關(guān)于隧洞TBM施工地質(zhì)條件適宜性的探討

袁宏利 程向民

1 概 述

隨著隧洞工程向“深、長”方向的發(fā)展，TBM 施工技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛。而隨著地下工程尤其是深埋長隧洞工程勘測、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)的發(fā)展以及水平的提高，工程界對于隧洞“深”、“長”等的概念也在發(fā)生著變化。在GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中，長隧洞（long tunnel）是指鉆爆法施工長度大于3 km、TBM 法施工長度大于10 km 的隧洞，深埋隧洞（tunnel at great depth）是指埋深大于600 m 的隧洞［1］。在編制SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》過程中，除沿用上述“深、長”隧洞的定義外，還沿用和增加了淺埋隧洞（tunnel at shallow depth）這一術(shù)語和定義，即指上覆有效巖體厚度小于3 倍洞徑的隧洞［2］。因此，則介于上述“深、淺、長、短”范圍之間的隧洞，可以理解為是一般長度和埋深的隧洞。

對于鉆爆法（DB）施工，傳統(tǒng)的圍巖分類系統(tǒng)主要考慮了與圍巖穩(wěn)定性評價及支護(hù)相關(guān)的巖體基本地質(zhì)條件，而不用考慮鉆爆法本身的施工工藝及其難易程度。但對于TBM 法施工技術(shù)這種將掘進(jìn)和支護(hù)技術(shù)集成在一起的系統(tǒng)而言，目前則是既要考慮掘進(jìn)機(jī)選型及其工藝問題，又要考慮與掘進(jìn)相應(yīng)的巖體地質(zhì)條件及其支護(hù)方案等問題，由于影響因素較復(fù)雜，涉及多種學(xué)科，因此，難以形成一個綜合和廣泛適用的分類系統(tǒng)。但無論掘進(jìn)技術(shù)如何發(fā)展，最終仍是基于對巖體工程地質(zhì)條件的認(rèn)識和評價、對其進(jìn)行適應(yīng)或改造、并得到合理解決方案的過程。因此，對于地質(zhì)條件的認(rèn)識水平，仍是解決問題最根本和最關(guān)鍵的因素［2］。

TBM 的施工功效可用掘進(jìn)速度（Penetration Rate，PR）和施工速度（Advance Rate，AR）兩個指標(biāo)表達(dá)，是判斷工程采用TBM 施工是否成功的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。掘進(jìn)速度定義為在一個連續(xù)的鉆進(jìn)階段，鉆進(jìn)距離除以鉆進(jìn)時間；施工速度是實(shí)際開挖和支護(hù)長度除以總的時間，包括TBM 維護(hù)、機(jī)械破碎和隧洞失穩(wěn)支護(hù)的時間。從TBM 施工的組成來看，影響AR 的因素可以分成3 大方面，第1 是地質(zhì)體本身，第2 是施工機(jī)械，第3 是施工過程中人的因素?；谄胀ㄣ@爆法施工的圍巖分類，考慮的因素主要包括巖石材料的強(qiáng)度及其巖體完整性等情況，相對于影響AR 的因素來講少得多，因此，一般認(rèn)為DB 施工圍巖分類不宜直接用于AR 或者PR 的預(yù) 測［3］。

2 影響TBM施工條件的地質(zhì)因素

基于目前國內(nèi)外的研究和實(shí)踐，TBM 施工的適宜性主要考慮兩方面地質(zhì)因素，一是巖體所處的地質(zhì)環(huán)境是否適宜于采用TBM 進(jìn)行施工，二是巖體性狀對TBM 掘進(jìn)效率的影響。

巖體所處的地質(zhì)環(huán)境主要是指地應(yīng)力環(huán)境、地下水環(huán)境以及其它導(dǎo)致不良地質(zhì)現(xiàn)象發(fā)生的內(nèi)外營力地質(zhì)作用等，是影響TBM 施工效率的主要因素。巖體性狀指標(biāo)主要包括巖體的完整性、巖石的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等，是影響TBM 掘進(jìn)效率的主要因素。巖體性狀對TBM施工適宜性的影響，主要反映在掘進(jìn)功效方面；而巖體所處地質(zhì)環(huán)境條件對TBM 施工適宜性的影響，則反映在施工進(jìn)度、效益甚至可行性等方面。一般情況下，隧洞圍巖質(zhì)量及其穩(wěn)定性等條件越好，越有利于TBM 施工，亦即圍巖工程地質(zhì)類別與TBM 施工適宜性之間是密切相關(guān)的。因此，TBM 施工的適宜性，應(yīng)以圍巖基本質(zhì)量分類為基礎(chǔ)，以巖體完整性、巖石強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力環(huán)境和不良地質(zhì)條件等為影響因素，結(jié)合TBM 系統(tǒng)集成及施工應(yīng)用特點(diǎn)綜合判定［2］。

而對于TBM施工掘進(jìn)巖體性狀的分析判斷，通過研究國內(nèi)外大量施工隧洞工程實(shí)例，目前有如下認(rèn)識［3，5-7］。

2.1 巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）

TBM 是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計(jì)的，抗壓強(qiáng)度的高低是影響TBM掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素之一。一定范圍內(nèi)，隨著巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度（Rc）的增大，TBM 掘進(jìn)速度、效率有不斷降低的趨勢。Rc太小，圍巖穩(wěn)定性差，影響掘進(jìn)速度；Rc太大，TMB 掘進(jìn)困難，效率低下。因此，TBM 比較適宜于在30 MPa≤Rc≤150 MPa 的中等堅(jiān)硬—堅(jiān)硬的地層中掘 進(jìn)，而Rc＞150 MPa 和Rc＜30 MPa 的 地 層，均 不 利 于TBM 的快速掘進(jìn)（見表1）。

表1 Rc與TMB施工工作條件對應(yīng)關(guān)系

2.2 巖石的耐磨性

國內(nèi)外大量TBM 施工隧洞的工程實(shí)踐表明，刀具的磨損情況對TBM 掘進(jìn)效率以及工程經(jīng)濟(jì)性影響很大。僅根據(jù)巖石抗壓強(qiáng)度來判斷和預(yù)測刀具的磨損情況是不夠的，巖石的耐磨性也是衡量刀具磨損情況的主要指標(biāo)之一。一般情況下，巖石的耐磨性越高，對TBM 刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴(yán)重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機(jī)換刀次數(shù)增加，影響TMB 正常掘進(jìn)，相應(yīng)的TBM 掘進(jìn)效率也就越低。采用與巖石單軸抗壓強(qiáng)度相關(guān)性較好的專用鋼針（CAI），以其針頭磨損值A(chǔ)b的大小來表征巖石的耐磨性，并根據(jù)Ab的大小將巖石的耐磨性級別分為5 級（見表2）。

表2 Ab與TMB施工工作條件對應(yīng)關(guān)系

2.3 巖體的完整性

巖體中結(jié)構(gòu)面（節(jié)理、層理、片麻理、斷層）的發(fā)育程度（即巖體完整性）是影響TBM 掘進(jìn)效率的又一重要地質(zhì)因素。一般情況下，當(dāng)巖體非常完整時，不利于TMB 掘進(jìn)，TBM 掘進(jìn)效率較低；當(dāng)巖體完整性較低時，TMB 掘進(jìn)效率較高；但當(dāng)結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育，巖體完整性很差，呈碎裂狀或散體狀，整體強(qiáng)度很低，作為工程圍巖已不具有自穩(wěn)性時，TMB掘進(jìn)效率也會很低。因此，巖體結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育或不發(fā)育時往往都不利于TBM 掘進(jìn)（見表3）。

表3 Kv與TMB施工工作條件對應(yīng)關(guān)系

2.4 其它因素

除了以上影響TBM 掘進(jìn)效率的主要地質(zhì)因素外，巖體主要結(jié)構(gòu)面與隧洞軸線的組合關(guān)系、圍巖的初始地應(yīng)力狀態(tài)以及地下水情況等對TBM 掘進(jìn)也有一定的影響。當(dāng)巖體主要結(jié)構(gòu)面與隧洞軸線夾角較大時，有利于掘進(jìn)速度的提高；與洞軸線平行或較小時，則圍巖容易坍塌或掉塊，不利于TBM 掘進(jìn)。當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)時，可能會發(fā)生巖爆或大的擠壓變形，造成TBM 掘進(jìn)困難。富水和涌水地段，圍巖強(qiáng)度和穩(wěn)定性會有不同程度的降低，同時可能惡化TMB 施工條件和工作環(huán)境，降低TMB 掘進(jìn)效率。

TBM 功效與巖體質(zhì)量之間的關(guān)系，已有許多可以類比借鑒的研究資料。圖1 是意大利3 個隧道的733 個數(shù)據(jù)總結(jié)的RMR 和PR 的關(guān)系，掘進(jìn)速度PR 和RMR 在統(tǒng)計(jì)上表現(xiàn)出很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，大致表現(xiàn)為一個上凸的曲線。最好的功效出現(xiàn)在中等巖體上（RMR 為40～70），而很差的巖體（RMR 小于30～40）或者太好的巖體（RMR 大于70～80）掘進(jìn)速度則較低。

綜上所述，對影響TBM 施工適宜性的巖體地質(zhì)環(huán)境條件進(jìn)行分析，如圖2 所示。

圖1 意大利3個隧道TBM掘進(jìn)速度（PR）與巖體質(zhì)量（RMR）之間的關(guān)系

圖2 影響TBM施工適宜性的巖體地質(zhì)環(huán)境條件分析

3 《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》對TBM施工地質(zhì)條件適宜性的考慮

在SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》編制過程中，我們結(jié)合最近若干年來隧洞TBM施工技術(shù)的研究成果，對TBM 施工地質(zhì)條件的適宜性進(jìn)行研究，編制了“附錄C”的內(nèi)容。

TBM 施工的適宜性，應(yīng)以工程地質(zhì)勘察成果及圍巖基本質(zhì)量分類為基礎(chǔ)，考慮巖體完整性、巖石強(qiáng)度、圍巖應(yīng)力環(huán)境和不良地質(zhì)條件等因素，結(jié)合TBM 系統(tǒng)集成及施工應(yīng)用特點(diǎn)綜合判定。如下列地質(zhì)條件目前可判定為不適宜采用TBM 施工：（1）以Ⅴ類圍巖為主的隧洞；（2）地應(yīng)力高、巖爆強(qiáng)烈或塑性變形大的圍巖；（3）水文地質(zhì)條件異常復(fù)雜，對施工進(jìn)度影響很大。

以GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》圍巖工程地質(zhì)分類為基礎(chǔ)，考慮巖體完整性（Kv）、巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）和圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比（S）等因素，結(jié)合水利水電工程隧洞TBM 施工經(jīng)驗(yàn)，并參考有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對隧洞TBM 施工的適宜性分級做出規(guī)定，將TBM施工的適宜性分為A——適宜、B——基本適宜、C——適宜性差等3 個級別，見表4［2］。

表4 隧洞TBM施工適宜性分級

4 TBM施工地質(zhì)

TBM 施工適宜性及其圍巖地質(zhì)分類方案，要把握關(guān)鍵影響因素，突出地質(zhì)條件和掘進(jìn)條件之間的相關(guān)性，重視前期地質(zhì)信息的利用和施工過程信息的反饋，并有利于現(xiàn)場快速運(yùn)用和分析。分類因素應(yīng)主要考慮：（1）地質(zhì)信息，包括前期勘察地面調(diào)查、鉆孔勘探、試驗(yàn)、測試、巖體地質(zhì)環(huán)境及巖體特性綜合分析、地質(zhì)條件分段分析評價、圍巖條件傳統(tǒng)分類分析等信息；（2）TBM掘進(jìn)信息，包括機(jī)械參數(shù)、掘進(jìn)班報、地質(zhì)觀察描述等信息。在前期勘察成果和TBM 選型研究等工作基礎(chǔ)上，由于掘進(jìn)機(jī)機(jī)械參數(shù)與巖體特性等地質(zhì)信息之間已存在一定的相關(guān)性，因此，機(jī)械參數(shù)可不作為TBM 施工圍巖地質(zhì)分類的主要因素，而只將掘進(jìn)過程中的掘進(jìn)速度（不是施工速度）等信息綜合考慮為一項(xiàng)影響因素；（3）將TBM 掘進(jìn)速度與地質(zhì)觀察描述信息相關(guān)聯(lián)，并與前期地質(zhì)勘察信息、超前探測信息、應(yīng)急處理設(shè)計(jì)等對比、分析，進(jìn)行修正。TBM 施工過程中，應(yīng)及時對隧洞圍巖地質(zhì)狀況及掘進(jìn)過程進(jìn)行觀察描述，以復(fù)核、修正前期勘察成果，并指導(dǎo)施工過程。