田 志 斌

(山西省中部引黃工程建設(shè)管理局，山西 太原 030002)

山西省大水網(wǎng)是全國(guó)“江河湖庫(kù)水系連通”試點(diǎn)工程，具有隧洞數(shù)量多、單洞距離長(zhǎng)、地下水豐富、地質(zhì)條件復(fù)雜等諸多特點(diǎn)，施工難度極大。隨著TBM施工法在萬(wàn)家寨引黃工程、引漢濟(jì)渭、遼西北供水等長(zhǎng)距離引調(diào)水工程中的成功應(yīng)用[1]，線路在穿越國(guó)家自然保護(hù)區(qū)時(shí)采用4臺(tái)TBM完成總計(jì)約89 km的施工任務(wù)，充分發(fā)揮了其掘進(jìn)速度快、安全性能高、成洞質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，尤其是TBM1標(biāo)單月完成掘進(jìn)1411 m，單年度完成掘進(jìn)10.6 km[2]。但與此同時(shí)，由于地質(zhì)條件預(yù)測(cè)難度大、圍巖條件復(fù)雜多變，在實(shí)際施工過(guò)程中多次遇到了軟巖破碎帶[3]、堅(jiān)硬巖、斷層等不同地質(zhì)條件，對(duì)TBM在不同圍巖條件下的適應(yīng)性及掘進(jìn)技術(shù)提出了更高要求[4]。

本文根據(jù)山西大水網(wǎng)中部引黃工程TBM2標(biāo)的實(shí)際地質(zhì)條件，通過(guò)對(duì)TBM在不同圍巖條件下的掘進(jìn)速度、掘進(jìn)參數(shù)、刀具消耗、掘進(jìn)時(shí)間進(jìn)行比較分析，得出了堅(jiān)硬巖對(duì)掘進(jìn)施工的影響，并提出了合理化建議，為其他類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

中部引黃工程是山西省“十二五規(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中的一項(xiàng)重要骨干工程，隧洞總長(zhǎng)385 km，其中總干3#隧洞穿越黑茶山自然保護(hù)區(qū)，最大埋深610 m，采用兩臺(tái)雙護(hù)盾TBM進(jìn)行對(duì)向掘進(jìn)[5]。TBM2標(biāo)進(jìn)洞支洞長(zhǎng)3.6 km，開(kāi)挖直徑5.06 m，坡度6.5%，主洞長(zhǎng)20.327 km(總98+070—總118+395)，坡度1/2500～1/3000，平面布置圖見(jiàn)圖1。

圖1 TBM平面布置圖

TBM2標(biāo)主洞段隧洞設(shè)計(jì)穿越主要地層有奧陶系、寒武系、元古界黑茶山組、太古界界河口群奧家灣組，主要巖性有石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、石英巖狀砂巖、黑云斜長(zhǎng)片麻巖、花崗片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖等，整個(gè)洞線穿越三個(gè)背斜、三個(gè)向斜，6條較大型斷層，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜。在背斜部位洞線的圍巖主要為奧家灣組 (Ar2a)和黑茶山組(Pth)變質(zhì)巖巖系，多為Ⅲ類圍巖，斷層帶處多為Ⅴ類圍巖；向斜部位洞線圍巖主要為碳酸鹽巖類，多為Ⅲ類圍巖，少量Ⅳ類圍巖，在泥灰?guī)r層內(nèi)為Ⅴ類圍巖。在結(jié)晶基底變質(zhì)巖巖系與上伏蓋層間為角度不整合接觸關(guān)系，在蓋層底部往往為寒武系底部砂巖層或元古界黑茶山組石英砂巖，石英砂巖為淺變質(zhì)巖。變質(zhì)巖洞線長(zhǎng)度10 122 m，占總洞線長(zhǎng)度的49.8%；碳酸鹽巖及泥灰?guī)r類洞線長(zhǎng)度10 205.75 m，占總洞線長(zhǎng)度的50.2%；Ⅲ類圍巖長(zhǎng)14 410.75 m，占總洞線 70.89%；Ⅳ類圍巖長(zhǎng)3 393.1 m，占總洞線16.69%；Ⅴ類圍巖長(zhǎng)2 523.9 m，占總洞線12.42%。

2 揭露圍巖特征及抗壓強(qiáng)度測(cè)試

隧洞揭露地層主要有四種，即新生界土層為松散結(jié)構(gòu)混合土卵石和低液限黏土；古生界寒武奧陶系碳酸鹽巖，抗壓強(qiáng)度一般為15 MPa～60 MPa，為中硬巖、較軟巖和軟巖；元古界黑茶山組，變質(zhì)石英砂巖；太古界界河口群奧家灣組硅酸巖類，主要巖石有黒云斜長(zhǎng)片麻巖、鉀長(zhǎng)黒云斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)片麻巖、斜長(zhǎng)角閃巖、花崗偉晶巖等，屬中深變質(zhì)巖類。

隧洞開(kāi)挖至主洞后，在掘進(jìn)過(guò)程中可見(jiàn)巖層是以灰黑色的斜長(zhǎng)片麻巖和淺紅色的鉀長(zhǎng)黑云斜長(zhǎng)片麻巖為主，斜長(zhǎng)角閃巖次之，花崗偉晶巖以脈狀穿插于不同巖層內(nèi)，巖層界面連續(xù)性差，巖層互為消長(zhǎng)，接觸帶不明顯。通過(guò)對(duì)總118+000—總117+197段11組巖樣進(jìn)行檢測(cè)分析，總118+000洞頂部斜長(zhǎng)角閃巖極限抗壓強(qiáng)度最大，為172 MPa，總體來(lái)說(shuō)，該段巖石SiO2含量66%～72%，抗壓強(qiáng)度一般在80 MPa～172 MPa，主要礦物成分為鉀長(zhǎng)石 (微斜長(zhǎng)石)、斜長(zhǎng)石、石英、黑云母等，為變余花崗結(jié)構(gòu)、細(xì)粒變晶結(jié)構(gòu)、文象結(jié)構(gòu)、偉晶結(jié)構(gòu)、塊狀構(gòu)造和片麻構(gòu)造，片麻理不發(fā)育。礦物組合具有交代作用，即石英明顯交代斜長(zhǎng)石，因此巖石堅(jiān)硬，尤其SiO2交代析出呈團(tuán)塊狀，使巖石硬度增高，抗磨性增強(qiáng)，可鉆性可達(dá)9級(jí)～11級(jí)(可鉆性按12級(jí)劃分)[6]。根據(jù)《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[7](GB/T 50218—2014)，按照巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)巖石級(jí)別進(jìn)行劃分，當(dāng)大于60 MPa時(shí)為堅(jiān)硬巖，60 MPa～30 MPa為較堅(jiān)硬巖，30 MPa～5 MPa為較軟巖和軟巖。由此可見(jiàn)，總118+000—總117+197段巖石屬堅(jiān)硬巖。從施工地質(zhì)上看，背斜部位的變質(zhì)巖多為堅(jiān)硬巖石，巖體相對(duì)較完整，裂隙發(fā)育程度較低，掌子面十分完整，巖體的完整性和巖石的堅(jiān)硬度增加了TBM掘進(jìn)貫入難度[8]，雖然掘進(jìn)推力增大到額定值，但掘進(jìn)貫入度和掘進(jìn)速度仍然較低。

3 不同圍巖條件對(duì)TBM掘進(jìn)的影響

3.1 不同圍巖類別對(duì)掘進(jìn)速度的影響

TBM2標(biāo)主洞段主要巖性有三大類，第一類為碳酸鹽巖類 (石灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r等)，一般SiO2<15%，可鉆性為5級(jí)～7級(jí)；第二類為變質(zhì)巖巖類(黑云斜長(zhǎng)片麻巖、含鉀長(zhǎng)黑云斜長(zhǎng)片麻巖、花崗偉晶巖、斜長(zhǎng)角閃巖、石英巖狀砂巖等)，SiO2含量為66%～72%，可鉆性為9級(jí)～11級(jí)；第三類為變質(zhì)石英砂巖，SiO2含量為90.00%～94.86%，可鉆性>10級(jí)。目前TBM2標(biāo)進(jìn)洞支洞已完成掘進(jìn)，主要為第一類碳酸鹽巖類；主洞已完成掘進(jìn)2 km，皆為第二類變質(zhì)巖巖類；按照設(shè)計(jì)圖紙第三類變質(zhì)石英砂巖主要分布于總108+175—總107+301和總105+414—總101+414，目前尚未開(kāi)挖。通過(guò)對(duì)11組圍巖抗壓強(qiáng)度與掘進(jìn)速度進(jìn)行分析，可以看出隨著巖石抗壓強(qiáng)度的提高，TBM掘進(jìn)速度不斷下降[9]。TBM2標(biāo)主洞總118+000—總117+197段圍巖強(qiáng)度對(duì)照見(jiàn)表1；掘進(jìn)速度與抗壓強(qiáng)度回歸關(guān)系見(jiàn)圖2。

表1 TBM2標(biāo)主洞總118+000—總117+197段圍巖強(qiáng)度對(duì)照表

圖2 掘進(jìn)速度與抗壓強(qiáng)度回歸關(guān)系圖

由此可知，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度在100 MPa～120 MPa 時(shí)，本標(biāo)段掘進(jìn)速度在2.2 m/h 左右，與遼西北供水工程相近，但當(dāng)抗壓強(qiáng)度高于150 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度都低于1.5 m/h，巖石抗壓強(qiáng)度高低對(duì)TBM掘進(jìn)速度有很大影響[10]。

3.2 不同圍巖類別對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的影響

在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，分別選取連續(xù)一個(gè)月內(nèi)碳酸鹽巖類和變質(zhì)巖巖類洞段無(wú)不良地質(zhì)條件下的實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)資料，其中碳酸鹽巖類洞段位于支洞樁號(hào)1+703—2+447，長(zhǎng)度為744 m，地層為寒武奧陶系，圍巖為石灰?guī)r和泥灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度一般在15 MPa～60 MPa，為較硬巖和較軟巖；變質(zhì)巖巖類洞段位于總117+848—總117+319，長(zhǎng)度為529 m，地層為奧家灣組黑云斜長(zhǎng)片麻巖、含鉀長(zhǎng)黑云斜長(zhǎng)片麻巖、花崗偉晶巖、斜長(zhǎng)角閃巖，天然極限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)值一般為80 MPa～160 MPa，為堅(jiān)硬巖。不同圍巖條件下的平均推力曲線見(jiàn)圖3，不同圍巖條件下的掘進(jìn)速度曲線見(jiàn)圖4。

支洞段 (1+703—2+447，試掘進(jìn)段)刀盤平均推力為6 579 kN，最大推力7 338 kN，掘進(jìn)速度平均3.49 m/h；主洞段(總117+848—總117+319)刀盤平均推力8 972 kN ，最大推力9 681 kN，而掘進(jìn)速度平均僅2.34 m/h。由此可見(jiàn)，變質(zhì)巖等堅(jiān)硬巖比碳酸鹽巖類不但使刀盤推力增大3 000 kN～3 500 kN，而且使掘進(jìn)速度平均降低約33%，貫入度降低3 mm/rev～4 mm/rev，可鉆性及掘進(jìn)效率顯著下降[11]。

3.3 不同圍巖類別對(duì)刀具消耗的影響

同樣選取碳酸鹽巖類洞段(支洞樁號(hào)1+703—2+447)與變質(zhì)巖巖類洞段(主洞總117+848—總117+319)進(jìn)行刀具消耗分析，根據(jù)TBM掘進(jìn)刀具檢查記錄表統(tǒng)計(jì)，其刀具磨損情況見(jiàn)表2。

圖3 不同圍巖條件下TBM平均推力曲線

圖4 不同圍巖條件下TBM掘進(jìn)速度曲線

樁號(hào)圍巖類別檢查頻次/次刀具更換/套每100m3掘進(jìn)量檢查頻次/次每100m3掘進(jìn)量刀具更換/套1+703—2+447碳酸鹽巖類50210.330.14總117+848—總117+319變質(zhì)巖巖類173601.630.56

由表2可見(jiàn)，堅(jiān)硬巖石對(duì)TBM刀具損壞嚴(yán)重[12]。100 m3掘進(jìn)量變質(zhì)巖巖類 (硬質(zhì)巖)刀具實(shí)際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實(shí)際消耗的4倍，刀具檢查頻次為4.94倍。其中刀具損耗類型主要包括磨損到位、偏磨、刀圈斷裂、刀軸不轉(zhuǎn)、崩刃等[13]，按不同損耗類型統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

值得注意的是，刀圈斷裂是由于TBM調(diào)試階段異常造成的，占刀具消耗總數(shù)的52.38%，主洞段機(jī)械調(diào)試正常后未出現(xiàn)該現(xiàn)象。若支洞排除刀圈斷裂損耗，支洞刀具消耗量?jī)H為10套，平均每100 m3掘進(jìn)量刀具損耗0.067套，此時(shí)變質(zhì)巖巖類 (硬質(zhì)巖)刀具實(shí)際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實(shí)際消耗的8.35倍[14]。

表3 不同圍巖類別下刀具損耗類型統(tǒng)計(jì)表

3.4 不同圍巖類別對(duì)掘進(jìn)時(shí)間利用率的影響

TBM掘進(jìn)時(shí)間主要可以分為設(shè)備掘進(jìn)、設(shè)備維護(hù)、查刀換刀、設(shè)備故障、連續(xù)皮帶機(jī)故障、測(cè)量影響、水管爆裂、火車脫軌處理等，碳酸鹽巖類洞段(支洞樁號(hào)1+703—2+447)與變質(zhì)巖巖類洞段(主洞總117+848—總117+319)掘進(jìn)時(shí)間分析見(jiàn)表4。

表4 不同圍巖類別下掘進(jìn)時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

從表4可以看出，支洞段TBM掘進(jìn)時(shí)間占總時(shí)間的比例與主洞段相同，但由于堅(jiān)硬巖降低了貫入度及掘進(jìn)速度，在相同時(shí)間內(nèi)僅完成碳酸鹽巖類洞段掘進(jìn)總量的71%；而對(duì)于查刀換刀時(shí)間，由于巖石堅(jiān)硬，造成刀具消耗增加，查刀頻次及換刀時(shí)間顯著增加，同樣時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)主洞段是支洞段的2.14倍。參考類似工程，如那邦水電站TBM掘進(jìn)時(shí)間在較硬巖和較軟巖中刀具檢查換刀占時(shí)約5%，而堅(jiān)硬巖石月份查刀換刀時(shí)間達(dá)到25%。

由此可知，堅(jiān)硬巖對(duì)TBM掘進(jìn)時(shí)間利用率影響較大，通常較低抗壓強(qiáng)度下TBM查刀換刀時(shí)間在7%左右，而堅(jiān)硬巖TBM掘進(jìn)時(shí)間增加到25%左右。可見(jiàn)，堅(jiān)硬巖不僅增加了刀具消耗，而且增加了查刀換刀時(shí)間，降低了TBM掘進(jìn)時(shí)間利用率及掘進(jìn)速度，對(duì)工程進(jìn)度及費(fèi)用均產(chǎn)生較大影響[15]。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1) 在不同圍巖條件下，隨著巖石強(qiáng)度的提高，刀盤推力不斷增加，但掘進(jìn)貫入度顯著下降，可鉆性及掘進(jìn)效率明顯降低。當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度在100 MPa～120 MPa 時(shí)，掘進(jìn)速度在2.2 m/h 左右，但當(dāng)抗壓強(qiáng)度高于 150 MPa時(shí)，掘進(jìn)速度則低于1.5 m/h。

(2) 在巖石抗壓強(qiáng)度高、石英含量大、完整性好的地段，刀具檢查頻次及消耗量明顯增加，變質(zhì)巖巖類 (硬質(zhì)巖)刀具實(shí)際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實(shí)際消耗的8.35倍，因此在刀具選型時(shí)需根據(jù)地層情況選擇適宜的刀具類型，如增加刀具的耐磨性等。

(3) TBM在較硬巖和較軟巖中可以獲得較高的掘進(jìn)效率，而在巖體完整的堅(jiān)硬巖中貫入度及掘進(jìn)速度都將明顯降低，施工成本顯著提高。因此在設(shè)計(jì)階段需對(duì)洞線穿越地層的巖性及抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)進(jìn)行全面深入研究，以充分發(fā)揮TBM的施工優(yōu)勢(shì)。