關于隧洞TBM施工地質條件適宜性的探討

袁宏利 程向民

1 概 述

隨著隧洞工程向“深、長”方向的發展，TBM 施工技術應用越來越廣泛。而隨著地下工程尤其是深埋長隧洞工程勘測、設計和施工技術的發展以及水平的提高，工程界對于隧洞“深”、“長”等的概念也在發生著變化。在GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》中，長隧洞（long tunnel）是指鉆爆法施工長度大于3 km、TBM 法施工長度大于10 km 的隧洞，深埋隧洞（tunnel at great depth）是指埋深大于600 m 的隧洞［1］。在編制SL 629—2014《引調水線路工程地質勘察規范》過程中，除沿用上述“深、長”隧洞的定義外，還沿用和增加了淺埋隧洞（tunnel at shallow depth）這一術語和定義，即指上覆有效巖體厚度小于3 倍洞徑的隧洞［2］。因此，則介于上述“深、淺、長、短”范圍之間的隧洞，可以理解為是一般長度和埋深的隧洞。

對于鉆爆法（DB）施工，傳統的圍巖分類系統主要考慮了與圍巖穩定性評價及支護相關的巖體基本地質條件，而不用考慮鉆爆法本身的施工工藝及其難易程度。但對于TBM 法施工技術這種將掘進和支護技術集成在一起的系統而言，目前則是既要考慮掘進機選型及其工藝問題，又要考慮與掘進相應的巖體地質條件及其支護方案等問題，由于影響因素較復雜，涉及多種學科，因此，難以形成一個綜合和廣泛適用的分類系統。但無論掘進技術如何發展，最終仍是基于對巖體工程地質條件的認識和評價、對其進行適應或改造、并得到合理解決方案的過程。因此，對于地質條件的認識水平，仍是解決問題最根本和最關鍵的因素［2］。

TBM 的施工功效可用掘進速度（Penetration Rate，PR）和施工速度（Advance Rate，AR）兩個指標表達，是判斷工程采用TBM 施工是否成功的一項關鍵指標。掘進速度定義為在一個連續的鉆進階段，鉆進距離除以鉆進時間；施工速度是實際開挖和支護長度除以總的時間，包括TBM 維護、機械破碎和隧洞失穩支護的時間。從TBM 施工的組成來看，影響AR 的因素可以分成3 大方面，第1 是地質體本身，第2 是施工機械，第3 是施工過程中人的因素。基于普通鉆爆法施工的圍巖分類，考慮的因素主要包括巖石材料的強度及其巖體完整性等情況，相對于影響AR 的因素來講少得多，因此，一般認為DB 施工圍巖分類不宜直接用于AR 或者PR 的預 測［3］。

2 影響TBM施工條件的地質因素

基于目前國內外的研究和實踐，TBM 施工的適宜性主要考慮兩方面地質因素，一是巖體所處的地質環境是否適宜于采用TBM 進行施工，二是巖體性狀對TBM 掘進效率的影響。

巖體所處的地質環境主要是指地應力環境、地下水環境以及其它導致不良地質現象發生的內外營力地質作用等，是影響TBM 施工效率的主要因素。巖體性狀指標主要包括巖體的完整性、巖石的強度、硬度、耐磨性等，是影響TBM 掘進效率的主要因素。巖體性狀對TBM施工適宜性的影響，主要反映在掘進功效方面；而巖體所處地質環境條件對TBM 施工適宜性的影響，則反映在施工進度、效益甚至可行性等方面。一般情況下，隧洞圍巖質量及其穩定性等條件越好，越有利于TBM 施工，亦即圍巖工程地質類別與TBM 施工適宜性之間是密切相關的。因此，TBM 施工的適宜性，應以圍巖基本質量分類為基礎，以巖體完整性、巖石強度、圍巖應力環境和不良地質條件等為影響因素，結合TBM 系統集成及施工應用特點綜合判定［2］。

而對于TBM施工掘進巖體性狀的分析判斷，通過研究國內外大量施工隧洞工程實例，目前有如下認識［3，5-7］。

2.1 巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）

TBM 是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設計的，抗壓強度的高低是影響TBM掘進效率的關鍵因素之一。一定范圍內，隨著巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）的增大，TBM 掘進速度、效率有不斷降低的趨勢。Rc太小，圍巖穩定性差，影響掘進速度；Rc太大，TMB 掘進困難，效率低下。因此，TBM 比較適宜于在30 MPa≤Rc≤150 MPa 的中等堅硬—堅硬的地層中掘 進，而Rc＞150 MPa 和Rc＜30 MPa 的 地 層，均 不 利 于TBM 的快速掘進（見表1）。

表1 Rc與TMB施工工作條件對應關系

2.2 巖石的耐磨性

國內外大量TBM 施工隧洞的工程實踐表明，刀具的磨損情況對TBM 掘進效率以及工程經濟性影響很大。僅根據巖石抗壓強度來判斷和預測刀具的磨損情況是不夠的，巖石的耐磨性也是衡量刀具磨損情況的主要指標之一。一般情況下，巖石的耐磨性越高，對TBM 刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停機換刀次數增加，影響TMB 正常掘進，相應的TBM 掘進效率也就越低。采用與巖石單軸抗壓強度相關性較好的專用鋼針（CAI），以其針頭磨損值Ab的大小來表征巖石的耐磨性，并根據Ab的大小將巖石的耐磨性級別分為5 級（見表2）。

表2 Ab與TMB施工工作條件對應關系

2.3 巖體的完整性

巖體中結構面（節理、層理、片麻理、斷層）的發育程度（即巖體完整性）是影響TBM 掘進效率的又一重要地質因素。一般情況下，當巖體非常完整時，不利于TMB 掘進，TBM 掘進效率較低；當巖體完整性較低時，TMB 掘進效率較高；但當結構面特別發育，巖體完整性很差，呈碎裂狀或散體狀，整體強度很低，作為工程圍巖已不具有自穩性時，TMB掘進效率也會很低。因此，巖體結構面特別發育或不發育時往往都不利于TBM 掘進（見表3）。

表3 Kv與TMB施工工作條件對應關系

2.4 其它因素

除了以上影響TBM 掘進效率的主要地質因素外，巖體主要結構面與隧洞軸線的組合關系、圍巖的初始地應力狀態以及地下水情況等對TBM 掘進也有一定的影響。當巖體主要結構面與隧洞軸線夾角較大時，有利于掘進速度的提高；與洞軸線平行或較小時，則圍巖容易坍塌或掉塊，不利于TBM 掘進。當圍巖處于高地應力狀態時，可能會發生巖爆或大的擠壓變形，造成TBM 掘進困難。富水和涌水地段，圍巖強度和穩定性會有不同程度的降低，同時可能惡化TMB 施工條件和工作環境，降低TMB 掘進效率。

TBM 功效與巖體質量之間的關系，已有許多可以類比借鑒的研究資料。圖1 是意大利3 個隧道的733 個數據總結的RMR 和PR 的關系，掘進速度PR 和RMR 在統計上表現出很強的關聯性，大致表現為一個上凸的曲線。最好的功效出現在中等巖體上（RMR 為40～70），而很差的巖體（RMR 小于30～40）或者太好的巖體（RMR 大于70～80）掘進速度則較低。

綜上所述，對影響TBM 施工適宜性的巖體地質環境條件進行分析，如圖2 所示。

圖1 意大利3個隧道TBM掘進速度（PR）與巖體質量（RMR）之間的關系

圖2 影響TBM施工適宜性的巖體地質環境條件分析

3 《引調水線路工程地質勘察規范》對TBM施工地質條件適宜性的考慮

在SL 629—2014《引調水線路工程地質勘察規范》編制過程中，我們結合最近若干年來隧洞TBM施工技術的研究成果，對TBM 施工地質條件的適宜性進行研究，編制了“附錄C”的內容。

TBM 施工的適宜性，應以工程地質勘察成果及圍巖基本質量分類為基礎，考慮巖體完整性、巖石強度、圍巖應力環境和不良地質條件等因素，結合TBM 系統集成及施工應用特點綜合判定。如下列地質條件目前可判定為不適宜采用TBM 施工：（1）以Ⅴ類圍巖為主的隧洞；（2）地應力高、巖爆強烈或塑性變形大的圍巖；（3）水文地質條件異常復雜，對施工進度影響很大。

以GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》圍巖工程地質分類為基礎，考慮巖體完整性（Kv）、巖石飽和單軸抗壓強度（Rc）和圍巖強度應力比（S）等因素，結合水利水電工程隧洞TBM 施工經驗，并參考有關技術標準，對隧洞TBM 施工的適宜性分級做出規定，將TBM施工的適宜性分為A——適宜、B——基本適宜、C——適宜性差等3 個級別，見表4［2］。

表4 隧洞TBM施工適宜性分級

4 TBM施工地質

TBM 施工適宜性及其圍巖地質分類方案，要把握關鍵影響因素，突出地質條件和掘進條件之間的相關性，重視前期地質信息的利用和施工過程信息的反饋，并有利于現場快速運用和分析。分類因素應主要考慮：（1）地質信息，包括前期勘察地面調查、鉆孔勘探、試驗、測試、巖體地質環境及巖體特性綜合分析、地質條件分段分析評價、圍巖條件傳統分類分析等信息；（2）TBM掘進信息，包括機械參數、掘進班報、地質觀察描述等信息。在前期勘察成果和TBM 選型研究等工作基礎上，由于掘進機機械參數與巖體特性等地質信息之間已存在一定的相關性，因此，機械參數可不作為TBM 施工圍巖地質分類的主要因素，而只將掘進過程中的掘進速度（不是施工速度）等信息綜合考慮為一項影響因素；（3）將TBM 掘進速度與地質觀察描述信息相關聯，并與前期地質勘察信息、超前探測信息、應急處理設計等對比、分析，進行修正。TBM 施工過程中，應及時對隧洞圍巖地質狀況及掘進過程進行觀察描述，以復核、修正前期勘察成果，并指導施工過程。