張?jiān)S平

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

山西中線引黃工程隧洞采用TBM施工適宜性分析及對(duì)策

張?jiān)S平

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024)

文章結(jié)合隧洞工程地質(zhì)條件，從隧洞圍巖巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應(yīng)力等主要因素方面分析了TBM的適宜性，并為此提出了幾點(diǎn)針對(duì)性地的技術(shù)措施，以期為類似工程提供參考。

隧洞;TBM;適宜性;對(duì)策

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.033

TBM(Tunnel Boring Machine)施工具有快速、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)際上，已廣泛應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國(guó)防等工程［1］。但 TBM在實(shí)踐中存在適應(yīng)性，隧洞圍巖工程地質(zhì)條件的差異對(duì)TBM的適宜性影響很大，技術(shù)人員對(duì)TBM的適宜性分類及適用條件進(jìn)行了探索［2］。山西省中線引黃工程引水隧洞距離長(zhǎng)、埋深大、地質(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)比選，個(gè)別隧洞擬采用 TBM施工［3］。作者結(jié)合隧洞工程地質(zhì)條件，從隧洞圍巖的巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應(yīng)力等方面對(duì)TBM的適應(yīng)性進(jìn)行分析，并提出了針對(duì)性技術(shù)措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項(xiàng)重要的工程，規(guī)劃供水6.02億m3，包括取水工程和輸水工程。輸水工程主要由隧洞組成，包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。輸水線路總長(zhǎng)384.5km，總干線及支線隧洞總長(zhǎng)度占99.3%，其中總干3號(hào)隧洞(樁號(hào)77+ 040.9～118+395.8，以下簡(jiǎn)稱3號(hào)隧洞)及東干隧洞(樁號(hào)8+700～28+763.4，以下簡(jiǎn)稱東干隧洞)擬采用TBM施工。

1.1 3號(hào)隧洞

3號(hào)隧洞地面高程1247～1605m，隧洞埋深小于300m洞段長(zhǎng)43.6km，埋深300～610m洞段長(zhǎng)75.6km。隧洞約有2.1km過土洞段，21.7km過黑茶山群、界河口群斜長(zhǎng)角閃巖及石英巖段，其余均穿過寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖。樁號(hào)54+186.3處發(fā)育逆斷層FB1;樁號(hào)104 +618.7處發(fā)育正斷層FB4;樁號(hào)116+397.4處發(fā)育逆斷層 FB5，樁號(hào)160+475.2處發(fā)育一逆斷層FB14。

樁號(hào)67+199.6～70+168.6、93+614.2～97+ 384.1、119+842.5～124+614.2段碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區(qū)域)位于洞頂以上0～288m;樁號(hào)97+ 384.1～119+842.5段變質(zhì)巖類裂隙水位于洞頂以上0～160m;樁號(hào)162+547.3～164+601.9段松散巖類孔隙水位于洞頂以上。其余洞段碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區(qū)域)水位均位于洞底以下，可能存在層間水。樁號(hào)125+214.2～127+814.2存在碳酸鹽巖裂隙巖溶水(層間水或滯水)，位于洞頂以上110m。

整個(gè)隧洞段Ⅲ類圍巖長(zhǎng)約73.2km、Ⅳ類圍巖長(zhǎng)約13.3km、Ⅴ類圍巖長(zhǎng)約32.8km。

1.2 東干隧洞

東干隧洞地面高程1225～1640m，洞底埋深284～693m，多數(shù)地段隧洞埋深大于400m。隧洞約13.2km過呂梁山群及長(zhǎng)城系變質(zhì)巖段，約15.6穿過寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖。樁號(hào)2+120處發(fā)育逆斷層Fc2，樁號(hào)6+212處發(fā)育逆斷層Fc3，樁號(hào)9+069處發(fā)育逆斷層Fc4，樁號(hào)9+330處發(fā)育逆斷層Fc5。

東干隧洞樁號(hào)8+700～24+150地段處于柳林泉與郭莊泉的分水嶺地帶，地下水位位于洞頂以上0～310m。其中樁號(hào)8+700～2+940、樁號(hào)9+ 000～24+150地段，隧洞位于碳酸鹽巖內(nèi)或洞頂以上變質(zhì)巖不厚(小于100m)，巖溶地下水水位高于洞頂約0～310m。該段隧洞灰?guī)r洞段較長(zhǎng)，有遇到溶洞的可能，特別是段內(nèi)東干隧洞樁號(hào)9+ 400～12+400段處于柳林泉域內(nèi)的枝柯泉域，隧洞穿過巖溶較發(fā)育的中奧陶系地層。

整個(gè)隧洞段Ⅱ類圍巖長(zhǎng)約6.6km、Ⅲ類圍巖長(zhǎng)約18.1km、Ⅳ類圍巖長(zhǎng)約0.8km、Ⅴ類圍巖長(zhǎng)約3.2km。

2 TBM適應(yīng)性的影響因素

TBM適宜性的因素很多，結(jié)合項(xiàng)目隧洞的圍巖工程地質(zhì)條件，分析本項(xiàng)目的適宜性因素主要表現(xiàn)在巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應(yīng)力等幾個(gè)方面。

2.1 巖性及巖性組合

不同的隧洞圍巖巖性及巖性組合形成不同的圍巖整體抗壓強(qiáng)度的高低，資料顯示TBM最適宜的施工范圍在30～120MPa之間。TBM在抗壓強(qiáng)度低的軟質(zhì)巖中掘進(jìn)時(shí)容易產(chǎn)生機(jī)身沉陷、包機(jī)頭等現(xiàn)象，影響隧洞掘進(jìn)，因此隧洞圍巖巖石抗壓強(qiáng)度不宜過低。但TBM掘進(jìn)時(shí)并不是巖石抗壓強(qiáng)度越高越好，巖石抗壓強(qiáng)度越高，刀具的磨損一般也越大，掘進(jìn)速度會(huì)減慢，在巖石強(qiáng)度非常高時(shí)可能出現(xiàn)進(jìn)尺非常緩慢的現(xiàn)象。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度是影響圍巖穩(wěn)定的又一重要因素。當(dāng)巖體完整，無連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面時(shí)，圍巖的穩(wěn)定性主要由巖性控制，此時(shí)的掘進(jìn)貫入度較低。當(dāng)巖體中節(jié)理裂隙增加，完整程度降低，破碎程度增加時(shí)，圍巖的掘進(jìn)性就由巖性逐步過渡到由巖性與結(jié)構(gòu)面共同控制，直至完全由結(jié)構(gòu)面(包括節(jié)理裂隙、層理面等)控制，此時(shí)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)貫入度增加，但掘進(jìn)機(jī)發(fā)生事故的可能性也隨之增加，對(duì)支護(hù)襯砌要求也相應(yīng)提高。有關(guān)資料表明，當(dāng)Kv值介于0.38～0.75時(shí)，即巖體處于較完整、較破碎狀態(tài)時(shí)，掘進(jìn)速度較快。

2.3 地下水

隧洞圍巖中的地下水可能引起突水(泥)、涌水(砂)，對(duì)TBM掘進(jìn)產(chǎn)生直接影響，且會(huì)降低巖石的強(qiáng)度，影響圍巖穩(wěn)定性。尤其對(duì)于軟質(zhì)巖或構(gòu)造帶，強(qiáng)度降低非常顯著，甚至可能產(chǎn)生泥化。

2.4 地應(yīng)力及巖爆

TBM刀具滾壓破巖是沖擊擠壓和切削破壞的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，地應(yīng)力對(duì)擠壓破巖不利，提高了巖石的抗擠壓強(qiáng)度;地應(yīng)力作用下，掌子面巖石產(chǎn)生較大的變形能，對(duì)切削破巖有利［4］。然而深埋隧洞在高地應(yīng)力下易產(chǎn)生巖爆，高地應(yīng)力巖爆對(duì)TBM適應(yīng)性也會(huì)產(chǎn)生影響［5］。

3 TBM適應(yīng)性分析

擬采用TBM施工的洞段為總干3號(hào)隧洞(樁號(hào)77+040.9～118+395.8)，東干隧洞(樁號(hào)8+ 700～28+763.4)，以下具體分析其工程地質(zhì)條件對(duì)TBM的適應(yīng)性。

3.1 總干3號(hào)隧洞

整個(gè)3號(hào)隧洞圍巖為中硬巖～硬質(zhì)巖的灰?guī)r、白云巖、變質(zhì)巖段，巖體較完整或較破碎，長(zhǎng)度約34.3km，占該段長(zhǎng)度83.0%;圍巖為軟～較軟巖的泥灰?guī)r、頁巖段，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，長(zhǎng)度約6.6km，占該段長(zhǎng)度16.0%。其中地下水位以下洞段軟 ～較軟巖長(zhǎng)度約0.5km，約占該段長(zhǎng)度1.1%。在地下水位以上，但埋深大于400m的軟～較軟巖長(zhǎng)度約3.5km，約占該段長(zhǎng)度8.5%。

FB4及FB5斷層破碎帶及影響帶，巖體較破碎，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，長(zhǎng)度約0.4km，占該段長(zhǎng)度1.0%。

段內(nèi)部分地段可能發(fā)生中等巖爆［6］，巖爆強(qiáng)度不大，采取一定措施后也可考慮采用TBM施工。

總體看，3號(hào)隧洞地下水位以下的泥灰?guī)r、斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等對(duì)TBM施工不利，適宜或基本適宜TBM施工的洞段(包括硬質(zhì)巖及埋深小于400m且位于地下水位以上的軟巖、較軟巖)約占89.4%，可以考慮采用TBM施工。

3.2 東干隧洞

整個(gè)東干隧洞中圍巖為中硬巖～堅(jiān)硬巖的灰?guī)r、白云巖、萬年飽組變質(zhì)巖洞段長(zhǎng)度17.1km，占該段總長(zhǎng)度的85.1%。圍巖為軟 ～較軟巖的泥灰?guī)r、頁巖、同岔溝組片巖洞段長(zhǎng)度約2.6km，且均處于埋深300m以下，占該段總長(zhǎng)度的13.1%。其中地下水位以下洞段長(zhǎng)約2.1km，約占該段總長(zhǎng)度的10.6%。 fc4、fc5逆斷層帶處巖體破碎，斷層破碎帶及影響帶長(zhǎng)度0.4km，占該段總長(zhǎng)度的1.8%。

整個(gè)隧洞段內(nèi)部分地段可能發(fā)生中等巖爆，巖爆強(qiáng)度不大，采取一定措施后也可考慮采用TBM施工［7］。

總體看，東干隧洞段軟質(zhì)巖埋深較大且多處于地下水位以下，存在斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等對(duì)TBM施工不利的因素，適宜或基本適宜TBM施工的洞段約占80%左右，采用TBM施工可能會(huì)遇到一定困難，需慎重對(duì)待。

4 結(jié)論及對(duì)策

針對(duì)上述3號(hào)隧洞和東干隧洞圍巖TBM施工的適應(yīng)性分析，隧洞地下水位以下的泥灰?guī)r、斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等洞段對(duì)TBM施工不利，但適宜或基本適宜TBM施工的洞段(包括硬質(zhì)巖及埋深小于400m且位于地下水位以上的軟巖、較軟巖)均達(dá)到80%以上，因此采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施后利用TBM施工是可行的［8，9］。(1)隧洞圍巖雖以中硬巖～堅(jiān)硬巖為主，軟巖、較軟巖為輔，為了防止圍巖軟硬不均造成TBM掘進(jìn)姿勢(shì)難以控制，管片與尾盾貼死而造成管片擠壓破損，以及掘進(jìn)過程作用力不均導(dǎo)致管片滾動(dòng)等現(xiàn)象，該工程兩個(gè)隧洞均采用了雙護(hù)盾TBM施工，且為了更好地適應(yīng)局部軟巖、較軟巖隧洞地段掘進(jìn)，采取了將機(jī)身設(shè)計(jì)成錐形、最大限度的縮短機(jī)身以及刀頭增設(shè)了擴(kuò)挖設(shè)備等措施。(2)針對(duì)TBM施工過程可能遇到斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭、涌水及突泥(砂)等不利地質(zhì)情況，在TBM上裝備了超前鉆探及超前預(yù)注漿設(shè)備，以便在穿越斷層破碎帶、有水溶洞或可能突泥破碎洞段時(shí)，采取超前預(yù)注漿加固圍巖、超前鉆孔排水及鉆孔注漿堵水等工程措施。(3)雖然在TBM上裝備了必要的設(shè)備，但長(zhǎng)距離深埋隧洞地質(zhì)情況比較復(fù)雜多變，還應(yīng)該加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，以便為了解掌子面前方地質(zhì)情況，及早采取相應(yīng)的工程措施，確保TBM施工順利進(jìn)行。

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1672-2469(2016)08-0104-02

2016-01-05

張?jiān)S平(1969年—)，男，高級(jí)工程師。