驗(yàn)[11]，得出了TUFF巖與NF巖的彈性失效應(yīng)變能（見表2）。由TBM數(shù)據(jù)計(jì)算得到的比能也列于表2中，并與試驗(yàn)室數(shù)值進(jìn)行了對比。kESE值由在隧道中段117 m至2 050 m里程間（北段）的數(shù)據(jù)推出，并用2 050 m至4 255 m里程段的數(shù)值對現(xiàn)有模型進(jìn)行了復(fù)核。在Clem Jones隧道的應(yīng)用中kESE值由北段數(shù)據(jù)確定，同時(shí)用以計(jì)算南段ESE的預(yù)測值ESE預(yù)測。從圖4和表2可以看出，TBM實(shí)際掘進(jìn)所得的結(jié)果與預(yù)測值是比較相近的。這說明在巖層多為硬巖且?guī)r石力學(xué)性質(zhì)較為一致的情況下，采用比能法對ESE的預(yù)測是較為可靠的。

6 比能法在渤海海峽隧道應(yīng)用前景分析

從工程實(shí)際應(yīng)用情況來看，比能法在Clem Jones隧道開挖預(yù)測中獲得與實(shí)際開挖較為一致的預(yù)測效果，說明該方法對TBM施工較為適用。從地層適應(yīng)性來說，渤海海峽隧道所處地層也多為強(qiáng)度較高、風(fēng)化程度低的硬巖，對于該類工程可以認(rèn)為巖石性質(zhì)較為單一。從比能法在以往石油鉆井工程和本文所介紹的Clem Jones隧道的應(yīng)用情況來看，在地層較為單一時(shí)比能法具有較好可靠性。

7 結(jié)語

本文介紹了利用比能法評價(jià)地質(zhì)條件對硬巖地區(qū)TBM法隧道施工的影響。研究結(jié)果表明，這種評價(jià)方法能夠起到良好的效果。Clem Jones隧道的比能計(jì)算公式可以包絡(luò)實(shí)際及預(yù)測比能的最大值、最小值及平均值，且實(shí)測值與預(yù)測值吻合較好。雖然使用的數(shù)據(jù)僅來源于一個(gè)工程實(shí)例，但分析表明，通過對某一既定路線隧道比能需求的評估，可以推斷TBM的作業(yè)性能。因此，建議在擬建渤海海峽隧道的TBM施工中運(yùn)用該方法，可根據(jù)TBM的相關(guān)數(shù)據(jù)及相應(yīng)地質(zhì)狀況對文中的公式進(jìn)行修正與研究。

表2 ESEf，DRI，ESE平均，kESE及ESE預(yù)測匯總Table 2 Summary of ESEf，DRI，ESEaverage，kESEand ESEpredicted

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The analysis of specific energy applied in Bohai Strait tunnel during TBM construction

Gao Pan，Zou Chong
（Technology Center of China Railway Tunnel Group Co.Ltd.，Luoyang，Henan 471009，China）

The proposed Bohai Strait tunnel is a challenging project，and penetration rate of tunnel boring machine（TBM）is one of the keys.This paper made a contrast between the Clem Jones tunnel in Australia and the Bohai Strait tunnel，and introduced the specific energy used in the Clem Jones tunnel.During the construction of the Clem Jones tunnel，researchers made the analysis and forecasted about the TBM’s penetration rate using the specific energy，which was identical to the practical construction very well.This paper concluded that the specific energy can be used in the Bohai Strait tunnel as well as the Clem Jones tunnel，which was based on the comparative analysis of the Clem Jones tunnel and Bohai Strait tunnel.

TBM；specific energy；drilling rate index；penetration rate

U455

A

1009-1742（2013）12-0073-07

2013-10-08

高 攀（1982—），男，河南周口市人，工程師，主要從事地下工程科研與施工技術(shù)工作；E-mail：94474888@qq.com