關(guān)于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究

敬 佳

長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司

關(guān)于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究

敬 佳

長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院有限公司

近幾年來(lái)，在我國(guó)隧道施工建設(shè)領(lǐng)域，掘進(jìn)機(jī)的使用越來(lái)越廣泛。掘進(jìn)機(jī)以其快速、優(yōu)質(zhì)、安全的施工特點(diǎn)受到建設(shè)單位和施工單位的青睞，但同時(shí)對(duì)圍巖分類近一個(gè)世紀(jì)的研究過(guò)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(wěn)定性等級(jí)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(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性為主的隧洞圍巖分類方法對(duì)TBM施工隧洞的圍巖進(jìn)行分類不盡合理。通過(guò)預(yù)測(cè)模型和實(shí)例應(yīng)用兩方面分析、證明了該模型應(yīng)用的可靠性，為同類工程掘進(jìn)速度的合理預(yù)測(cè)和施工進(jìn)度有效控制提供了理論依據(jù)。

TBM施工；圍巖分類；深埋隧洞

許多煤礦巷道工程，為長(zhǎng)距離、大直徑引水巷洞，且深覆蓋、地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的綜掘機(jī)開(kāi)采已然滿足不了時(shí)代需求。TBM施工方法其無(wú)與倫比的速度優(yōu)勢(shì)，迅速成為巷道施工的首選。由于目前國(guó)內(nèi)TBM巷道施工，缺乏科學(xué)、系統(tǒng)的管理經(jīng)驗(yàn)作為指導(dǎo)，故應(yīng)用TBM施工也必然不是一帆風(fēng)順的。

1 某深埋引水隧洞簡(jiǎn)介

工程區(qū)控制性工程為四條長(zhǎng)引水隧洞，兩條采用TBM全斷面掘進(jìn)機(jī)施工，斷面為圓形，洞徑13m。工程區(qū)最大埋深為2525m，多數(shù)洞段埋深大于1000m。隧洞穿越的地層主要是中三疊統(tǒng)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(zhì)條帶灰?guī)r等。該深埋隧洞圍巖基本特征：(1)穿越的地層多屬硬質(zhì)巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度50～120MPa。(2)巖體結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)、塊狀結(jié)構(gòu)為主，同時(shí)存在整體、鑲嵌碎裂結(jié)構(gòu)和碎裂結(jié)構(gòu)等。(3)隨著埋深增加，最大主應(yīng)力增大，但最大主應(yīng)力與埋深不呈線性關(guān)系，其實(shí)測(cè)值為60MPa。(4)已開(kāi)挖洞段的高地應(yīng)力破壞類型主要有巖爆、應(yīng)力型坍塌和構(gòu)造應(yīng)力型坍塌。

2 TBM雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)施工隧洞圍巖綜合分類方法

2.1 圍巖與護(hù)盾(管片)之間的間隙分析研究

管片在護(hù)盾內(nèi)安裝完成后，護(hù)盾前移，此時(shí)能觀測(cè)到圍巖與護(hù)盾之間的間隙，然后再由管片安裝孔觀測(cè)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(shí)間效應(yīng)關(guān)系，為了不影響施工，一般觀測(cè)時(shí)間為一個(gè)掘進(jìn)行程時(shí)間(或停機(jī)檢修時(shí)觀測(cè))，通過(guò)統(tǒng)計(jì)，此工程泥巖、炭質(zhì)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(cè)拱一般為9.7～12.3cm，最大變形量大于17.0cm，其時(shí)間效應(yīng)關(guān)系0.647～0.657cm/min；粉質(zhì)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(cè)拱一般為9.5～11.8cm，最大變形量大于17.0cm，其時(shí)間效應(yīng)關(guān)系0.633～1.04cm/min；含綠泥石粉細(xì)砂巖在天然含水率狀態(tài)下與粉質(zhì)泥巖基本相同。也可用豆礫石正常理論充填量與實(shí)際充填量比值來(lái)反映圍巖與管片之間的間隙，通過(guò)統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析，其變形量與豆礫石實(shí)際充填量的關(guān)系為：變形量為小值時(shí)，豆礫石充填量一般為正常充填量的30～45%；變形量為大值時(shí)，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(wú)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(zhì)勘察規(guī)范》中的圍巖分類方法(HC分類)為基礎(chǔ)，根據(jù)工程區(qū)TBM施工的特點(diǎn)及特有的高地應(yīng)力，去掉了結(jié)構(gòu)面形態(tài)，增添了巖體結(jié)構(gòu)評(píng)分因素，并提出高地應(yīng)力折減系數(shù)k按照破壞坑深對(duì)圍巖進(jìn)行降級(jí)，形成了以巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性系數(shù)和巖體結(jié)構(gòu)為基本因素、高地應(yīng)力、高外水壓力為修正因素的圍巖評(píng)分體系。“結(jié)構(gòu)面形態(tài)”這一地質(zhì)因素在HC分類中對(duì)圍巖的分值是“負(fù)分”，在去掉這一因素、增添“巖體結(jié)構(gòu)”的綜合調(diào)整下，圍巖總評(píng)分值為90分。運(yùn)用層次分析法對(duì)體系中的因子進(jìn)行權(quán)重分配，結(jié)果如下：飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb、巖體完整性系數(shù)Kv、巖體結(jié)構(gòu)分值分別為30、40、20。

TBM 施工圍巖評(píng)分體系的計(jì)算公式為：

TTBM=T-100k

式中:

T— —圍巖的總評(píng)分；

k— —地應(yīng)力折減系數(shù)。

T 根據(jù)下式求得： T=T' +T″

圍巖基本評(píng)分 T' =A+B+C。A、B、C 分別為巖石強(qiáng)度的評(píng)分、 巖體完整程度的評(píng)分、 巖體結(jié)構(gòu)的評(píng)分。T″為修正分，T″=D，D 為地下水狀態(tài)的評(píng)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(jìn)機(jī)刀具破碎的片狀或大小均勻的碎塊，渣塊形狀規(guī)則，偶見(jiàn)20cm以上的不規(guī)則巖塊，巖粉占10%以上；完整性差的巖體，20cm以上的不規(guī)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(jué)，巖粉小于5%；破碎巖體，一般為斷裂構(gòu)造破碎帶、影響帶及具有散體結(jié)構(gòu)的圍巖體，30～40cm以上的不規(guī)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(méi)有巖粉，渣中很容易找到構(gòu)造巖。

綜上所述，對(duì)高地應(yīng)力和巖體結(jié)構(gòu)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(píng)分體系有如下重要特征：(1)充分考慮了高地應(yīng)力在本工程區(qū)的影響，按照三種高地應(yīng)力破壞的坑深進(jìn)行圍巖的降級(jí)，使評(píng)分體系簡(jiǎn)易適用。(2)結(jié)合實(shí)際，從現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)資料的獲取性出發(fā)，引入巖體結(jié)構(gòu)這一因素代替TBM開(kāi)挖不易收集的結(jié)構(gòu)面因素，提高了評(píng)分體系的準(zhǔn)確性。根據(jù)所提出的圍巖綜合分類方法，對(duì)達(dá)坂引水隧洞圍巖類別進(jìn)行修正，根據(jù)不同類別的圍巖采取相應(yīng)的臨時(shí)及永久支護(hù)措施，為設(shè)計(jì)及施工提供地質(zhì)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

[1] 李宏亮. 中天山特長(zhǎng)隧道開(kāi)敞式 TBM 掘進(jìn)與二次襯砌同步施工技術(shù)[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù)，2010，47(2)：63～67.

[2] 張桂濤，曹春生，程康，等. 麻武高速大別山隧道圍巖等級(jí)與關(guān)聯(lián)性分析探討[J]. 土工基礎(chǔ)，2012，26(4)：88-90.

[3] 單治鋼，陳國(guó)慶，周春宏，等. 丹巴水電站石英云母片巖力學(xué)特性及巖體質(zhì)量分類[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，32(10)：2070-2078.