影響TBM可行性論證的主要地質因素及對策

焦振華

(陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安710001)

1 概述

TBM隧洞施工技術具有高效、優質、安全、經濟、對巖體擾動小、有利于環境保護和降低勞動強度等優點，但由于其設備復雜，一次性投入大，成本較高，對地質因素的應變能力差，加之長引水隧洞地質條件的復雜性和多樣性，目前還沒有能適應各種地質條件的所謂萬能TBM，只能做到大部分或絕大部分地質條件的適應和基本適應。因此在決定采用TBM方法施工之前，一般都要經過反復論證，特別是對于作為重點工程的長引水隧洞，盡管可行性論證包括設備性能、工程造價及地質條件等眾多內容，但最為重要的往往是地質條件。因此，探討影響TBM施工的主要地質因素及對策，對促進TBM施工技術具有重要的意義。

2 影響TBM可行性論證的主要地質因素

初步設計階段影響TBM可行性論證的是引水隧洞圍巖總體地質條件是否適宜采用TBM施工，施工圖階段影響TBM可行性論證的主要是隧洞圍巖的穩定性、堅硬程度對TBM掘進效率的影響。

2.1 影響TBM施工的引水隧洞圍巖地質條件

初步設計階段若地質勘察表明，隧洞圍巖處于如下地質環境時，不適宜采用TBM掘進或TBM掘進時將碰到很大困難。

(1)山巖壓力大的塑性軟弱圍巖，這類圍巖因強度低而圍壓高易產生大的縮徑變形。

(2)類砂性土構成的軟弱圍巖和具中強等以上膨脹性圍巖段，一般也不宜采用TBM掘進，特別不宜采用開敞式TBM掘進。

(3)斷層破碎帶。主要指那些由碎裂巖與斷層泥構成的寬大斷層帶，此帶不但圍巖自穩定性差或無自穩能力，而且大多富水，因此也不宜采用TBM掘進。若其位于隧洞中部，宜使用常規法開挖再用TBM通過，或采取其它輔助措施對破碎巖預注漿加固后，才能使用TBM，以避免埋機、陷機和卡機等事故。

(4)涌、漏水嚴重地段。若圍巖為軟弱巖層、斷層帶，嚴重的柱狀涌水、漏水將大大惡化圍巖的工程地質條件，一般不宜采用TBM掘進。若采用TBM，將會發生開挖工作面坍落、坍拱等問題，TBM很難推進;若涌漏水段圍巖為硬質巖一般對TBM掘進有影響，但不致危及圍巖穩定及機具的安全，但當嚴重柱狀涌水、漏水區段較長或反復出現，也將大大增加TBM推進的難度。

(5)強烈巖溶發育帶。當隧洞穿過巖溶強烈發育段，隧洞將極可能遭遇巨大的巖溶洞穴，充填溶洞或充水溶洞(如暗河通道等)，TBM掘進或通過都將極為困難，嚴重時有可能發生掉機、陷機、埋機等事故。

(6)匯水構造地段。如向斜構造核部，地下水豐富時，易發生埋機事故，特別是由巖溶發育的可溶巖和斷層破碎帶組成的向斜核部往往會出現嚴重事故。

2.2 影響TBM掘進效率的主要地質因素

TBM效率能否充分發揮，主要決定于掘進巖石的強度、硬度、結構面的發育程度。

(1)巖石的單軸抗壓強度是影響TBM開挖難易的關鍵因素。TBM是利用巖石抗拉強度和抗剪強度明顯小于其抗壓強度這一特征設計的，一般認為巖石的抗拉強度是抗壓強度的1/10～1/20，故一般采用比較容易測得的抗壓強度來判斷TBM開挖的難易程度，巖石的抗壓強度與TBM的掘進速度成反比關系。TBM最適用于抗壓強度30 MPa～150 MPa的較堅硬至堅硬巖。

(2)巖石的硬度和耐磨性。巖石的硬度越高，石英含量越多，研磨指數越大，巖石的耐磨性越高，刀具磨損越大，TBM掘進效率越低。

(3)圍巖結構面的發育程度及發育方向與隧洞軸線方位關系。巖石的抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，但巖體結構面發育不同，則TBM掘進速度不同。一般情況下巖體的完整程度較低和結構面間距較小時(結構面密度極大、松散的V類圍巖除外)，TBM掘進速度就快，反之，掘進效果就會很差，刀具磨損嚴重。

巖體的結構面發育密度相同時，對圍巖穩定性起關鍵作用的主要結構面的產狀與隧洞軸線方位的組合關系，對TBM掘進速度也有一定的影響。主要結構面與隧洞軸向平行或夾角小于30°，且該組結構面傾角小于30°時，TBM掘進效果差。

(4)巖石的泊松比?和彈性模量E。泊松比μ較大，彈性模量E較小時，對TBM掘進有利。

3 地質勘察的主要對策

地質勘察除應遵循有關規范查明或基本查明隧洞主要工程地質條件與問題外，還應針對影響TBM可行性論證及掘進效率的地質環境及地質因素，進行詳細的勘察和試驗研究。

3.1 初步設計階段應查明圍巖性狀及出露范圍

初步設計階段對下列情況的地質環境段不但要查明圍巖性狀，而且要確定其出露范圍，并分析對TBM的施工影響程度。

①圍巖特別堅硬和特別軟弱地段;

②圍巖軟、硬相間且強度變化很大的地段;

③寬大的斷層破碎帶和節理裂隙密集段;

④開挖后圍巖可能發生大變形或塑性流動變形，導致周邊巖體擠出段;

⑤明顯膨脹巖段;

⑥富水并可能發生大量涌水的地質構造段;

⑦巖溶洞穴(含空洞、充填溶洞)發育地段;

⑧隧洞易泥化、易造成出渣運輸作業等困難的地段。

3.2 施工圖階段應重點查明對TBM掘進效率有影響的地質因素

①通過鉆探查明圍巖巖石類型并詳細分段;

②現場采用巖石點荷載試驗或室內巖石單軸抗壓強度試驗，查明巖石單軸抗壓強度;

③通過室內磨片鑒定及耐磨性試驗查明各類巖石的石英含量及耐磨指數;

④通過現場彈性波測試及地表測繪，探洞、鉆孔、節理裂隙統計，查明巖體節理裂隙的發育規律;

⑤施工開挖時，應因地制宜，綜合采用地質方法(如地質素描等)，鉆探方法(如超前水平導洞，超前水平鉆孔等)，物探測試方法(如TST地震CT，地質雷達，電法等)進行超前探測預報，方能減少施工中的盲目性，降低工程投資，減少隧洞施工中的突發性工程與地質災害。

4 結論

通過地質人員上述認真細致的地質工作，對TBM施工方法的可行性提出初步意見，再由設計人員根據隧洞其他各種條件，就常規鉆爆法開挖和掘進機法開挖或鉆爆法結合掘進機法開挖進行技術經濟比較，選擇合適的施工方法，同時提出改善不良地質條件的措施方法等。掘進機型式可根據地質查明的圍巖地質條件初步選用:圍巖單軸抗壓強度大于100 MPa～250 MPa硬巖中使用開敞式掘進機，圍巖單軸抗壓強度在5 MPa～150 MPa之間的硬巖、軟巖混合地層中使用雙護盾式掘進機，軟土或砂層中使用盾構式掘進機。最后由承包商根據設計文件選擇TBM機型。

總之，雖然TBM施工方法可行性及掘進效率主要受地質因素影響，但其可行性及工程完成好壞，不完全取決于地質條件，主要取決于人們對它的認識、把握和解決問題能力的綜合水平及工程建設期內風險分析、控制和管理的能力。