龔秋明，王 瑜，盧建煒，吳 帆，許弘毅，班 超

(北京工業(yè)大學(xué) 城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點實驗室， 北京 100124)

隧道掘進機(Tunnel Boring Machine，TBM)是一種靠刀盤旋轉(zhuǎn)破巖推進，隧道支護與出渣同時進行，并使隧道全斷面一次成形的大型機械[1]。它具有速度快、質(zhì)量優(yōu)、費用低、施工安全等優(yōu)點，有很好的生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利、水電、城市地鐵、越江和海底等隧道工程，也正成為我國今后長大隧道建設(shè)最主要的施工方法[2]。

由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性和前期地質(zhì)勘察的局限性，TBM在施工過程中經(jīng)常會遇到突發(fā)的不利地質(zhì)條件，斷層破碎帶是其中很常見的一種，TBM遇到斷層破碎帶時如果處理不當會導(dǎo)致嚴重的后果。如，青海引大濟湟隧道工程在穿越大阪山南緣斷裂帶時發(fā)生了嚴重的圍巖大變形，導(dǎo)致掘進機被卡[3]；厄瓜多爾科卡科多水電站雙護盾TBM掘進時遇到斷層破碎帶導(dǎo)致圍巖塌方及刀盤堵塞造成卡機事故[4]；伊朗扎格羅斯輸水隧道采用的雙護盾TBM在穿越扎格羅斯山脈時遇到斷層破碎帶，導(dǎo)致刀盤和護盾被卡8個月[5]。

根據(jù)學(xué)者們的研究，斷層破碎帶對TBM的主要影響有[6-8]：①開挖后掌子面及拱頂坍塌，將TBM刀盤埋入，刀盤旋轉(zhuǎn)困難；②存在大量節(jié)理和軟弱的巖體結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致隧道超挖；③隧道邊墻坍塌，撐靴支撐力不夠；④給噴錨支護帶來困難；⑤圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生震動，影響刀具的使用壽命，增加刀具消耗；⑥當圍巖軟硬不均時可能會引起TBM機體的擺動增加，給掘進方向的控制帶來困難；⑦為地下水的涌入提供了通道，如存在涌水則會由于水壓作用導(dǎo)致掌子面發(fā)生坍塌，嚴重時會淹埋刀盤及機體。

從斷層破碎帶對TBM施工參數(shù)的影響來說，斷層破碎帶的存在使得圍巖破碎，巖體強度降低，有利于TBM的破巖作用，會增加TBM掘進速度[9]。但會降低掌子面以及圍巖的穩(wěn)定性，掌子面的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致TBM刀盤堵塞，刀盤震動加劇，圍巖的不穩(wěn)定性會導(dǎo)致臨時支護的要求變高，這些潛在的風(fēng)險會導(dǎo)致TBM掘進時間的下降，從而會降低TBM施工進度[10-11]。

為解決斷層破碎帶對TBM施工造成的諸多影響，主要從三個方面采取措施[12]：①選擇合適的TBM類型：護盾式TBM比敞開式TBM更適合掘進通過斷層破碎帶。②提升圍巖的穩(wěn)定性。在TBM刀盤后方立即采用鋼拱架，木板和噴射混凝土支護、對掌子面巖體進行灌漿處理、超前管棚支護、采用傳統(tǒng)鉆爆法從TBM兩側(cè)開挖導(dǎo)洞通過斷層破碎帶。③TBM施工參數(shù)優(yōu)化。采用小推力、低轉(zhuǎn)速、小行程、快速掘進的方法，盡可能減少對圍巖的擾動。

TBM施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)是在特定地質(zhì)條件下TBM與圍巖相互作用情況的真實反映，通過收集TBM掘進通過斷層破碎帶時的施工數(shù)據(jù)可以更全面、準確的探討斷層對于TBM隧道施工的影響。然而，目前從這一方面研究斷層對TBM掘進參數(shù)影響的文章較少。本文基于吉林引松供水工程四標TBM施工段和引漢濟渭嶺北TBM施工段建立的TBM掘進數(shù)據(jù)庫將斷層進行分級，研究不同等級斷層對于TBM掘進參數(shù)的影響。

1 工程概況

1.1 工程簡介

吉林引松供水工程是由豐滿水庫調(diào)水至吉林省中部城市的長距離跨流域城鎮(zhèn)供水工程?？偢删€TBM段全長69.855 km，埋深主要集中在50～100 m，最大埋深為260 m。根據(jù)線路特點共有3臺TBM同時施工，本文主要研究四標段TBM施工段，里程樁號為K51+705～K71+476，共19 771 m。此樁號范圍內(nèi)TBM穿越地層巖性以花崗巖、灰?guī)r、閃長巖、板巖、砂巖為主，巖石飽和單軸抗壓強度以40～80 MPa為主，巖體完整性指數(shù)以0.41～0.70為主。

陜西省引漢濟渭工程是陜西省針對關(guān)中地區(qū)嚴重缺水的情況而規(guī)劃的省內(nèi)南水北調(diào)跨流域調(diào)水工程。隧道全長81.580 km，洞身最大埋深2 000 m，越嶺段采用2臺TBM施工，施工總長度39 290 m。本文主要研究嶺北段TBM施工段，里程樁號范圍為K51+896～K62+578，共10 682 m。此樁號范圍內(nèi)TBM穿越地層巖性以千枚巖為主，含少量變砂巖和角閃石英片巖，巖石飽和單軸抗壓強度以18～71 MPa為主，巖體完整性指數(shù)以0.35～0.70為主。

1.2 TBM設(shè)計參數(shù)

吉林引松工程四標段TBM是我國自主研制的首臺敞開式硬巖掘進機，刀盤直徑為7.93 m，刀盤安裝滾刀56把，中心刀為17英寸雙刃盤形滾刀，共計8把，正滾刀和邊刀均為19英寸單刃盤形滾刀，共計48把。

引漢濟渭嶺北段TBM為德國Herrenknecht公司生產(chǎn)的型號S-795敞開式硬巖掘進機，分塊式刀盤設(shè)計。刀盤直徑為8.06 m，刀盤安裝滾刀50把，全部為19英寸盤形滾刀，中心刀為雙刃盤形滾刀，共計8把，正滾刀和邊刀均為單刃盤形滾刀，共計42把。2臺TBM的詳細設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 TBM主要設(shè)計參數(shù)

2 TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫

吉林引松四標段TBM施工段和引漢濟渭嶺北段TBM施工段洞徑相近，TBM設(shè)計參數(shù)具有一定的相似性，在研究斷層破碎帶對TBM施工參數(shù)的影響時，把兩條隧洞的數(shù)據(jù)合并成一個數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中收集2條隧道的參數(shù)：①TBM掘進參數(shù)；②TBM掘進過程地質(zhì)編錄；③TBM施工記錄。

通過TBM每個步進自動記錄的掘進數(shù)據(jù)平均值，整理得到TBM在相應(yīng)里程的掘進參數(shù)，包括TBM刀盤推力、扭矩、轉(zhuǎn)速和TBM貫入度P以及每個步進運行時間，結(jié)合TBM每日掘進時間和TBM刀具更換數(shù)量，可得

Fn=F/刀具數(shù)量

(1)

U=掘進時間/當班時間×100%

(2)

PR=P×RPM×60/1 000

(3)

AR=PR×U×24

(4)

式中：Fn為TBM單刀推力，kN；F為TBM刀盤推力，kN；U為TBM利用率，%；PR為TBM掘進速度，m/h；P為TBM貫入度，mm/r；RPM為TBM刀盤轉(zhuǎn)速，r/mm；AR為TBM每日施工進度，m/d。

收集TBM掘進過程地質(zhì)編錄，并進行整理分析可以得到TBM掘進過程中斷層出露的里程范圍、斷層的寬度、產(chǎn)狀、填充物和含水情況等詳細資料。2條隧道的TBM掘進過程中共遇到斷層34條，斷層帶寬度范圍為5～220 cm，大多數(shù)斷層與隧道軸線大角度相交，斷層填充物以斷層泥和斷層角礫為主，收集并分析了隧道沿線出露的地層巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況、地下水情況和圍巖級別。統(tǒng)計并分析了施工方的TBM施工記錄，得到TBM遇到不同規(guī)模斷層時隧道拱頂?shù)姆€(wěn)定情況和施工方為了保持隧道穩(wěn)定所采取的臨時支護形式和處理辦法，以及TBM遇到涌水涌泥、溶洞等不良地質(zhì)條件和發(fā)生機械故障的里程范圍。

數(shù)據(jù)庫將收集到的數(shù)據(jù)分:①TBM掘進的“正常區(qū)域”。為研究里程范圍內(nèi)TBM掘進過程中沒有遇到斷層、涌水涌泥、溶洞等不良地質(zhì)條件和發(fā)生機械故障的里程段；②“斷層區(qū)域”，為TBM掘進過程中遇到斷層的里程段，見表2。

表2 TBM掘進過程中遇到的斷層

3 斷層對TBM利用率的影響分級

斷層作為TBM施工中常見的不利地質(zhì)條件，其對TBM掘進影響較小，但對掌子面及隧道圍巖穩(wěn)定性影響較大，如果處理不當會造成TBM施工進度延誤，甚至有可能出現(xiàn)TBM卡機和被埋的情況，其影響大小與斷層寬度、產(chǎn)狀、填充物和含水情況有關(guān)。TBM利用率U是機器對地層的適應(yīng)性、施工管理以及不利事故造成的延誤的綜合反映，反映了TBM在不同巖體條件下的使用效率。利用率可以較好的反映出斷層對TBM施工的影響。斷層寬度是斷層兩側(cè)斷盤位移的距離，體現(xiàn)了斷層的發(fā)育規(guī)模，是影響隧道穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；斷層產(chǎn)狀決定斷層與隧道軸線的空間位置關(guān)系，是影響隧道穩(wěn)定性的次要因素。因此本文以TBM在不同斷層寬度和產(chǎn)狀區(qū)域下的利用率大小作為劃分斷層等級的依據(jù)。在TBM利用率的選取上，Barton[13]的研究表明，TBM利用率的大小與選擇的時間跨度有關(guān)系。對于具有相同PR值的同一條隧道的同一臺TBM，Ud>U周>U月>U年，因為時間跨度越大，TBM遇到各種不利地質(zhì)條件以及發(fā)生機械故障的可能性越大，因此，在計算TBM利用率的時候需要說明選擇的時間跨度。考慮到TBM每天都有相應(yīng)的換班時間和保養(yǎng)時間，也為了能夠排除機械故障對利用率的影響，本文采取的利用率為Ud。

3.1 斷層寬度對TBM利用率的影響

將斷層寬度B和TBM利用率Ud通過SPSS統(tǒng)計分析軟件進行非線性回歸分析，可知斷層寬度B和TBM利用率Ud呈現(xiàn)出顯著的指數(shù)函數(shù)的關(guān)系為

Ud=34×e(-B/41)+10R2=0.74

(5)

式中：R為相關(guān)系數(shù)。

斷層寬度B和TBM利用率Ud的關(guān)系見圖1。由圖1可知，斷層寬度B為5～220 cm，TBM利用率Ud范圍為10%～45.7%。隨著斷層寬度的增大，TBM利用率呈現(xiàn)出下降的趨勢。曲線整體可以劃分為3段，以斷層寬度B=50 cm和B=200 cm為臨界點，第一段為陡降段，第二段為過渡段，第三段為緩降段。斷層寬度B<50 cm時，TBM利用率隨著斷層寬度的增大迅速減小，數(shù)值由45.7%減小到20%；當斷層寬度為50～200 cm時，TBM利用率隨著斷層寬度的增大而緩慢減小，數(shù)值由20%減小到10%；斷層寬度B>200 cm時，TBM利用率將會降低到10%以下且保持平穩(wěn)。由于數(shù)據(jù)庫中最大的斷層寬度B=220 cm，若斷層寬度進一步增大，將有可能發(fā)生TBM卡機或被埋的情況，TBM利用率降低至0。

圖1 斷層寬度和TBM利用率Ud的關(guān)系

在第一段曲線中，當斷層寬度B<10 cm時，TBM利用率大于40%，且變化幅度小，對TBM施工基本沒有影響，可以單獨劃分。當斷層寬度B>220 cm時，因所在工程沒有詳細案例，本文從相關(guān)文獻中收集斷層導(dǎo)致TBM卡機的施工案例，完善數(shù)據(jù)庫，從而界定出會導(dǎo)致TBM卡機的斷層寬度范圍，見表3。由表3可知，斷層寬度B=800 cm時為一個臨界點，當斷層寬度B>800 cm時，TBM會發(fā)生卡機的事故，此時TBM利用率降低為0。因此，按斷層對TBM施工利用率的影響從小到大可分成5級，即斷層寬度B<10 cm、10～50 cm、50～200 cm、200～800 cm、B≥800 cm。

表3 斷層導(dǎo)致TBM卡機的施工案例

3.2 斷層產(chǎn)狀對TBM利用率的影響

從圖1可以看出，當斷層寬度B<50 cm時，TBM利用率并不總是隨著斷層寬度的增大而減小，而是具有很大的離散性，利用率的變化范圍比較大。主要原因是斷層與隧道軸線夾角α對TBM利用率有較大影響。因數(shù)據(jù)庫中的斷層寬度樣本主要集中在B<50 cm的區(qū)間，因此本文只研究此區(qū)間下斷層面與隧道軸線夾角α對TBM利用率的影響。斷層與隧道軸線夾角為

α=arcsin(sinαd·sinαt-αs)

(6)

式中：αd為斷層傾角；αt為隧道軸向；αs為斷層走向。

將10 cm作為一個區(qū)間寬度，把斷層寬度分為0～10、10～20、20～30、30～40、40～50 cm共5個區(qū)間，研究不同斷層寬度區(qū)間下，斷層面與隧道軸線夾角對TBM利用率的影響，見圖2。由圖2可知，在不同斷層寬度區(qū)間下，TBM利用率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。當斷層寬度B<10 cm時，TBM利用率隨α的增加變化不大，但其數(shù)值明顯大于其他區(qū)間的利用率；當斷層寬度B=10～50 cm的任意一個區(qū)間時，TBM利用率的數(shù)值和變化趨勢均有一定的相似性，TBM利用率隨著α的增大而增大，并且α≥45°時TBM利用率明顯大于α<45°時TBM利用率。

圖2 斷層面與隧道軸線夾角和利用率的對應(yīng)關(guān)系

3.3 斷層對TBM隧道施工影響分級

斷層寬度和斷層與隧道軸線夾角均對TBM利用率有顯著影響。斷層寬度為主要控制因素，斷層與隧道軸線夾角為次要控制因素，斷層寬度位于B<10、10～50、B=50～200、200～800、B≥800 cm這5個區(qū)間時，TBM利用率呈現(xiàn)出不同的變化趨勢?；诖?，將斷層對TBM隧道施工的影響分為5個等級，等級越高表示斷層發(fā)育規(guī)模越大，相應(yīng)的TBM利用率越低。每個等級斷層的寬度，斷層面與隧道軸線的夾角α以及相應(yīng)的TBM利用率，見表4。

表4 斷層分級以及相應(yīng)的TBM利用率

4 不同等級斷層對TBM掘進參數(shù)的影響分析

為分析比較不同等級斷層對于TBM掘進參數(shù)的影響，將TBM在“正常區(qū)域”和Ⅴ—Ⅱ級斷層區(qū)域的單刀推力、刀盤扭矩T、刀盤轉(zhuǎn)速、貫入度、掘進速度和施工進度的均值進行比較，Ⅰ級斷層會導(dǎo)致TBM卡機，各項掘進參數(shù)均為0。

推力是影響刀盤貫入度大小的主要因素之一，推力越大，貫入度往往越大，但是隨著斷層級別的增大，TBM單刀推力變小，貫入度卻變大，見圖3。由圖3可見，斷層的存在使得斷層周圍巖體變得破碎，降低了巖體的強度從而有利于TBM的破巖作用，并且斷層級別越高，此作用越明顯。

圖3 巖體條件和單刀推力、刀盤貫入度的關(guān)系

隨著斷層等級升高，斷層寬度增加，刀盤扭矩和刀盤轉(zhuǎn)速均有小幅度的下降，二者的降低可以減小TBM對圍巖的擾動，從而有利于保持隧道的穩(wěn)定性。刀盤轉(zhuǎn)速除受地質(zhì)條件影響外還受到刀盤直徑的影響，吉林引松四標TBM刀盤直徑要略小于引漢濟渭嶺北段TBM刀盤直徑，因此吉林引松四標段TBM刀盤轉(zhuǎn)速要略大于引漢濟渭嶺北段TBM刀盤轉(zhuǎn)速，見圖4。

圖4 巖體條件和刀盤扭轉(zhuǎn)、刀盤轉(zhuǎn)速的關(guān)系

隨著斷層等級的提高，TBM掘進速度PR有小幅度升高，其數(shù)值在3～4 m/h之間，比正常巖體區(qū)域略高，說明斷層的存在促進了TBM的破巖作用，在此區(qū)域需仔細判斷巖體條件的變化，確認斷層的大小。斷層對于TBM施工進度AR具有明顯的減弱作用，并且隨著斷層等級的提高，減弱作用越明顯，這主要是由于“斷層區(qū)域”隧道拱頂經(jīng)常有落石下落，施工單位會增設(shè)臨時支護來保證隧道的穩(wěn)定性，導(dǎo)致TBM利用率降低，延誤施工進度，見圖5。

圖5 巖體條件和掘進速度PRTBM施工進度AR的關(guān)系

5 結(jié)論

基于吉林引松供水工程四標段TBM施工段、引漢濟渭嶺北隧道TBM施工段及收集到的大規(guī)模斷層TBM施工案例，建立了TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫，以施工中遇到的斷層對TBM施工利用率的影響為基礎(chǔ)對斷層進行了初步分級，并研究了不同等級斷層對于TBM單刀推力Fn、貫入度P、刀盤扭矩T、刀盤轉(zhuǎn)速RPM、掘進速度PR及施工進度AR的影響，主要得到以下結(jié)論：

(1)隨著斷層寬度的增大，TBM利用率呈現(xiàn)出下降的趨勢，二者呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)的關(guān)系。斷層面與隧道軸線夾角對TBM利用率的影響只有在斷層寬度處于一定范圍才明顯。

(2)不同等級的斷層對TBM掘進參數(shù)具有顯著的影響，斷層級別越高，TBM單刀推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、施工進度越小，同樣推力的貫入度越大，對TBM破巖越有利，但是會降低TBM利用率，從而延誤施工進度。

本文建立的TBM過斷層帶施工數(shù)據(jù)庫所包含的隧道洞徑均在8 m左右，沒有考慮不同洞徑和地應(yīng)力對于TBM掘進的影響。另外因數(shù)據(jù)庫中大斷層的數(shù)據(jù)不詳盡，得出的結(jié)論具有一定的局限性，下一步工作應(yīng)該擴展斷層數(shù)據(jù)庫的樣本，以便獲取更有普遍意義的結(jié)論。