侯 浩,張之鈺

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

護盾式全斷面巖石掘進機隧洞施工的圍巖適宜性分類

侯 浩,張之鈺

(水利部山西水利水電勘測設(shè)計研究院,山西太原 030024)

中國目前的地下工程圍巖分類法,其核心為圍巖穩(wěn)定性,對于全斷面巖石掘進機施工并不完全適用。從隧洞掘進機施工的特點和總結(jié)影響護盾式掘進機施工的地質(zhì)因素入手,嘗試提出以巖性及巖性組合、圍巖完整程度、地下水為主要衡量指標的掘進機施工適宜性分類方法,并介紹了山西引黃工程隧洞護盾式掘進機施工的實踐,可供同類工程勘察、襯砌設(shè)計參考。

工程地質(zhì);TBM;圍巖;適宜性分類

0 引言

上世紀90年代以來,全斷面巖石掘進機(TBM)在中國隧洞施工中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。TBM施工因其掘進快速安全、對圍巖擾動小等優(yōu)勢,越來越受到青睞。但同時也應(yīng)看到,TBM施工有其適用的圍巖范圍,并不是所有洞室圍巖都適宜采用TBM施工,全斷面巖石掘進機造價昂貴,一旦投入使用而圍巖不適宜,則造成的損失非常巨大。因此,對TBM施工的圍巖適宜性做出評價非常重要。

國內(nèi)現(xiàn)采用的圍巖分類方法均是以圍巖穩(wěn)定性為核心的分類方法,它與鉆爆法的施工特點相適應(yīng),而TBM施工與鉆爆法相比有很大的不同,原有的圍巖分類方法對TBM隧洞施工的借鑒有局限性,有必要將穩(wěn)定性分類與適宜性分類區(qū)別開來。

全斷面巖石掘進機一般分為護盾式巖石掘進機及開敞式巖石掘進機,本文試圖重點就護盾式掘進機施工的圍巖適宜性分類方法進行探討。

1 TBM隧洞施工的特點

TBM隧洞施工有如下特點:

(1)從TBM掘進特點看,TBM施工有一定的圍巖適用范圍,并不是圍巖穩(wěn)定性越好,TBM施工越適宜。

(2)TBM的施工速度大大快于常規(guī)鉆爆法,雙護盾掘進機更是集中了快速掘進、快速襯砌一次成洞的優(yōu)點,正常情況下一個斷面從開挖到襯砌基本完成,延續(xù)時間不會超過14 d。因此,該方法對圍巖自穩(wěn)時間沒有過高的要求。

(3)TBM對圍巖的擾動小,其支護又非常及時,更符合新奧法的現(xiàn)代開挖支護理念。

(4)目前,T BM施工的隧道直徑大都在5～10 m之間,不需要像特大洞室那樣對圍巖自穩(wěn)提出更高的要求。

(5)護盾式掘進機施工,在時間和空間方面都對圍巖的觀察和地質(zhì)編錄的條件形成了制約,難以按照常規(guī)要求進行分項評分來判定圍巖類別,從而確定支護類型。

(6)同護盾式掘進機相比,開敞式掘進機的防護條件、作業(yè)條件、支撐條件不盡相同,特別是永久襯砌施作時間延后,對圍巖自穩(wěn)時間等要求較高,二者在圍巖適宜性方面有較大差別。

(7)絕大部分隧道都不可能由均質(zhì)地層或單一的圍巖類別構(gòu)成,現(xiàn)實可行的方法是,確定某一種占較大比重或?qū)λ矶词┕さ墓て凇⒃靸r起控制作用的圍巖類別作為主體圍巖,兼顧其它圍巖條件,對掘進機進行個性化設(shè)計,這樣才能最大限度地發(fā)揮掘進機的優(yōu)勢和潛能,取得事半功倍的效果,因此有必要確立“主體圍巖”的概念。

從T BM隧洞施工的這些特點看,目前國內(nèi)的圍巖分類方法對T BM隧洞施工的借鑒有局限性,也不利于對該種方法施工的隧洞襯砌設(shè)計提供合理可靠的依據(jù)。

2 影響TBM隧洞施工的主要地質(zhì)因素

2.1 巖性及巖性組合

掘進機的盤形滾刀破巖以擠壓、研磨為主,它會使巖石產(chǎn)生裂縫擴展的張拉破壞、剪切破壞及擠壓破壞,故巖性及巖性組合是全斷面巖石掘進機隧洞施工時最敏感的地質(zhì)因素。

不同的巖性有其各自的強度范圍。巖石的抗拉強度和抗剪強度均小于抗壓強度,故抗壓強度可作為掘進機掘進的控制指標,且該指標較容易由試驗求得。從適宜性角度考慮,掘進機掘進并不是巖石強度越高越好。巖石強度越高,刀具的磨損也越大,掘進速度會減慢,在巖石強度很高時可能出現(xiàn)進尺非常緩慢的現(xiàn)象。國內(nèi)使用過的雙護盾全斷面巖石掘進機技術(shù)參數(shù)中,巖石抗壓強度一般30～150 MPa,最大320 MPa。實踐表明,掘進機在單軸抗壓強度30～120 MPa時會有較高的掘進速度[1]。TBM掘進時主要克服的巖石強度是天然抗壓強度,巖石的強度指標宜以天然狀態(tài)單軸抗壓強度衡量。

對于特殊巖石,如膨脹巖、流變巖等應(yīng)具體分析。膨脹巖應(yīng)考慮其膨脹性強弱,巖石呈弱膨脹性且地下水影響不大時,對掘進機的適宜性影響有限。軟弱流變巖掘進時易產(chǎn)生包機頭等現(xiàn)象,且容易對隧洞襯砌造成破壞。其變形和應(yīng)力釋放過程相當漫長,據(jù)山西引黃聯(lián)接段7#隧洞流變巖洞段監(jiān)測,連續(xù)8個月應(yīng)力調(diào)整仍未停止,有資料介紹持續(xù)時間可長達數(shù)年。

覆蓋層結(jié)構(gòu)松散,強度低,土層中容易產(chǎn)生機頭下沉、滾刀包泥等現(xiàn)象,砂卵礫石層中容易出現(xiàn)坍塌冒頂現(xiàn)象,一般不適于掘進機施工,尤其是濕陷性黃土、膨脹土、軟土等。

自然界大部分地區(qū)巖石并不單一出現(xiàn),而是由多種巖石共同組成地質(zhì)體,自然界較多見的是硬質(zhì)巖與軟質(zhì)巖的組合,這也是掘進機施工時應(yīng)關(guān)注的圍巖地質(zhì)組合。在這種組合中,應(yīng)重點關(guān)注的是軟質(zhì)巖的分布及性狀。

由于軟質(zhì)巖的變形量相對較大,所以在組合中起主要作用的是軟質(zhì)巖的分布及性狀。據(jù)工程經(jīng)驗,當圍巖周邊徑向位移相對值<5%時,可以采用護盾式掘進機開挖。對于掘進機施工可以考慮用軟質(zhì)巖所占比例、軟質(zhì)巖層連續(xù)厚度等指標衡量。軟質(zhì)巖層連續(xù)厚度并非實際變形厚度,隧洞徑向變形量一般不會超過此厚度。軟質(zhì)巖所占比例越低、連續(xù)軟質(zhì)巖層厚度越薄,則圍巖適宜性越好。引黃工程南干線7號隧洞中有37 km為砂頁巖相間分布,其中泥頁巖所占比例為10%～50%,采用TBM施工在2000年底成功貫通。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度是影響圍巖適宜性的又一重要因素。當巖體完整時,圍巖的穩(wěn)定性主要由巖性控制,此時的掘進貫入度較低。當巖體中結(jié)構(gòu)面增加,完整程度降低時,圍巖的易掘進性逐步過渡到由巖性與結(jié)構(gòu)面共同控制,此時掘進機的掘進貫入度增加,往往進尺加快。但當完全由結(jié)構(gòu)面控制,巖體呈破碎狀態(tài)時,掘進事故率增加,總體進尺反而減慢。

表征巖體破碎程度的指標為巖體完整性指數(shù)Kv,它可以通過鉆孔、探洞等實測,也可通過節(jié)理統(tǒng)計近似確定。根據(jù)巖體完整性指數(shù)與掘進速度的統(tǒng)計資料,當Kv值介于0.38～0.75時,即巖體處于較完整、較破碎狀態(tài)時掘進速度較快。

2.3 地下水

地下水對掘進的影響主要體現(xiàn)在三方面:一是突水、涌水會對掘進產(chǎn)生直接影響,如臺灣雪山隧道等在施工中就受到了高壓涌水的影響;二是水會降低巖石的抗壓強度,影響圍巖穩(wěn)定性,尤其對于軟質(zhì)巖,強度降低非常顯著,甚至可能產(chǎn)生泥化,在隧洞開挖涉及地下水時,隧洞就成為排水廊道,使隧洞周圍的地下徑流趨于活躍,因此,即使是原本就處于地下水位之下呈飽和狀態(tài)的圍巖,在隧洞開挖后巖石強度也會不同程度降低;三是觸發(fā)對水敏感的特殊性巖石的特殊工程性質(zhì),如膨脹巖遇水可能觸發(fā)膨脹變形,原來就在水下的膨脹巖則有可能因開挖而失去側(cè)限產(chǎn)生新的膨脹變形。

護盾式掘進機開挖由于支護及時,對減低巖石軟化程度及膨脹變形有利。具有一定強度的完整的軟質(zhì)巖,如果無地下水影響時,采用TBM施工也較適宜。引黃聯(lián)接段7#隧洞穿過較長的泥灰?guī)r洞段,均處于地下水位之上,其天然抗壓強度一般5～10MPa,在施工中除出現(xiàn)一次蠕變卡機外,其余均很順利且掘進速度快。

2.4 其它

當圍巖處于高地應(yīng)力環(huán)境時,脆性巖體及完整的巖石有可能發(fā)生巖爆;軟弱巖體有可能產(chǎn)生大的圍巖變形。但護盾式掘進機施工由于支護及時,對抑制變形有一定的作用。

當掘進遇大的斷層破碎帶時,容易發(fā)生大的坍塌;當掘進遇大的溶洞時,可能發(fā)生機身下沉、洞壁無支撐無法掘進、突水、充填物坍塌等現(xiàn)象。此等不利地質(zhì)條件對掘進機可能是不適宜的。

3 護盾式T BM隧洞施工的圍巖適宜性分類

參考國內(nèi)現(xiàn)有圍巖分類(級)標準,結(jié)合護盾式掘進機施工的特點和中國國內(nèi)隧洞工程應(yīng)用掘進機施工的經(jīng)驗,筆者嘗試提出了以巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水為主要指標加以界定的分類方法,分類中所用的定性指標力求簡單明確,定量指標力求方便易測,從而增加分類的可操作性。具體見表1。

由于現(xiàn)階段國內(nèi)使用TBM施工仍相對較少,相關(guān)資料缺乏,分類表中一些控制指標具有一定的主觀性,有待更多實踐檢驗及完善。

需要說明的是,本分類意在事前控制,為使評價簡單明了,容易對號入座,分類時采用了排列組合的方式,組合中存在漏項,并未包含自然界所有的圍巖類型。故本分類為非完全性分類,但分類涵蓋了自然界大多數(shù)的圍巖類型。

4 山西引黃工程的實踐

山西引黃工程先后使用6臺雙護盾掘進機,迄今進行了9條、約131 km水工隧洞施工。在十多年的施工歷程中,經(jīng)歷了多種多樣的圍巖條件,也遇到過非常復(fù)雜棘手的困難地段,從中積累了豐富的經(jīng)驗,也有一些可資借鑒的教訓。

總體來說,絕大部分隧洞段在開挖襯砌后,并沒有發(fā)現(xiàn)圍巖直接作用于襯砌頂、邊拱混凝土管片的情況。這說明大多數(shù)圍巖的自穩(wěn)時間對于掘進機施工來說是足夠的?？梢哉J為這些隧洞段適宜或基本適宜掘進機施工,多屬于表1中的Ⅰ、Ⅱ類。但是,也遇到過極軟地層、斷層破碎帶、大溶洞、流變巖等表1中的Ⅲ、Ⅳ類圍巖條件,給施工造成很大的困擾。當Ⅲ類、Ⅳ類圍巖成為主體圍巖或者Ⅲ、Ⅳ類占比例較大時,是否采用掘進機施工,就要慎重考慮。經(jīng)驗表明,對于位于巖石隧洞進出口的覆蓋層洞段,采用人工開挖和支護更為有利。多數(shù)情況下,還可以成為掘進機進入工作面之前的導(dǎo)引洞段。

表1 護盾式全斷面巖石掘進機施工的圍巖適宜性分類Table 1 Suitability classification ofwall rock when constructing by shielded full face rock TBM

上述圍巖分類的探索形成過程,對山西引黃工程后期的隧洞設(shè)計,也產(chǎn)生了積極的影響,并取得了明顯效果。

聯(lián)接段7#隧洞的襯砌設(shè)計,借鑒了新奧法隧洞開挖支護理論,改變了以往預(yù)制混凝土管片鋼筋用量同傳統(tǒng)圍巖類別一一對應(yīng)的思路。對于傳統(tǒng)分類中Ⅲ類和好于Ⅲ類的圍巖,設(shè)計認為可以充分發(fā)揮圍巖的自承載能力,從而將襯砌混凝土管片限于構(gòu)造配筋,考慮施工荷載對管片周邊予以加強,稱為輕型管片。傳統(tǒng)Ⅳ類圍巖和以泥灰?guī)r(整體性較好,無地下水影響)為主的Ⅴ類圍巖,考慮由襯砌結(jié)構(gòu)同圍巖共同承受山巖壓力,按照結(jié)構(gòu)力學方法計算配筋,稱為中型管片。當遇到斷層破碎帶、泥化巖段和流變巖段等特殊地質(zhì)條件時,按照松散體理論,由襯砌結(jié)構(gòu)承受全部山巖壓力,使用加強配筋的重型管片。由于重型管片的使用量非常有限,這就大幅降低了總的鋼筋用量。

[1] 水利部科技推廣中心.全斷面巖石掘進機[M].北京:石油工業(yè)出版社,2005:155-156.

(責任編輯:胡立智)

Suitability Classification of Wall RockW hen Tunnel Constructed by Shielded Full Face Rock TBM

HOU Hao,ZHANG Zhiyu
(Shanxi Hydroelectric Investigation&Design Institute of theMinistry of Water Resources P.R.C.,Taiyuan,Shanxi030024)

At present,the core of our classification of wall rock in underground engineering is the stability of rock.It’s not suit for shielded full face rock TBM constructing.In this paper,the characteristics of TBM and the summary of geological factorswhich impact TBM constructingwere studied,and then the suitability classification method by lithology and lithological composition,integrity ofwall rock,undergroundwater as the main measure of TBM was adviced.At last,the practice which construct tunnel by TBMin Shanxi Yellow River Diversion Project was introduced.It will be referenced by similar projects and lining design.

engineering geology;TBM;wall rock;suitability classification

TV554

A

1671-1211(2010)05-0527-04

2010-07-28;改回日期:2010-09-03

侯浩(1968-),男,高級工程師,水文工程地質(zhì)專業(yè),從事水文工程地質(zhì)方面的工作。E-mail:HHH555LLL@TOM.com