水工隧洞TBM施工適宜性圍巖分類研究

王玉杰，李秀文，曹瑞瑯，許振浩，陳炳瑞，張曉平

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；2.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南 250061；3.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071；4.武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072)

1 研究背景

水工隧洞掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，TBM)工法相較于鉆爆法施工對(duì)地質(zhì)條件更加敏感，圍巖的合理分類和評(píng)估是TBM工法的關(guān)鍵之一[1]。在水利和巖土工程行業(yè)中，現(xiàn)行規(guī)范《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2001)[2]、《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[3]、《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(SL 629—2014)[4]、《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50218—2014)[5]、《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 279—2016)[6]等都將圍巖分類作為重要內(nèi)容。然而，當(dāng)前主要評(píng)判因素是為隧洞圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)措施服務(wù)，適用于鉆爆法隧洞。鉆爆法與TBM施工原理和工作環(huán)境相差較大，圍巖破壞類型、加固措施差異明顯。TBM工法設(shè)計(jì)和施工的圍巖分類不僅取決于隧洞自然地質(zhì)因素，還與掘進(jìn)效率、掘進(jìn)參數(shù)等密切相關(guān)。因此，現(xiàn)有圍巖分類方法難以滿足TBM施工適宜性圍巖分類需求。

針對(duì)隧洞TBM工法圍巖分類，依托工程應(yīng)用國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列研究。典型成果有：Barton[7-8]綜合考慮巖機(jī)相互作用，基于圍巖分類Q系統(tǒng)建立了QTBM分類體系。Hassanpour等[1]結(jié)合設(shè)備參數(shù)和巖體力學(xué)參數(shù)，利用多元回歸分析提出了以現(xiàn)場(chǎng)貫入度指數(shù)(Field penetration index，F(xiàn)PI)為核心的TBM施工模型，將圍巖分為6個(gè)類別。何發(fā)亮等[9]根據(jù)影響TBM的巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、完整程度(裂隙化程度)、耐磨性和硬度四個(gè)主要地質(zhì)因素，考慮工程巖體可掘性要求，探索TBM施工圍巖分級(jí)；李春明等[10]根據(jù)影響掘進(jìn)效率的工程地質(zhì)因素，將TBM隧洞圍巖分為A、B、C三個(gè)級(jí)別。薛亞?wèn)|等[11]綜合考慮圍巖可掘性及TBM適應(yīng)性，以施工速度為指標(biāo)，建立基于掘進(jìn)性能的TBM施工圍巖綜合分級(jí)。司富安等[12]選取圍巖穩(wěn)定性、高地應(yīng)力風(fēng)險(xiǎn)、地下水風(fēng)險(xiǎn)、TBM施工圍巖可掘性等，提出一種TBM施工深埋水工長(zhǎng)隧洞圍巖綜合分類方案。吳鑫林等[13]運(yùn)用K中心聚類分析方法，將巖體可掘性分為6類，探討了不同巖體可掘性條件下TBM平均單刀推力、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速分布規(guī)律。盡管以上研究取得了前瞻性嘗試，但因工程數(shù)據(jù)來(lái)源和考慮因素相對(duì)單一，并未得到廣泛推廣。

鑒于現(xiàn)行規(guī)范缺少與水工隧洞TBM施工相適宜圍巖分類方法的現(xiàn)狀，本項(xiàng)研究通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)外不同行業(yè)圍巖分類指標(biāo)，結(jié)合TBM設(shè)備特點(diǎn)，考慮對(duì)安全高效施工影響關(guān)鍵的不良地質(zhì)條件，在各因素分類分級(jí)的基礎(chǔ)上，提出可量化的水工隧洞TBM施工適宜性圍巖分類方法，并依托工程進(jìn)行適用驗(yàn)證，可有效解決目前水工隧洞TBM無(wú)適宜的圍巖分類方法進(jìn)行圍巖評(píng)價(jià)、支護(hù)設(shè)計(jì)的困境。

2 TBM施工圍巖適宜性等級(jí)劃分

工程案例分析表明，TBM施工適宜性分類不再是僅關(guān)注巖性自身?xiàng)l件，更重要的是其對(duì)TBM掘進(jìn)效率的影響[14]，尤其是不利地質(zhì)條件影響。

引漢濟(jì)渭[15]、滇中引水[16]、引綽濟(jì)遼[17]等工程實(shí)踐中獲取了大量寶貴經(jīng)驗(yàn)。其中，最為普遍的規(guī)律是：若巖石單軸抗壓強(qiáng)度、耐磨性指數(shù)很高，刀具磨損量隨之增大，使掘進(jìn)效率受到嚴(yán)重影響[18]；巖爆、斷層破碎帶較嚴(yán)重，突涌水較多等均可能引起卡機(jī)，致使施工進(jìn)度受到影響。因此，考慮到TBM的安全性和掘進(jìn)效率，將TBM在不利地質(zhì)條件下的適用性分一般、中、差、極差四個(gè)等級(jí)，用數(shù)字1—4表示，見(jiàn)表1。

表1 TBM施工圍巖適宜性等級(jí)劃分

3 TBM施工適宜性圍巖分類

在《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)中巖體基本分類的基礎(chǔ)上，考慮掘進(jìn)效率和不良地質(zhì)條件對(duì)圍巖分類的影響，可確定TBM施工適宜性圍巖分類。由于影響TBM施工因素繁多，目前的分類方法考慮因素過(guò)細(xì)，而關(guān)鍵因素未考慮，造成分類方法不可靠，難以推廣。因此本文通過(guò)定量、定性分析不利地質(zhì)條件對(duì)掘進(jìn)效率的影響程度，將超硬巖等6個(gè)因素作為T(mén)BM施工適宜性圍巖分類的重要指標(biāo)。其不利地質(zhì)條件、特點(diǎn)及其對(duì)TBM施工影響統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

TBM施工適宜性圍巖分類采用符號(hào)ΧAiBj…Fk表示并確定。其中，X為圍巖基本類別，范圍為Ⅰ—Ⅴ類，根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50487—2008)確定；A，B，…，F(xiàn)為不利地質(zhì)條件分類，見(jiàn)表2；i，j，k=1，2，3，4為施工圍巖適宜性等級(jí)，見(jiàn)表1?；谠摲?hào)可在基本圍巖分類基礎(chǔ)上，清晰描述各不利地質(zhì)條件下TBM施工適宜性等級(jí)。

TBM施工適宜性圍巖分類突出水工隧洞TBM施工特點(diǎn)，梳理TBM掘進(jìn)效率及圍巖穩(wěn)定性的影響因素，具體量化TBM建造工程圍巖分類不利地質(zhì)條件，不僅能高效準(zhǔn)確完成圍巖分類，還可基于分類等級(jí)，確定相應(yīng)工程處理措施。

4 不利地質(zhì)條件對(duì)TBM施工影響定量分析

4.1 超硬巖隧洞施工遇到完整巖體時(shí)，TBM掘進(jìn)狀態(tài)主要受巖石堅(jiān)硬程度和磨蝕性影響。如何評(píng)定超硬巖(高耐磨蝕性巖)分類指標(biāo)，是TBM施工圍巖分類重點(diǎn)關(guān)注問(wèn)題?；趪?guó)內(nèi)外典型工程案例實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和TBM掘進(jìn)預(yù)測(cè)模型研究，超硬巖劃分類別的閾值考慮因素主要包括：巖石單軸抗壓強(qiáng)度(Rb)及TBM凈掘進(jìn)速度(Pr)、現(xiàn)場(chǎng)貫入度指數(shù)(FPI)的關(guān)系及敏感性、巖石磨蝕性與TBM刀具磨損程度[18-19]。

由圖1(a)Pr-Rb的關(guān)系曲線可以看出，對(duì)于RQD>90完整性良好的巖體，Pr隨Rb增大而減小，當(dāng)Rb>150 MPa后，Pr減小幅度趨緩。取Pr=0.5 m/h時(shí)，各曲線分別對(duì)應(yīng)的Rb為：Graham曲線[20](169.81 MPa)、Yagiz曲線[21](157.05 MPa)和杜立杰曲線[22](121.83 MPa)，平均值約為150 MPa。因此，超硬巖劃分可將Rb為150 MPa作為一個(gè)參考閾值。由圖1(b)FPI-Rb的關(guān)系曲線可以看出，F(xiàn)PI值變化與Rb呈正相關(guān)關(guān)系，在高強(qiáng)度區(qū)增長(zhǎng)更加明顯。取FPI=70(kN/cutter)/(mm/rev)時(shí)，各曲線分別對(duì)應(yīng)的Rb為：Hassanpour曲線[23](189.63 MPa)、Salimi曲線[24](241.27 MPa)和杜立杰曲線[22](172.05 MPa)，平均值為200.98 MPa，接近200 MPa。故將Rb為200 MPa作為超硬巖類別劃分的第二個(gè)參考閾值。

圖1 TBM掘進(jìn)狀態(tài)和巖石堅(jiān)硬程度的關(guān)系

完整性的硬巖除受地應(yīng)力或地下水等地質(zhì)環(huán)境因素影響外，巖石堅(jiān)硬程度和摩擦性是影響TBM施工效率的主要因素?；趲r石單軸抗壓強(qiáng)度(Rb)、摩擦性指數(shù)(CAI)對(duì)TBM施工影響的特點(diǎn)，將超硬巖劃分為兩類：(1)由巖石堅(jiān)硬程度決定；(2)由巖石堅(jiān)硬程度和摩擦性共同決定，見(jiàn)表3。超硬巖TBM施工可根據(jù)表3進(jìn)行有效分類，合理選擇TBM設(shè)備的刀盤(pán)刀具硬度、剛度以及材質(zhì)等，科學(xué)安排施工進(jìn)度。A3等級(jí)圍巖洞段的TBM施工條件差，需要專門(mén)研究滾刀材料、刀刃寬度、布置間距以及刀具防磨蝕措施等；A4等級(jí)圍巖洞段的TBM施工條件極差，需在A3等級(jí)圍巖措施基礎(chǔ)上，研究輔助破巖方式，進(jìn)而提高破巖效率并減弱刀具的損耗[18]。

表3 超硬巖類別劃分

4.2 巖爆巖爆嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起圍巖塌方，引發(fā)TBM掘進(jìn)受阻、卡機(jī)等問(wèn)題，嚴(yán)重影響隧洞的安全施工和掘進(jìn)效率[25]?！端姽こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)中巖爆等級(jí)按兩個(gè)階段劃分，即勘察設(shè)計(jì)階段和施工階段。

勘察設(shè)計(jì)階段，因可獲取數(shù)據(jù)有限，所以可采用巖石強(qiáng)度應(yīng)力比來(lái)判定巖爆等級(jí)，劃分標(biāo)準(zhǔn)符合表4的規(guī)定。

表4 TBM施工適宜性圍巖分類：巖爆(勘察設(shè)計(jì)階段)

設(shè)計(jì)階段通常根據(jù)巖爆的不同特征進(jìn)行劃分，對(duì)其進(jìn)行更細(xì)致的劃分，將主要現(xiàn)象的描述分為圍巖破壞特征、聲響特征、爆坑深度和影響程度等因素。鑒于十多年來(lái)巖爆的研究[26]，微震監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為巖爆防治的重要手段，并在眾多巖爆工程中得到了應(yīng)用并取得了顯著效果；基于錦屏Ⅱ級(jí)水電站引水隧洞、川藏鐵路巴玉隧洞、巴基斯坦NJ水電工程引水隧洞等國(guó)內(nèi)外大型巖石工程微震監(jiān)測(cè)成果經(jīng)驗(yàn)，可引入巖爆輻射能量作為巖爆等級(jí)劃分的依據(jù)之一，從更多角度描述不同等級(jí)巖爆特征。為此，在施工階段，巖爆TBM施工適宜性分類主要考慮：聲響特征、破裂特征、爆坑最大深度和支護(hù)破壞程度等，有微震監(jiān)測(cè)的，還考慮巖爆輻射能量，其劃分標(biāo)準(zhǔn)可按照表5的規(guī)定。

表5 TBM施工適宜性圍巖分類：巖爆(施工階段)

4.3 斷層破碎帶TBM掘進(jìn)隧洞當(dāng)遭遇斷層破碎帶，會(huì)在一定程度上加大開(kāi)挖施工難度，由于巖體強(qiáng)度低、完整性差，易出現(xiàn)塌方、變形、突泥突水等問(wèn)題，存在較大的施工風(fēng)險(xiǎn)，影響掘進(jìn)效率[27]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際施工過(guò)程中多以斷層破碎帶寬度不同采取不同的施工措施。對(duì)TBM正常通過(guò)、注漿加固圍巖通過(guò)、采用加固方式處理卡機(jī)(未開(kāi)挖導(dǎo)洞或施作管棚)、施作管棚或開(kāi)挖導(dǎo)洞等方式處理卡機(jī)等4種TBM施工狀態(tài)所遭遇的斷層破碎帶寬度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 不同TBM施工狀態(tài)所遭遇斷層破碎帶寬度統(tǒng)計(jì)

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：(1)當(dāng)斷層破碎帶寬度小于2 m時(shí)，TBM能順利通過(guò)；(2)當(dāng)斷層破碎帶寬度為2～<15 m，TBM掘進(jìn)過(guò)程中具有一定的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，但采取預(yù)注漿加固圍巖等方式能保證TBM順利通過(guò)；(3)當(dāng)斷層破碎帶寬度為15～<30 m時(shí)，TBM具有較大的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)際施工中采用注漿加固方式基本能處理卡機(jī)；(4)當(dāng)斷層破碎帶寬度大于等于30 m時(shí)TBM施工狀態(tài)急劇惡化，一般需人工開(kāi)挖導(dǎo)洞、TBM步行通過(guò)，必要時(shí)采用鉆爆法開(kāi)挖、TBM滑行方式通過(guò)。

因此，斷層破碎帶分級(jí)考慮以遭遇斷層破碎帶時(shí)采取的施工措施和針對(duì)卡機(jī)事故的處理措施作為斷層破碎帶分級(jí)的檢驗(yàn)指標(biāo)，將寬度作為T(mén)BM施工遭遇斷層破碎帶時(shí)施工適用性的劃分依據(jù)。斷層破碎帶TBM施工適宜性等級(jí)劃分見(jiàn)表6。

表6 斷層破碎帶TBM施工適宜性圍巖分類

4.4 大變形圍巖圍巖變形問(wèn)題歷來(lái)受到工程界的高度重視[28-29]，圍巖大變形會(huì)導(dǎo)致TBM刀盤(pán)被卡或者護(hù)盾被卡等，嚴(yán)重影響掘進(jìn)速度。綜合考慮隧洞圍巖變形和國(guó)內(nèi)外敞開(kāi)式TBM護(hù)盾受力特點(diǎn)(見(jiàn)圖3)，為合理評(píng)估大變形圍巖TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，基于TBM潛在卡機(jī)狀態(tài)確定其施工適宜性分類標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 TBM掘進(jìn)狀態(tài)和圍巖大變形示意圖

根據(jù)圍巖變形判據(jù)、護(hù)盾受力判據(jù)確定大變形圍巖TBM施工適宜性分類。第一步，對(duì)比圍巖變形量u、預(yù)留變形量ΔR的大小關(guān)系，建立圍巖變形判據(jù)；第二步，對(duì)比護(hù)盾摩阻力FP、TBM極限推力FT的大小關(guān)系，建立護(hù)盾受力判據(jù)[30]。分類標(biāo)準(zhǔn)流程見(jiàn)圖4，最終綜合起來(lái)形成表7的等級(jí)劃分。

圖4 分類標(biāo)準(zhǔn)流程

表7 大變形圍巖TBM施工適宜性分類標(biāo)準(zhǔn)劃分

4.5 突涌水(涌泥)突涌水(涌泥)的發(fā)生將嚴(yán)重影響施工安全和施工進(jìn)度，是影響TBM圍巖分類的關(guān)鍵因素之一。在TBM圍巖分類中考慮突涌水(涌泥)不良地質(zhì)條件的影響，可以基于施工反饋信息動(dòng)態(tài)修正和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，是隧洞修建過(guò)程中減少損失和風(fēng)險(xiǎn)控制的有效途徑。

針對(duì)突涌水(涌泥)圍巖敞開(kāi)式TBM適宜性分類，根據(jù)巖層傾角及地下水位與隧洞底板間的高差等指標(biāo)將突涌水災(zāi)害等級(jí)分為4個(gè)等級(jí)，見(jiàn)表8。

表8 TBM施工適宜性圍巖分類：突涌水(涌泥)

4.6 高外水壓力高外水壓力是深埋隧洞存在的一個(gè)主要工程地質(zhì)問(wèn)題。其危害主要有幾個(gè)方面：高外水壓力導(dǎo)致施工過(guò)程中發(fā)生涌水，影響TBM正常施工；伴隨著高壓涌水，斷層破碎帶或裂隙中的充填物并沖蝕，從而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性；過(guò)高的外水壓力作用在襯砌上，可能導(dǎo)致混凝土襯砌發(fā)生破壞。

外水壓力達(dá)到何種量級(jí)算是高外水壓力，目前并沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)收集到大量現(xiàn)場(chǎng)資料來(lái)評(píng)價(jià)，可從隧洞出水狀態(tài)、混凝土襯砌允許承受的外水壓力兩個(gè)方面進(jìn)行規(guī)定。將高外水壓力風(fēng)險(xiǎn)劃分為0.5～<1.0 MPa(一般風(fēng)險(xiǎn))、1.0～<5.0 MPa(中等風(fēng)險(xiǎn))、大于等于5.0 MPa(高風(fēng)險(xiǎn))等3個(gè)級(jí)別。高外水壓力圍巖的TBM施工適用性等級(jí)劃分可參照表9。

表9 TBM施工適宜性圍巖分類：高外水壓力

5 工程應(yīng)用

新疆某長(zhǎng)距離輸水隧洞長(zhǎng)度為41.82 km，地形地質(zhì)條件較為復(fù)雜，主要采用鉆爆法、TBM施工。其中樁號(hào)37+653—38+538洞段為蝕變巖，圍巖埋深近800 m，依據(jù)蝕變程度不同，采用基本圍巖分類方法以IV類圍巖為主。

TBM為敞開(kāi)式，可擴(kuò)挖出的最大預(yù)留變形量為300 mm。刀盤(pán)直徑：6530 mm，變徑后直徑：6830 mm。根據(jù)施工洞段地勘資料和設(shè)計(jì)方案，得到大變形圍巖TBM施工適宜性分類的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表10[30]。

表10 大變形TBM施工適宜性分類參數(shù)表

由圍巖變形判據(jù)可知，圍巖變形量u大于預(yù)留變形量ΔR，因此需對(duì)護(hù)盾力進(jìn)行判別。采用公式計(jì)算得到摩阻力Fp為28 970 kN，與FT對(duì)比后，滿足FT≤Fp≤2FT。通過(guò)計(jì)算分析可知，該TBM施工洞段的大變形圍巖分類等級(jí)為D3。應(yīng)用水工隧洞TBM施工適宜性圍巖分類方法逐項(xiàng)對(duì)該段進(jìn)行分類(見(jiàn)表11)，并提出相應(yīng)的施工建議。

表11 TBM施工適宜性圍巖分類統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)上述分析，該段TBM施工適宜性分類結(jié)果為IVC2D3E3，考慮該段卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)較高。綜合不利地質(zhì)條件下施工建議：(1)圍巖提前預(yù)注漿加固，TBM緩慢通過(guò)；(2)如卡機(jī)嚴(yán)重，人工開(kāi)挖導(dǎo)洞，TBM繞行通過(guò)。

工程實(shí)際中超前采用化灌技術(shù)固結(jié)塌落體，掌子面以及頂拱180°范圍內(nèi)，通過(guò)堵水和加固，盡快形成承載拱。TBM行進(jìn)過(guò)程中，雖然出現(xiàn)輕微卡機(jī)現(xiàn)象，由于施工措施得當(dāng)，成功脫困。理論實(shí)踐表明，本文的水工隧洞TBM施工適宜性分類研究是合理有效的。

6 結(jié)論

圍巖分類是水工隧洞TBM設(shè)計(jì)施工的基本依據(jù)，建立與TBM掘進(jìn)特點(diǎn)相適應(yīng)的圍巖分類方法尤為重要，本研究主要結(jié)論如下：

(1)在隧洞圍巖基本分類的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)考慮TBM掘進(jìn)效率和不良地質(zhì)條件，構(gòu)建了水工隧洞TBM施工適宜性圍巖分類方法；

(2)通過(guò)大量工程案例數(shù)據(jù)分析超硬巖、巖爆、斷層破碎帶、大變形、突涌水(涌泥)和高外水壓力六個(gè)關(guān)鍵因素對(duì)TBM施工的影響，提出了可量化圍巖分類指標(biāo)；

(3)工程實(shí)踐表明，TBM施工適宜性圍巖分類方法能夠?qū)崿F(xiàn)分類快捷、評(píng)價(jià)合理，且操作性較強(qiáng)，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。