關于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究

敬 佳

長江三峽勘測研究院有限公司

關于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究

敬 佳

長江三峽勘測研究院有限公司

近幾年來，在我國隧道施工建設領域，掘進機的使用越來越廣泛。掘進機以其快速、優質、安全的施工特點受到建設單位和施工單位的青睞，但同時對圍巖分類近一個世紀的研究過程中，諸多分類方法主要是為鉆爆法施工條件下隧洞圍巖穩定性等級的劃分而提出的，難以滿足目前TBM施工隧洞的需要。單純套用以往以評價圍巖穩定性為主的隧洞圍巖分類方法對TBM施工隧洞的圍巖進行分類不盡合理。通過預測模型和實例應用兩方面分析、證明了該模型應用的可靠性，為同類工程掘進速度的合理預測和施工進度有效控制提供了理論依據。

TBM施工；圍巖分類；深埋隧洞

許多煤礦巷道工程，為長距離、大直徑引水巷洞，且深覆蓋、地質條件復雜，傳統的綜掘機開采已然滿足不了時代需求。TBM施工方法其無與倫比的速度優勢，迅速成為巷道施工的首選。由于目前國內TBM巷道施工，缺乏科學、系統的管理經驗作為指導，故應用TBM施工也必然不是一帆風順的。

1 某深埋引水隧洞簡介

工程區控制性工程為四條長引水隧洞，兩條采用TBM全斷面掘進機施工，斷面為圓形，洞徑13m。工程區最大埋深為2525m，多數洞段埋深大于1000m。隧洞穿越的地層主要是中三疊統鹽塘組第四段(T2y4)、第五段(T2y5)、第六段(T2y6)和白山組(T2b)地層，巖性主要為大理巖、泥質條帶灰巖等。該深埋隧洞圍巖基本特征：(1)穿越的地層多屬硬質巖，巖石飽和抗壓強度50～120MPa。(2)巖體結構以層狀結構、塊狀結構為主，同時存在整體、鑲嵌碎裂結構和碎裂結構等。(3)隨著埋深增加，最大主應力增大，但最大主應力與埋深不呈線性關系，其實測值為60MPa。(4)已開挖洞段的高地應力破壞類型主要有巖爆、應力型坍塌和構造應力型坍塌。

2 TBM雙護盾掘進機施工隧洞圍巖綜合分類方法

2.1 圍巖與護盾(管片)之間的間隙分析研究

管片在護盾內安裝完成后，護盾前移，此時能觀測到圍巖與護盾之間的間隙，然后再由管片安裝孔觀測圍巖與襯砌管片之間的間隙，利用間隙變化主要掌握圍巖變形量及與時間效應關系，為了不影響施工，一般觀測時間為一個掘進行程時間(或停機檢修時觀測)，通過統計，此工程泥巖、炭質泥巖變形量：頂拱范圍一般為10.3～16.2cm，最大變形量大于26.5cm，側拱一般為9.7～12.3cm，最大變形量大于17.0cm，其時間效應關系0.647～0.657cm/min；粉質泥巖變形量：頂拱范圍一般為9.7～15.6cm，最大變形量大于26.5cm，側拱一般為9.5～11.8cm，最大變形量大于17.0cm，其時間效應關系0.633～1.04cm/min；含綠泥石粉細砂巖在天然含水率狀態下與粉質泥巖基本相同。也可用豆礫石正常理論充填量與實際充填量比值來反映圍巖與管片之間的間隙，通過統計對比分析，其變形量與豆礫石實際充填量的關系為：變形量為小值時，豆礫石充填量一般為正常充填量的30～45%；變形量為大值時，豆礫石充填量一般為正常充填量的8～30%；變形量最大值豆礫石無充填。

2.2 TBM 施工圍巖分類體系

綜上所述，以《水利水電工程地質勘察規范》中的圍巖分類方法(HC分類)為基礎，根據工程區TBM施工的特點及特有的高地應力，去掉了結構面形態，增添了巖體結構評分因素，并提出高地應力折減系數k按照破壞坑深對圍巖進行降級，形成了以巖石飽和單軸抗壓強度、巖體完整性系數和巖體結構為基本因素、高地應力、高外水壓力為修正因素的圍巖評分體系。“結構面形態”這一地質因素在HC分類中對圍巖的分值是“負分”，在去掉這一因素、增添“巖體結構”的綜合調整下，圍巖總評分值為90分。運用層次分析法對體系中的因子進行權重分配，結果如下：飽和單軸抗壓強度Rb、巖體完整性系數Kv、巖體結構分值分別為30、40、20。

TBM 施工圍巖評分體系的計算公式為：

TTBM=T-100k

式中:

T— —圍巖的總評分；

k— —地應力折減系數。

T 根據下式求得： T=T' +T″

圍巖基本評分 T' =A+B+C。A、B、C 分別為巖石強度的評分、 巖體完整程度的評分、 巖體結構的評分。T″為修正分，T″=D，D 為地下水狀態的評分。

2.3 棄渣的塊徑、渣塊形狀、百分量

完整性好的巖體，棄渣基本上都是掘進機刀具破碎的片狀或大小均勻的碎塊，渣塊形狀規則，偶見20cm以上的不規則巖塊，巖粉占10%以上；完整性差的巖體，20cm以上的不規則巖塊占20～25%左右，且渣塊形狀以三角體、菱形體具多，棄渣中渣塊有大小懸殊零亂的直觀感覺，巖粉小于5%；破碎巖體，一般為斷裂構造破碎帶、影響帶及具有散體結構的圍巖體，30～40cm以上的不規則巖塊占35～50%以上，渣塊形狀多樣，棄渣中渣塊大小懸殊很直觀，基本沒有巖粉，渣中很容易找到構造巖。

綜上所述，對高地應力和巖體結構修正后的新建圍巖體系在目前施工的洞段，適用性較好。圍巖評分體系有如下重要特征：(1)充分考慮了高地應力在本工程區的影響，按照三種高地應力破壞的坑深進行圍巖的降級，使評分體系簡易適用。(2)結合實際，從現場地質資料的獲取性出發，引入巖體結構這一因素代替TBM開挖不易收集的結構面因素，提高了評分體系的準確性。根據所提出的圍巖綜合分類方法，對達坂引水隧洞圍巖類別進行修正，根據不同類別的圍巖采取相應的臨時及永久支護措施，為設計及施工提供地質依據，具有重要的工程應用價值。

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