敬 佳

長江三峽勘測研究院有限公司

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(shè)領(lǐng)域，掘進機的使用越來越廣泛。掘進機以其快速、優(yōu)質(zhì)、安全的施工特點受到建設(shè)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(wěn)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(wěn)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(yù)測模型和實例應(yīng)用兩方面分析、證明了該模型應(yīng)用的可靠性，為同類工程掘進速度的合理預(yù)測和施工進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(yōu)勢，迅速成為巷道施工的首選。由于目前國內(nèi)TBM巷道施工，缺乏科學(xué)、系統(tǒng)的管理經(jīng)驗作為指導(dǎo)，故應(yīng)用TBM施工也必然不是一帆風(fēng)順的。

1 某深埋引水隧洞簡介

工程區(qū)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(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，其實測值為60MPa。(4)已開挖洞段的高地應(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(nèi)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(yīng)關(guān)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(tǒng)計，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，其時間效應(yīng)關(guān)系0.633～1.04cm/min；含綠泥石粉細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際充填量比值來反映圍巖與管片之間的間隙，通過統(tǒng)計對比分析，其變形量與豆礫石實際充填量的關(guān)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(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)評分因素，并提出高地應(yīng)力折減系數(shù)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(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分體系?！敖Y(jié)構(gòu)面形態(tài)”這一地質(zhì)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(jié)構(gòu)”的綜合調(diào)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(quán)重分配，結(jié)果如下：飽和單軸抗壓強度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 施工圍巖評分體系的計算公式為：

TTBM=T-100k

式中:

T— —圍巖的總評分；

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(jié)構(gòu)的評分。T″為修正分，T″=D，D 為地下水狀態(tài)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(guī)則，偶見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，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，基本沒有巖粉，渣中很容易找到構(gòu)造巖。

綜上所述，對高地應(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)力破壞的坑深進行圍巖的降級，使評分體系簡易適用。(2)結(jié)合實際，從現(xiàn)場地質(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開挖不易收集的結(jié)構(gòu)面因素，提高了評分體系的準確性。根據(jù)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(jù)不同類別的圍巖采取相應(yīng)的臨時及永久支護措施，為設(shè)計及施工提供地質(zhì)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價值。

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