基于對TBM隧道施工影響的斷層帶初步分級

龔秋明，王 瑜，盧建煒，吳 帆，許弘毅，班 超

(北京工業(yè)大學(xué) 城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)是一種靠刀盤旋轉(zhuǎn)破巖推進(jìn)，隧道支護(hù)與出渣同時(shí)進(jìn)行，并使隧道全斷面一次成形的大型機(jī)械[1]。它具有速度快、質(zhì)量優(yōu)、費(fèi)用低、施工安全等優(yōu)點(diǎn)，有很好的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、水電、城市地鐵、越江和海底等隧道工程，也正成為我國今后長大隧道建設(shè)最主要的施工方法[2]。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和前期地質(zhì)勘察的局限性，TBM在施工過程中經(jīng)常會(huì)遇到突發(fā)的不利地質(zhì)條件，斷層破碎帶是其中很常見的一種，TBM遇到斷層破碎帶時(shí)如果處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。如，青海引大濟(jì)湟隧道工程在穿越大阪山南緣斷裂帶時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的圍巖大變形，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)被卡[3]；厄瓜多爾科卡科多水電站雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)時(shí)遇到斷層破碎帶導(dǎo)致圍巖塌方及刀盤堵塞造成卡機(jī)事故[4]；伊朗扎格羅斯輸水隧道采用的雙護(hù)盾TBM在穿越扎格羅斯山脈時(shí)遇到斷層破碎帶，導(dǎo)致刀盤和護(hù)盾被卡8個(gè)月[5]。

根據(jù)學(xué)者們的研究，斷層破碎帶對TBM的主要影響有[6-8]：①開挖后掌子面及拱頂坍塌，將TBM刀盤埋入，刀盤旋轉(zhuǎn)困難；②存在大量節(jié)理和軟弱的巖體結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致隧道超挖；③隧道邊墻坍塌，撐靴支撐力不夠；④給噴錨支護(hù)帶來困難；⑤圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)易產(chǎn)生震動(dòng)，影響刀具的使用壽命，增加刀具消耗；⑥當(dāng)圍巖軟硬不均時(shí)可能會(huì)引起TBM機(jī)體的擺動(dòng)增加，給掘進(jìn)方向的控制帶來困難；⑦為地下水的涌入提供了通道，如存在涌水則會(huì)由于水壓作用導(dǎo)致掌子面發(fā)生坍塌，嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹埋刀盤及機(jī)體。

從斷層破碎帶對TBM施工參數(shù)的影響來說，斷層破碎帶的存在使得圍巖破碎，巖體強(qiáng)度降低，有利于TBM的破巖作用，會(huì)增加TBM掘進(jìn)速度[9]。但會(huì)降低掌子面以及圍巖的穩(wěn)定性，掌子面的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致TBM刀盤堵塞，刀盤震動(dòng)加劇，圍巖的不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致臨時(shí)支護(hù)的要求變高，這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致TBM掘進(jìn)時(shí)間的下降，從而會(huì)降低TBM施工進(jìn)度[10-11]。

為解決斷層破碎帶對TBM施工造成的諸多影響，主要從三個(gè)方面采取措施[12]：①選擇合適的TBM類型：護(hù)盾式TBM比敞開式TBM更適合掘進(jìn)通過斷層破碎帶。②提升圍巖的穩(wěn)定性。在TBM刀盤后方立即采用鋼拱架，木板和噴射混凝土支護(hù)、對掌子面巖體進(jìn)行灌漿處理、超前管棚支護(hù)、采用傳統(tǒng)鉆爆法從TBM兩側(cè)開挖導(dǎo)洞通過斷層破碎帶。③TBM施工參數(shù)優(yōu)化。采用小推力、低轉(zhuǎn)速、小行程、快速掘進(jìn)的方法，盡可能減少對圍巖的擾動(dòng)。

TBM施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)是在特定地質(zhì)條件下TBM與圍巖相互作用情況的真實(shí)反映，通過收集TBM掘進(jìn)通過斷層破碎帶時(shí)的施工數(shù)據(jù)可以更全面、準(zhǔn)確的探討斷層對于TBM隧道施工的影響。然而，目前從這一方面研究斷層對TBM掘進(jìn)參數(shù)影響的文章較少。本文基于吉林引松供水工程四標(biāo)TBM施工段和引漢濟(jì)渭嶺北TBM施工段建立的TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)庫將斷層進(jìn)行分級，研究不同等級斷層對于TBM掘進(jìn)參數(shù)的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

吉林引松供水工程是由豐滿水庫調(diào)水至吉林省中部城市的長距離跨流域城鎮(zhèn)供水工程?？偢删€TBM段全長69.855 km，埋深主要集中在50～100 m，最大埋深為260 m。根據(jù)線路特點(diǎn)共有3臺TBM同時(shí)施工，本文主要研究四標(biāo)段TBM施工段，里程樁號為K51+705～K71+476，共19 771 m。此樁號范圍內(nèi)TBM穿越地層巖性以花崗巖、灰?guī)r、閃長巖、板巖、砂巖為主，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度以40～80 MPa為主，巖體完整性指數(shù)以0.41～0.70為主。

陜西省引漢濟(jì)渭工程是陜西省針對關(guān)中地區(qū)嚴(yán)重缺水的情況而規(guī)劃的省內(nèi)南水北調(diào)跨流域調(diào)水工程。隧道全長81.580 km，洞身最大埋深2 000 m，越嶺段采用2臺TBM施工，施工總長度39 290 m。本文主要研究嶺北段TBM施工段，里程樁號范圍為K51+896～K62+578，共10 682 m。此樁號范圍內(nèi)TBM穿越地層巖性以千枚巖為主，含少量變砂巖和角閃石英片巖，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度以18～71 MPa為主，巖體完整性指數(shù)以0.35～0.70為主。

1.2 TBM設(shè)計(jì)參數(shù)

吉林引松工程四標(biāo)段TBM是我國自主研制的首臺敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)，刀盤直徑為7.93 m，刀盤安裝滾刀56把，中心刀為17英寸雙刃盤形滾刀，共計(jì)8把，正滾刀和邊刀均為19英寸單刃盤形滾刀，共計(jì)48把。

引漢濟(jì)渭嶺北段TBM為德國Herrenknecht公司生產(chǎn)的型號S-795敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)，分塊式刀盤設(shè)計(jì)。刀盤直徑為8.06 m，刀盤安裝滾刀50把，全部為19英寸盤形滾刀，中心刀為雙刃盤形滾刀，共計(jì)8把，正滾刀和邊刀均為單刃盤形滾刀，共計(jì)42把。2臺TBM的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 TBM主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫

吉林引松四標(biāo)段TBM施工段和引漢濟(jì)渭嶺北段TBM施工段洞徑相近，TBM設(shè)計(jì)參數(shù)具有一定的相似性，在研究斷層破碎帶對TBM施工參數(shù)的影響時(shí)，把兩條隧洞的數(shù)據(jù)合并成一個(gè)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中收集2條隧道的參數(shù)：①TBM掘進(jìn)參數(shù)；②TBM掘進(jìn)過程地質(zhì)編錄；③TBM施工記錄。

通過TBM每個(gè)步進(jìn)自動(dòng)記錄的掘進(jìn)數(shù)據(jù)平均值，整理得到TBM在相應(yīng)里程的掘進(jìn)參數(shù)，包括TBM刀盤推力、扭矩、轉(zhuǎn)速和TBM貫入度P以及每個(gè)步進(jìn)運(yùn)行時(shí)間，結(jié)合TBM每日掘進(jìn)時(shí)間和TBM刀具更換數(shù)量，可得

Fn=F/刀具數(shù)量

(1)

U=掘進(jìn)時(shí)間/當(dāng)班時(shí)間×100%

(2)

PR=P×RPM×60/1 000

(3)

AR=PR×U×24

(4)

式中：Fn為TBM單刀推力，kN；F為TBM刀盤推力，kN；U為TBM利用率，%；PR為TBM掘進(jìn)速度，m/h；P為TBM貫入度，mm/r；RPM為TBM刀盤轉(zhuǎn)速，r/mm；AR為TBM每日施工進(jìn)度，m/d。

收集TBM掘進(jìn)過程地質(zhì)編錄，并進(jìn)行整理分析可以得到TBM掘進(jìn)過程中斷層出露的里程范圍、斷層的寬度、產(chǎn)狀、填充物和含水情況等詳細(xì)資料。2條隧道的TBM掘進(jìn)過程中共遇到斷層34條，斷層帶寬度范圍為5～220 cm，大多數(shù)斷層與隧道軸線大角度相交，斷層填充物以斷層泥和斷層角礫為主，收集并分析了隧道沿線出露的地層巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、地下水情況和圍巖級別。統(tǒng)計(jì)并分析了施工方的TBM施工記錄，得到TBM遇到不同規(guī)模斷層時(shí)隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定情況和施工方為了保持隧道穩(wěn)定所采取的臨時(shí)支護(hù)形式和處理辦法，以及TBM遇到涌水涌泥、溶洞等不良地質(zhì)條件和發(fā)生機(jī)械故障的里程范圍。

數(shù)據(jù)庫將收集到的數(shù)據(jù)分:①TBM掘進(jìn)的“正常區(qū)域”。為研究里程范圍內(nèi)TBM掘進(jìn)過程中沒有遇到斷層、涌水涌泥、溶洞等不良地質(zhì)條件和發(fā)生機(jī)械故障的里程段；②“斷層區(qū)域”，為TBM掘進(jìn)過程中遇到斷層的里程段，見表2。

表2 TBM掘進(jìn)過程中遇到的斷層

3 斷層對TBM利用率的影響分級

斷層作為TBM施工中常見的不利地質(zhì)條件，其對TBM掘進(jìn)影響較小，但對掌子面及隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，如果處理不當(dāng)會(huì)造成TBM施工進(jìn)度延誤，甚至有可能出現(xiàn)TBM卡機(jī)和被埋的情況，其影響大小與斷層寬度、產(chǎn)狀、填充物和含水情況有關(guān)。TBM利用率U是機(jī)器對地層的適應(yīng)性、施工管理以及不利事故造成的延誤的綜合反映，反映了TBM在不同巖體條件下的使用效率。利用率可以較好的反映出斷層對TBM施工的影響。斷層寬度是斷層兩側(cè)斷盤位移的距離，體現(xiàn)了斷層的發(fā)育規(guī)模，是影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；斷層產(chǎn)狀決定斷層與隧道軸線的空間位置關(guān)系，是影響隧道穩(wěn)定性的次要因素。因此本文以TBM在不同斷層寬度和產(chǎn)狀區(qū)域下的利用率大小作為劃分?jǐn)鄬拥燃壍囊罁?jù)。在TBM利用率的選取上，Barton[13]的研究表明，TBM利用率的大小與選擇的時(shí)間跨度有關(guān)系。對于具有相同PR值的同一條隧道的同一臺TBM，Ud>U周>U月>U年，因?yàn)闀r(shí)間跨度越大，TBM遇到各種不利地質(zhì)條件以及發(fā)生機(jī)械故障的可能性越大，因此，在計(jì)算TBM利用率的時(shí)候需要說明選擇的時(shí)間跨度?？紤]到TBM每天都有相應(yīng)的換班時(shí)間和保養(yǎng)時(shí)間，也為了能夠排除機(jī)械故障對利用率的影響，本文采取的利用率為Ud。

3.1 斷層寬度對TBM利用率的影響

將斷層寬度B和TBM利用率Ud通過SPSS統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行非線性回歸分析，可知斷層寬度B和TBM利用率Ud呈現(xiàn)出顯著的指數(shù)函數(shù)的關(guān)系為

Ud=34×e(-B/41)+10R2=0.74

(5)

式中：R為相關(guān)系數(shù)。

斷層寬度B和TBM利用率Ud的關(guān)系見圖1。由圖1可知，斷層寬度B為5～220 cm，TBM利用率Ud范圍為10%～45.7%。隨著斷層寬度的增大，TBM利用率呈現(xiàn)出下降的趨勢。曲線整體可以劃分為3段，以斷層寬度B=50 cm和B=200 cm為臨界點(diǎn)，第一段為陡降段，第二段為過渡段，第三段為緩降段。斷層寬度B<50 cm時(shí)，TBM利用率隨著斷層寬度的增大迅速減小，數(shù)值由45.7%減小到20%；當(dāng)斷層寬度為50～200 cm時(shí)，TBM利用率隨著斷層寬度的增大而緩慢減小，數(shù)值由20%減小到10%；斷層寬度B>200 cm時(shí)，TBM利用率將會(huì)降低到10%以下且保持平穩(wěn)。由于數(shù)據(jù)庫中最大的斷層寬度B=220 cm，若斷層寬度進(jìn)一步增大，將有可能發(fā)生TBM卡機(jī)或被埋的情況，TBM利用率降低至0。

圖1 斷層寬度和TBM利用率Ud的關(guān)系

在第一段曲線中，當(dāng)斷層寬度B<10 cm時(shí)，TBM利用率大于40%，且變化幅度小，對TBM施工基本沒有影響，可以單獨(dú)劃分。當(dāng)斷層寬度B>220 cm時(shí)，因所在工程沒有詳細(xì)案例，本文從相關(guān)文獻(xiàn)中收集斷層導(dǎo)致TBM卡機(jī)的施工案例，完善數(shù)據(jù)庫，從而界定出會(huì)導(dǎo)致TBM卡機(jī)的斷層寬度范圍，見表3。由表3可知，斷層寬度B=800 cm時(shí)為一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)斷層寬度B>800 cm時(shí)，TBM會(huì)發(fā)生卡機(jī)的事故，此時(shí)TBM利用率降低為0。因此，按斷層對TBM施工利用率的影響從小到大可分成5級，即斷層寬度B<10 cm、10～50 cm、50～200 cm、200～800 cm、B≥800 cm。

表3 斷層導(dǎo)致TBM卡機(jī)的施工案例

3.2 斷層產(chǎn)狀對TBM利用率的影響

從圖1可以看出，當(dāng)斷層寬度B<50 cm時(shí)，TBM利用率并不總是隨著斷層寬度的增大而減小，而是具有很大的離散性，利用率的變化范圍比較大。主要原因是斷層與隧道軸線夾角α對TBM利用率有較大影響。因數(shù)據(jù)庫中的斷層寬度樣本主要集中在B<50 cm的區(qū)間，因此本文只研究此區(qū)間下斷層面與隧道軸線夾角α對TBM利用率的影響。斷層與隧道軸線夾角為

α=arcsin(sinαd·sinαt-αs)

(6)

式中：αd為斷層傾角；αt為隧道軸向；αs為斷層走向。

將10 cm作為一個(gè)區(qū)間寬度，把斷層寬度分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm共5個(gè)區(qū)間，研究不同斷層寬度區(qū)間下，斷層面與隧道軸線夾角對TBM利用率的影響，見圖2。由圖2可知，在不同斷層寬度區(qū)間下，TBM利用率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。當(dāng)斷層寬度B<10 cm時(shí)，TBM利用率隨α的增加變化不大，但其數(shù)值明顯大于其他區(qū)間的利用率；當(dāng)斷層寬度B=10～50 cm的任意一個(gè)區(qū)間時(shí)，TBM利用率的數(shù)值和變化趨勢均有一定的相似性，TBM利用率隨著α的增大而增大，并且α≥45°時(shí)TBM利用率明顯大于α<45°時(shí)TBM利用率。

圖2 斷層面與隧道軸線夾角和利用率的對應(yīng)關(guān)系

3.3 斷層對TBM隧道施工影響分級

斷層寬度和斷層與隧道軸線夾角均對TBM利用率有顯著影響。斷層寬度為主要控制因素，斷層與隧道軸線夾角為次要控制因素，斷層寬度位于B<10、10～50、B=50～200、200～800、B≥800 cm這5個(gè)區(qū)間時(shí)，TBM利用率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢?；诖?，將斷層對TBM隧道施工的影響分為5個(gè)等級，等級越高表示斷層發(fā)育規(guī)模越大，相應(yīng)的TBM利用率越低。每個(gè)等級斷層的寬度，斷層面與隧道軸線的夾角α以及相應(yīng)的TBM利用率，見表4。

表4 斷層分級以及相應(yīng)的TBM利用率

4 不同等級斷層對TBM掘進(jìn)參數(shù)的影響分析

為分析比較不同等級斷層對于TBM掘進(jìn)參數(shù)的影響，將TBM在“正常區(qū)域”和Ⅴ—Ⅱ級斷層區(qū)域的單刀推力、刀盤扭矩T、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、掘進(jìn)速度和施工進(jìn)度的均值進(jìn)行比較，Ⅰ級斷層會(huì)導(dǎo)致TBM卡機(jī)，各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)均為0。

推力是影響刀盤貫入度大小的主要因素之一，推力越大，貫入度往往越大，但是隨著斷層級別的增大，TBM單刀推力變小，貫入度卻變大，見圖3。由圖3可見，斷層的存在使得斷層周圍巖體變得破碎，降低了巖體的強(qiáng)度從而有利于TBM的破巖作用，并且斷層級別越高，此作用越明顯。

圖3 巖體條件和單刀推力、刀盤貫入度的關(guān)系

隨著斷層等級升高，斷層寬度增加，刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速均有小幅度的下降，二者的降低可以減小TBM對圍巖的擾動(dòng)，從而有利于保持隧道的穩(wěn)定性。刀盤轉(zhuǎn)速除受地質(zhì)條件影響外還受到刀盤直徑的影響，吉林引松四標(biāo)TBM刀盤直徑要略小于引漢濟(jì)渭嶺北段TBM刀盤直徑，因此吉林引松四標(biāo)段TBM刀盤轉(zhuǎn)速要略大于引漢濟(jì)渭嶺北段TBM刀盤轉(zhuǎn)速，見圖4。

圖4 巖體條件和刀盤扭轉(zhuǎn)、刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系

隨著斷層等級的提高，TBM掘進(jìn)速度PR有小幅度升高，其數(shù)值在3～4 m/h之間，比正常巖體區(qū)域略高，說明斷層的存在促進(jìn)了TBM的破巖作用，在此區(qū)域需仔細(xì)判斷巖體條件的變化，確認(rèn)斷層的大小。斷層對于TBM施工進(jìn)度AR具有明顯的減弱作用，并且隨著斷層等級的提高，減弱作用越明顯，這主要是由于“斷層區(qū)域”隧道拱頂經(jīng)常有落石下落，施工單位會(huì)增設(shè)臨時(shí)支護(hù)來保證隧道的穩(wěn)定性，導(dǎo)致TBM利用率降低，延誤施工進(jìn)度，見圖5。

圖5 巖體條件和掘進(jìn)速度PRTBM施工進(jìn)度AR的關(guān)系

5 結(jié)論

基于吉林引松供水工程四標(biāo)段TBM施工段、引漢濟(jì)渭嶺北隧道TBM施工段及收集到的大規(guī)模斷層TBM施工案例，建立了TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫，以施工中遇到的斷層對TBM施工利用率的影響為基礎(chǔ)對斷層進(jìn)行了初步分級，并研究了不同等級斷層對于TBM單刀推力Fn、貫入度P、刀盤扭矩T、刀盤轉(zhuǎn)速RPM、掘進(jìn)速度PR及施工進(jìn)度AR的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)隨著斷層寬度的增大，TBM利用率呈現(xiàn)出下降的趨勢，二者呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。斷層面與隧道軸線夾角對TBM利用率的影響只有在斷層寬度處于一定范圍才明顯。

(2)不同等級的斷層對TBM掘進(jìn)參數(shù)具有顯著的影響，斷層級別越高，TBM單刀推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、施工進(jìn)度越小，同樣推力的貫入度越大，對TBM破巖越有利，但是會(huì)降低TBM利用率，從而延誤施工進(jìn)度。

本文建立的TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫所包含的隧道洞徑均在8 m左右，沒有考慮不同洞徑和地應(yīng)力對于TBM掘進(jìn)的影響。另外因數(shù)據(jù)庫中大斷層的數(shù)據(jù)不詳盡，得出的結(jié)論具有一定的局限性，下一步工作應(yīng)該擴(kuò)展斷層數(shù)據(jù)庫的樣本，以便獲取更有普遍意義的結(jié)論。