某引水隧洞超硬巖對施工效率的影響研究

向家菠，羅 飛

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江三峽勘測研究院有限公司（武漢），湖北 武漢 430074）

超硬巖是指當巖石強度和磨耗性達到一定量值時，對隧洞掘進施工效率可能構成一定程度影響的巖體。在鉆爆法施工中，對炮眼施工和爆破效果構成影響；在TBM 施工中，對TBM 掘進速率構成影響，同時增大滾刀損耗[1-3]。工程實踐及試驗表明，對于完整性好的巖體，當巖石強度或磨耗性很高時，往往會造成開挖掘進困難、施工刀具及鉆具的磨損量大，嚴重影響掘進效率且大幅增加工程成本[4-5]。

某大型引調水工程引水隧洞穿越地層巖性復雜、巖質多樣，根據試驗成果，在巖體較完整～完整的地層中存在巖石強度高和磨耗性大的超硬巖。因而在勘察階段針對超硬巖問題開展了專項勘察，其成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程及地質概況

某大型引調水工程輸水隧洞長約194.19km。工程輸水線路區處于中國地勢第二階梯東緣向第三階梯過渡地帶。線路區以中山為主，地勢總體呈“中部高、南北低”“西高、東低”的特征。其中巖漿巖、變質巖、沉積巖三大巖類均有分布，以沉積巖類分布范圍廣，且其碳酸鹽巖與碎屑巖總體相間分布，變質巖類分布范圍其次；巖漿巖類分布范圍相對最少。

2 超硬巖評價標準及測試

巖石的磨耗性可以通過巖石磨耗試驗確定的巖石磨耗指數（CAI）判定，參照相關規范規程，類比國內TBM 掘進工程經驗[6]，確定巖石磨耗指數和對TBM 刀具磨損影響程度標準見表1。

采用TBM 施工時，巖石飽和單軸抗壓強度（Rb）為150MPa 和200MPa，可作為超硬巖強度分類閾值；巖石磨耗性與TBM 刀具磨損程度關系密切，相關研究表明，Cerchar 磨耗指數（CAI）為4.0～5.0 時對TBM 掘進狀態有明顯影響，可取CAI=4.0 作為超硬巖對于磨耗性的分類閾值[7]。超硬巖分類評價標準見表2。

表2 超硬巖對不同施工工法影響分級標準

為研究該輸水隧洞穿越超硬巖對施工效率的影響，對超硬巖問題開展了專項勘察，共完成巖石單軸抗壓強度試驗207 組、巖石磨耗性試驗355 組。

3 巖石測試結果及分析

根據輸水隧洞沿線可能含超硬巖巖組宏觀定性判定結果，可能存在超硬巖問題的地層巖組巖石飽和單軸抗壓強度（Rb）和巖石磨耗指數（CAI）統計結果見表3。

表3 超硬巖分布地層巖石強度及磨耗性統計表

在超硬巖巖組定量評價的基礎上，結合輸水隧洞具體洞段圍巖完整性，分析超硬巖問題的分布與占比，對輸水隧洞中超硬巖對施工效率影響進行綜合評價（表3）。

3.1 巖漿巖

內口單元（γπ23）中超硬巖占比約43%，該單元超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響嚴重，部分較嚴重。輝綠巖脈（βμ）隨機分布，巖脈洞段隧洞圍巖完整性為完整～較完整的占比約55%，巖脈中超硬巖占比約87%，因而巖脈洞段隧洞圍巖超硬巖占比約50%。巖脈中超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響嚴重。

3.2 變質巖

曬家沖組（Ar3Sgn）地層巖石中超硬巖占比約35%，地層內超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響嚴重，部分較嚴重。黃涼河組第一段（Pt1h1）地層中超硬巖占比約56%，地層內超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響嚴重，部分較嚴重。黃涼河組第二段（Pt1h2）地層中超硬巖占比約53%，地層內超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM及鉆爆法施工影響較嚴重，部分嚴重。黃涼河第三段（Pt1h3）片麻巖段隧洞圍巖完整性為完整～較完整的占比約55%，地層內超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM及鉆爆法施工影響嚴重，部分較嚴重。力耳坪組（Pt1l）地層中超硬巖占比約51%，地層內超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響較嚴重。

3.3 碳酸巖

燈影組第三段（Z2dn3）地層內超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響較嚴重，部分嚴重。天河板組（∈1t）白云巖地層以薄至中厚層為主，該地層隧洞圍巖超硬巖零星分布，局部可能存在少量超硬巖問題。石龍洞組（∈1sh）、覃家廟第二段（∈2qn2）地層中超硬巖占比約43%～50%，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響較嚴重，部分嚴重。經地質測繪與勘探分析，三游洞組（∈3sn）白云巖地層隧洞圍巖超硬巖零星分布，局部可能存在少量超硬巖問題。茅口組（P1m）地層內超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對TBM 及鉆爆法施工影響較嚴重。

4 結論

為研究某引調水工程輸水隧洞穿越超硬巖對施工效率的影響，對超硬巖問題開展了專項勘察及測試分析，結果表明：

1.隧洞穿越內口單元（γπ23）花崗巖局部洞段圍巖超硬巖占比約25%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對施工效率影響嚴重；穿越輝綠巖脈（βμ）洞段圍巖超硬巖占比約50%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對施工效率影響嚴重。

2.隧洞穿越曬家沖組（Ar3Sgn）片麻巖洞段圍巖超硬巖占比約20%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對施工效率影響嚴重；穿越黃涼河組第一段（Pt1h1）隧洞圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對施工效率影響嚴重；穿越黃涼河組第二段（Pt1h2）片麻巖洞段圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對施工效率影響較嚴重；穿越黃涼河第三段（Pt1h3）隧洞圍巖超硬巖占比約55%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對施工效率影響嚴重；穿越力耳坪組（Pt1l）隧洞圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對施工效率影響較嚴重。

3.隧洞穿越燈影組第三段（Z2dn3）硅質白云巖圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa居多，對施工效率影響較嚴重；穿越石龍洞組（∈1sh）、覃家廟第二段（∈2qn2）白云巖隧洞圍巖超硬巖占比約20%，超硬巖150MPa ≤Rb＜200MPa 和Rb≥200MPa 基本相當，對施工效率影響較嚴重；穿越茅口組（P1m）灰巖隧洞圍巖超硬巖占比約75%～90%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對施工效率影響較嚴重。