復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響

李厚峰

摘要：基于引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM的施工實(shí)踐，對(duì)比研究了嶺南、嶺北兩臺(tái)TBM在截然不同的地質(zhì)環(huán)境下的掘進(jìn)效率，認(rèn)為目前以圍巖類別來判斷TBM的掘進(jìn)效率是不夠嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?。?shí)際研究表明，圍巖的巖性特別是圍巖杭?jí)簭?qiáng)度、完整性、地下水等地質(zhì)因素才是影響掘進(jìn)效率的主要地質(zhì)因素。在此基礎(chǔ)上，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境TBM的進(jìn)度指標(biāo)和TBM的地質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行了研究。

關(guān)鍵詞：隧道施工;TBM施工進(jìn)度;復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境;引漢濟(jì)渭工程

中圖分類號(hào)：TV554⁺.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 TBM施工概述

TBM（Tunnel Boring Machine）是用于巖石地層的全斷面隧洞掘進(jìn)機(jī)的簡(jiǎn)稱，是機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧洞施工裝備。TBM能將掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序并行且連續(xù)作業(yè)，具有快速、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被稱為“掘進(jìn)機(jī)之王”。TBM施工雖然優(yōu)點(diǎn)突出，但有一定局限性：一是一次性資金投入大;二是TBM技術(shù)支持要求高;三是TBM對(duì)地質(zhì)條件要求比較高，特別是遇到復(fù)雜地質(zhì)條件時(shí)，TBM將面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)，施工處理措施沒有鉆爆法靈活。

2 引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM施工段地質(zhì)概況和計(jì)劃進(jìn)度指標(biāo)

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞長(zhǎng)98.3km，最大埋深2012m，采用鉆爆法、TBM分段施工方案。其中，穿越秦嶺嶺脊段34km采用2臺(tái)TBM設(shè)備由嶺南、嶺北相向掘進(jìn)，其余64.3km的淺山區(qū)采用鉆爆法分段施工。

TBM施工的嶺南段圍巖為印支期花崗巖、華力西期閃長(zhǎng)巖，屬于硬巖或極硬巖。嶺北段圍巖為千枚巖、變質(zhì)砂巖，屬于中等硬度巖石。

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)單位按照傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)和方法對(duì)圍巖類別進(jìn)行了劃分，并且依據(jù)圍巖類別提出了TBM的掘進(jìn)指標(biāo)（見表1）。

3 嶺南、嶺北TBM進(jìn)度比較分析

3.1 嶺南、嶺北TBM月進(jìn)度對(duì)比

嶺南、嶺北試掘進(jìn)的逐月進(jìn)度對(duì)比見圖1，可以看出，前8個(gè)月嶺南與嶺北雖然進(jìn)度不同，但穩(wěn)中有增的趨勢(shì)是相同的。為探討導(dǎo)致嶺南月進(jìn)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后嶺北的原因，就嶺南、嶺北的巖石物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)分析研究。

3.2 嶺南與嶺北圍巖情況對(duì)比

嶺南TBM實(shí)際掘進(jìn)過程中巖石采樣主要指標(biāo)變化情況見圖2、圖3?？梢钥闯觯簬X南巖石的抗壓強(qiáng)度基本在150MPa以上，平均為180MPa;巖石的完整性較好，完整系數(shù)基本在0.75以上。

在嶺北TBM掘進(jìn)中，對(duì)圍巖抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了檢測(cè)（見圖4），其中樁號(hào)K62+578-K55+91一共檢測(cè)41組，平均抗壓強(qiáng)度為68.4MPa，最大抗壓強(qiáng)度為109.6MPa（在樁號(hào)K59+387-K59+300之間）。由表2可知，抗壓強(qiáng)度為40～80MPa的圍巖占比達(dá)80%，屬于中等硬度巖石。

可以看出，嶺南TBM施工段的圍巖抗壓強(qiáng)度比嶺北圍巖抗壓強(qiáng)度高出約120MPa，石英含量較高。這些地質(zhì)因素的巨大差別是導(dǎo)致嶺南TBM掘進(jìn)速度大幅下降的主要原因。

4 影響TBM掘進(jìn)速度的主要地質(zhì)因素

4.1 巖石抗壓強(qiáng)度對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響

為了研究巖石抗壓強(qiáng)度對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響，分別對(duì)巖石的抗壓強(qiáng)度、完整性進(jìn)行了系統(tǒng)檢測(cè)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究這些指標(biāo)和掘進(jìn)速度的關(guān)系。由圖5可以看出，掘進(jìn)速度與巖石抗壓強(qiáng)度具有一定的負(fù)相關(guān)性?？箟簭?qiáng)度小于150MPa時(shí)掘進(jìn)速度大于1.5m/h，抗壓強(qiáng)度大于170MPa時(shí)掘進(jìn)速度小于1.0m/h，這區(qū)間強(qiáng)度越高，掘進(jìn)速度越低，抗壓強(qiáng)度超過200MPa時(shí)掘進(jìn)速度接近0.6m/h，這時(shí)TBM一個(gè)循環(huán)將大于3h，掘進(jìn)速度大大降低。因此，可以得出十分明確的結(jié)論，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)TBM掘進(jìn)速度影響較大。

4.2 巖石完整性對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響

現(xiàn)場(chǎng)研究發(fā)現(xiàn)，圍巖的完整性、巖石結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度是決定TBM效率的又一重要因素。對(duì)于節(jié)理較發(fā)育或發(fā)育巖石，TBM掘進(jìn)效率較高;對(duì)于完整巖石，TBM破巖困難，掘進(jìn)效率則較低。由圖6可得出大致的結(jié)論，隨著巖石完整程度的提高，TBM掘進(jìn)速度迅速下降，兩者基本成負(fù)相關(guān)。

4.3 高壓集中涌水對(duì)TBM掘進(jìn)速度的影響

嶺南TBM在2015年11月進(jìn)入K29+950富水地段后，施工難度進(jìn)一步增大：一是發(fā)生了幾次高壓集中大流量涌水，排水難度陡增，TBM掘進(jìn)進(jìn)度放緩;二是設(shè)備長(zhǎng)期在水的浸泡和潮濕的環(huán)境中機(jī)械銹蝕加快，排水設(shè)備故障頻發(fā);三是TBM在富水地段反坡施工掘進(jìn)效率大大下降。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在貧水地段，TBM連續(xù)5個(gè)月月進(jìn)度在230～280m之間，進(jìn)入富水地段后月進(jìn)度大幅下降，連續(xù)8個(gè)月小于200m，2015年11月—2016年8月，平均月進(jìn)度為135m，3-4月被淹停機(jī)2個(gè)月。嶺南TBM掘進(jìn)進(jìn)度與涌水量關(guān)系見圖7。

5 復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下TBM有關(guān)問題討論

（1）TBM利用率在20%～30%是可以接受的。TBM總的施工時(shí)間是純掘進(jìn)、換步、刀具更換、保養(yǎng)維護(hù)、故障處理、后配套系統(tǒng)維護(hù)、管片和軌道鋪設(shè)等多項(xiàng)時(shí)間的總和，因此要十分重視TBM作業(yè)時(shí)間的利用率。無(wú)論是噴錨支護(hù)、巖爆處置、正常設(shè)備維護(hù)，還是其他環(huán)節(jié)發(fā)生故障，都會(huì)致使TBM停機(jī)，導(dǎo)致利用率下降，為此應(yīng)對(duì)TBM各工序時(shí)間加強(qiáng)控制，嶺南實(shí)測(cè)TBM各工序時(shí)間見表3。

引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞工程TBM利用率偏低有其特殊性：一是隧洞埋深大、支洞長(zhǎng)，皮帶機(jī)出渣長(zhǎng)達(dá)6km，易發(fā)生皮帶機(jī)故障;二是排水難度大，隧洞涌水量大、點(diǎn)多，水泵較多，管線特長(zhǎng)，加之反坡掘進(jìn)施工排水故障頻發(fā)，導(dǎo)致停機(jī);三是機(jī)械、電氣、液壓故障;四是正常的維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間每天4～6h。

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)類似工程如西康鐵路秦嶺I號(hào)隧洞平均利用率為20.2%，中鐵十八局在錦屏電站的TBM利用率為22.36%，均低于30%，引漢濟(jì)渭嶺北TBM的利用率在30%左右。因此認(rèn)為，引漢濟(jì)渭工程TBM的利用率在20%一30%是合理的，不能片面追求高利用率，要防止設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間超負(fù)荷掘進(jìn)。

（2）嶺南TBM特硬圍巖進(jìn)度為200m/月左右是正常的。實(shí)踐證明，圍巖的抗壓強(qiáng)度、完整性等是制約TBM掘進(jìn)效率的主要地質(zhì)因素。嶺南TBM施工段埋深大，巖石平均強(qiáng)度高達(dá)180MPa，完整性好，孔隙率低，石英含量高，耐磨值高，加之長(zhǎng)距離的出渣和反坡排水系統(tǒng)，使其綜合施工難度堪稱世界第一，因此在超硬、特硬圍巖的地質(zhì)環(huán)境下，進(jìn)度為200m/月左右是正常的。

（3）TBM對(duì)圍巖地質(zhì)的適應(yīng)性必須高度重視。通過引漢濟(jì)渭工程2臺(tái)TBM在不同地質(zhì)環(huán)境中的掘進(jìn)實(shí)踐，可以總結(jié)出如下結(jié)論：?jiǎn)屋S抗壓強(qiáng)度是影響TBM掘進(jìn)的關(guān)鍵因素之一，強(qiáng)度為30～60MPa的中等硬度圍巖最適合TBM掘進(jìn)，強(qiáng)度為60～150MPa的圍巖TBM掘進(jìn)效率下降，強(qiáng)度大于150MPa時(shí)TBM掘進(jìn)效率會(huì)大大下降。另外，巖石完整性對(duì)TBM掘進(jìn)效率造成了一定的影響。因此，TBM適合在中等硬度巖石中掘進(jìn)，在極硬圍巖中掘進(jìn)效率會(huì)大大降低，長(zhǎng)隧洞在選擇TBM施工方案時(shí)，應(yīng)對(duì)圍巖的地質(zhì)因素進(jìn)行針對(duì)性研究，統(tǒng)籌決策，以真正發(fā)揮TBM的施工優(yōu)勢(shì)。