楊繼華,閆長(zhǎng)斌

(1.黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,鄭州 450003; 2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院,鄭州 450001)

1 研究背景

目前,國(guó)內(nèi)外的山嶺巖石隧洞施工主要有鉆爆法和TBM法2種方法,其中TBM法以其快速、安全、高效、環(huán)保的特點(diǎn)在水利水電、鐵路、公路及城市軌道交通等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。相對(duì)于鉆爆法,施工速度快是TBM法隧洞施工的核心優(yōu)勢(shì)。山西萬(wàn)安寨引黃工程南干線雙護(hù)盾TBM創(chuàng)造了最高日進(jìn)尺99.37 m、月進(jìn)尺1 821.51 m、連續(xù)10個(gè)月掘進(jìn)14 541 m的國(guó)內(nèi)TBM施工速度記錄[4];吉林引水供水工程開敞式TBM最高日進(jìn)尺70.4 m,最高月進(jìn)尺1 226 m[5];錦屏二級(jí)水電站1#引水隧洞開挖洞徑12.43 m,采用開敞式TBM施工,最高月進(jìn)尺達(dá)到682.9 m[6]。

各項(xiàng)TBM隧洞施工過程中,施工速度是參建各方最為關(guān)注的指標(biāo)之一,直接影響到工程的建設(shè)成本與工期[7-10]。國(guó)內(nèi)外的TBM施工經(jīng)驗(yàn)表明,隧洞的地質(zhì)條件是影響TBM掘進(jìn)效率的主要因素。在隧洞工程前期的設(shè)計(jì)階段及施工階段中,基于隧洞的地質(zhì)條件對(duì)TBM的施工速度進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)工程概算、工期估算、施工組織設(shè)計(jì)等具有重要的指導(dǎo)意義。

針對(duì)TBM施工速度預(yù)測(cè),較多的學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了相關(guān)問題的研究:龔秋明等[11]以引漢濟(jì)渭工程嶺北TBM施工為背景,采用RMR圍巖分級(jí)法,擬合了RMR值與TBM利用率、掘進(jìn)速度及施工速度的相關(guān)性;王旭等[12]對(duì)國(guó)內(nèi)4條隧洞TBM施工數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),提出了利用巖體可掘性指數(shù)預(yù)測(cè)TBM凈掘進(jìn)速度、用巖體質(zhì)量分類指標(biāo)預(yù)測(cè)TBM利用率,從而計(jì)算出TBM的施工速度;曹瑞瑯等[13]對(duì)國(guó)內(nèi)外的32個(gè)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了參數(shù)分析,提出了將巖體分類法(如RMR法、RSR法及Q系統(tǒng))應(yīng)用到TBM凈掘進(jìn)速度的預(yù)測(cè);羅華[14]采用線性回歸的方法分析了隧洞圍巖相關(guān)參數(shù)對(duì)TBM破巖規(guī)律的影響,并引入智能分析方法深度置信網(wǎng)絡(luò),建立了基于機(jī)械參數(shù)和巖石參數(shù)的TBM性能預(yù)測(cè)模型;Rostami[15]提出,TBM掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)的最佳方法是在給定的地質(zhì)條件下,使用各種模型來(lái)預(yù)測(cè)TBM的貫入度和掘進(jìn)速度范圍,選擇最能代表實(shí)際的模型,即不同的預(yù)測(cè)模型均有其適用的地質(zhì)條件;Delisio等[16]根據(jù)L?tschberg隧道160個(gè)洞段的TBM掘進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)參數(shù),通過多元回歸,提出了塊狀巖石條件下TBM貫入度指數(shù)(FPI)的預(yù)測(cè)模型。由以上研究現(xiàn)狀可以看出,TBM掘進(jìn)性能及施工速度預(yù)測(cè)方法和模型眾多,但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性,所選取的參數(shù)及權(quán)重各不相同,導(dǎo)致基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)或某條隧洞數(shù)據(jù)建立的模型很難直接應(yīng)用于其它工程,因此需要根據(jù)具體隧洞的情況建立適用于本工程的預(yù)測(cè)模型。

本文以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工為背景,基于水利水電工程圍巖分類HC評(píng)分,建立TBM利用率、TBM凈掘進(jìn)速度與圍巖分類評(píng)分HC值的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)而對(duì)TBM施工速度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2 TBM施工速度及其地質(zhì)影響因素

2.1 TBM施工速度

TBM施工速度又稱平均掘進(jìn)速度(Advance Rate,簡(jiǎn)寫為AR),指的是一段時(shí)間內(nèi)(包括掘進(jìn)時(shí)間和停機(jī)時(shí)間)的TBM進(jìn)尺,一般用平均日進(jìn)尺、平均周進(jìn)尺、平均月進(jìn)尺等表示。日施工速度為凈掘進(jìn)速度(PR)與TBM日設(shè)備利用率(U)的乘積,即

AR=PR×U×24×60/1 000 。

(1)

式中:AR為TBM施工速度(m/d);PR為凈掘進(jìn)速度(mm/min);U為TBM設(shè)備利用率,取值范圍為0～1。

2.2 地質(zhì)影響因素及指標(biāo)的量化

TBM施工隧洞的地質(zhì)因素中,圍巖的多項(xiàng)指標(biāo)如巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、地應(yīng)力、地下水等均會(huì)對(duì)TBM的凈掘進(jìn)速度和利用率造成較大的影響。以上指標(biāo)均包含在各圍巖分類(級(jí))評(píng)價(jià)體系中,如RMR法[17]、Q系統(tǒng)[18]、國(guó)標(biāo)BQ分級(jí)法[19],通過對(duì)各指標(biāo)賦與一定的權(quán)重(評(píng)分),綜合評(píng)價(jià)圍巖的質(zhì)量等級(jí)。本研究的背景為水利水電工程的隧洞,故圍巖分類選擇國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[20]的圍巖分類方法(以下簡(jiǎn)稱HC法)。HC法綜合考慮圍巖的各項(xiàng)地質(zhì)指標(biāo),按綜合評(píng)分的方法將圍巖分為5類,如表1所示,可量化反映隧洞圍巖地質(zhì)特征。具體分類方法中的巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、地應(yīng)力、地下水等各指標(biāo)的權(quán)重(評(píng)分)值見文獻(xiàn)[20]附錄N。其考慮的各項(xiàng)指標(biāo)均對(duì)TBM的掘進(jìn)產(chǎn)生一定的影響。故本文以HC法圍巖分類的評(píng)分值為依據(jù),基于現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)的TBM掘進(jìn)各項(xiàng)實(shí)測(cè)參數(shù),分析HC圍巖分類法評(píng)分值與TBM凈掘進(jìn)速度和TBM利用率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而建立TBM施工速度預(yù)測(cè)模型。

表1 水利水電圍巖分類標(biāo)準(zhǔn)(HC法)[20]Table 1 Classification standard for surrounding rock of water conservancy and hydropower projects(HC method)[20]

3 TBM凈掘進(jìn)速度、利用率與HC評(píng)分的相關(guān)性研究

3.1 工程背景

蘭州市水源地建設(shè)工程位于甘肅省臨夏州永靖縣及蘭州市西固區(qū),工程從劉家峽水庫(kù)取水,通過隧洞輸送至水廠,向蘭州市主城區(qū)供水。工程建筑物主要包括取水口、輸水隧洞、通氣井、分水井、水廠等,其中輸水隧洞是其控制性工程,全長(zhǎng)約31.5 km,采用2臺(tái)雙護(hù)盾TBM與鉆爆法聯(lián)合施工,開挖洞徑5.48 m,初砌后洞徑4.60 m,其中TBM1#施工段長(zhǎng)約10.7 km[21-23]。

隧洞地層巖性多,存在多處巖性分界及接觸帶,隧洞施工中遇到的工程地質(zhì)問題主要有破碎帶節(jié)理密集帶塌方、涌水及圍巖大變形等。

TBM1#施工段所采用的雙護(hù)盾TBM技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 TBM技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of TBM

3.2 現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)的獲取

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1#施工過程中,采取以下方法獲取TBM參數(shù)及地質(zhì)參數(shù)。

3.2.1 TBM參數(shù)

TBM參數(shù)主要包括TBM推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、凈掘進(jìn)速度等,這些參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在TBM控制計(jì)算機(jī)上,可實(shí)時(shí)讀取(圖1)。

圖1 TBM掘進(jìn)參數(shù)的實(shí)時(shí)獲取Fig.1 Real-time acquisition of TBM tunneling parameters

3.2.2 圍巖參數(shù)

采取現(xiàn)場(chǎng)人工取樣、室內(nèi)巖石試驗(yàn),現(xiàn)場(chǎng)TBM伸縮護(hù)盾處及掌子面巖石回彈試驗(yàn)獲取巖石的單軸抗壓強(qiáng)度(圖2、圖3),通過掌子面圍巖觀察獲取圍巖的完整性指標(biāo)及結(jié)構(gòu)面狀態(tài)指標(biāo)(圖4),通過隧洞埋深及前期勘察取得的地應(yīng)力擬合公式獲取地應(yīng)力指標(biāo),通過圍巖含水性觀察及流量測(cè)試確定地下水指標(biāo)。獲取各指標(biāo)后按照HC法進(jìn)行賦值評(píng)分,最后計(jì)算出HC總評(píng)分值。

圖2 取原狀巖樣進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)Fig.2 Uniaxial compressive strength test of undisturbed rock samples

圖3 高強(qiáng)度回彈儀Fig.3 High strength rebound instrument

圖4 掌子面圍巖觀察獲取圍巖完整性指標(biāo)Fig.4 Observation of surrounding rock in tunnel face to obtain the integrity index of surrounding rock

3.2.3 TBM利用率

在計(jì)算TBM利用率時(shí),統(tǒng)計(jì)出每天純掘進(jìn)時(shí)間與每天計(jì)劃掘進(jìn)時(shí)長(zhǎng)20 h的比值,即為TBM的利用率。

3.2.4 TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞TBM1#施工過程中,為避免圍巖變化造成數(shù)據(jù)離散性大,選擇圍巖整體變化較小或基本不變的洞段,以天為單位統(tǒng)計(jì)圍巖參數(shù)、TBM參數(shù)及TBM利用率等數(shù)據(jù)。為體現(xiàn)數(shù)據(jù)的均衡性、一致性及便于擬合分析,選擇的圍巖HC值從10到90之間盡量均勻分布。表3為代表性洞段共41段的相關(guān)參數(shù)。

表3 代表性洞段不同地質(zhì)條件下TBM凈掘進(jìn)速度及利用率統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics of penetration rate and utilization rate of TBM under different geological conditions in representative tunnel sections

3.3 TBM凈掘進(jìn)速度與圍巖HC評(píng)分的關(guān)系

在HC法圍巖分類評(píng)分中,選取的圍巖參數(shù)主要是巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖體完整性、節(jié)理性狀、節(jié)理走向與洞軸線的關(guān)系、地下水條件、地應(yīng)力條件等,基本上包含了會(huì)對(duì)TBM掘進(jìn)效率產(chǎn)生影響的所有因素,因此可通過HC評(píng)分研究地質(zhì)因素對(duì)TBM凈掘進(jìn)速度的影響。在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工中,選擇了41段典型洞段的圍巖與凈掘進(jìn)速度等數(shù)據(jù)(表3)。為研究TBM凈掘進(jìn)速度與圍巖HC評(píng)分值的關(guān)系,選擇了常用的線性函數(shù)、二次函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,擬合結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出,線性函數(shù)、二次函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)擬合的曲線數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)均>0.50,但二次函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.84,擬合度更高,因此可作為TBM凈掘進(jìn)速度與圍巖HC的擬合函數(shù),即

圖5 TBM凈掘進(jìn)速度與HC評(píng)分?jǐn)M合關(guān)系Fig.5 Fitting relations between TBM penetration rate and HC score

PR=-0.011 1HC2+0.387 3HC+68.717 。

(2)

式中HC為圍巖評(píng)分值。

由二次函數(shù)擬合曲線可以看出,當(dāng)HC值>20時(shí),隨著HC評(píng)分值的降低,TBM的凈掘進(jìn)速度逐漸提高。這主要是由于隨著HC評(píng)分的降低,圍巖力學(xué)參數(shù)中巖石單軸抗壓強(qiáng)度降低,巖體完整性系數(shù)降低,TBM在較低的推力條件下即可獲得較高的貫入度,從而造成凈掘進(jìn)速度的提高。隨著HC評(píng)分的提高,圍巖的單軸抗壓強(qiáng)度和完整性均提高,即使TBM在最大推力條件下工作,也難以獲得較高的貫入度,進(jìn)而導(dǎo)致凈掘進(jìn)速度的降低。

3.4 TBM利用率與圍巖HC評(píng)分的關(guān)系

為研究TBM利用率與圍巖HC評(píng)分值的關(guān)系,同樣選擇了常用的線性函數(shù)、二次函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合,擬合結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,線性函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)擬合的曲線數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)低于0.40,不適合作為TBM利用率與圍巖HC評(píng)分的擬合函數(shù),而二次函數(shù)擬合的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.82,擬合度更高,可作為TBM利用率與圍巖HC評(píng)分的擬合函數(shù),這與文獻(xiàn)[24]的研究結(jié)論基本一致。因此,本文選擇二次函數(shù)作為TBM利用率與圍巖HC評(píng)分的擬合函數(shù),即

圖6 TBM利用率與HC評(píng)分?jǐn)M合關(guān)系Fig.6 Fitting relations between TBM utilization rate and HC score

U=-0.000 3HC2+0.032 4HC-0.338 2 。

(3)

式中U為TBM利用率。

由二次函數(shù)擬合曲線可以看出,TBM利用率隨著HC評(píng)分值的增加先增加后降低,在HC評(píng)分分值為52時(shí)最高,最高利用率為50%。主要原因如下:當(dāng)HC評(píng)分值較低時(shí),巖石強(qiáng)度低、巖體完整性差,易發(fā)生涌水、圍巖大變形、掌子面及頂拱圍巖塌方等事故,TBM需要停機(jī)對(duì)不良地質(zhì)條件進(jìn)行處理,從而降低了TBM利用率;當(dāng)HC評(píng)分分值較高時(shí),巖石強(qiáng)度高、巖體完整,為獲得一定的掘進(jìn)速度,TBM需要在大推力的條件下工作,易造成刀具磨損過快及設(shè)備故障,刀具維修、更換及設(shè)備故障處理需要占用掘進(jìn)時(shí)間,從而降低TBM設(shè)備利用率。

4 TBM施工速度預(yù)測(cè)模型及驗(yàn)證

4.1 TBM施工速度預(yù)測(cè)模型

根據(jù)式(1)—式(3),蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工速度預(yù)測(cè)模型可以表示為

AR=(-0.011 1HC2+0.387 3HC+68.717)×

(-0.000 3HC2+0.032 4HC-0.338 2)×

24×60/1 000 。

(4)

式(4)中,TBM施工速度為圍巖分類評(píng)分HC值的函數(shù),式中僅一個(gè)變量,便于計(jì)算,可作為TBM施工速度預(yù)測(cè)模型。

在式(4)的預(yù)測(cè)模型中,當(dāng)HC值<10及>90時(shí),計(jì)算出的施工速度出現(xiàn)負(fù)值,與實(shí)際不符,因此式(4)僅適用于HC值在10～90的情況。圖7為經(jīng)過式(4)預(yù)測(cè)的TBM掘進(jìn)速度與HC評(píng)分的對(duì)應(yīng)關(guān)系,可以看出,當(dāng)圍巖的HC評(píng)分為41～46(圍巖類別為Ⅲ類或Ⅳ類)時(shí),TBM的施工速度達(dá)到最高,日進(jìn)尺達(dá)到45 m以上;當(dāng)HC評(píng)分<41時(shí),TBM施工速度隨著HC評(píng)分的降低而降低,當(dāng)HC評(píng)分>46時(shí),TBM施工速度隨著HC評(píng)分的增加而降低。

圖7 TBM施工速度與HC評(píng)分的關(guān)系Fig.7 Relationship between TBM advance rate and HC score

4.2 模型的有效性驗(yàn)證

在蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞的雙護(hù)盾TBM施工數(shù)據(jù)中,選擇不同巖性、不同圍巖類別條件下圍巖評(píng)分值,通過式(4)計(jì)算出施工速度,并與實(shí)際施工速度進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?預(yù)測(cè)施工速度與實(shí)際施工速度吻合較好,平均誤差為5.2%,最大誤差<10%,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可靠,可用于雙護(hù)盾TBM施工速度預(yù)測(cè)。

表4 預(yù)測(cè)施工速度與實(shí)際施工速度統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistics of predicted advance rate and actual advance rate

5 關(guān)于預(yù)測(cè)模型的討論

5.1 雙護(hù)盾TBM適宜掘進(jìn)的地質(zhì)條件

雙護(hù)盾TBM的掘進(jìn)與管片安裝均在護(hù)盾保護(hù)下同時(shí)進(jìn)行,洞壁圍巖基本無(wú)裸露,隧洞頂拱及兩側(cè)洞壁的圍巖掉塊或小規(guī)模坍塌,可得到護(hù)盾和管片的有效支撐,不會(huì)威脅到洞內(nèi)人員和設(shè)備的安全。只要不遇到極端不良地質(zhì)條件(Ⅴ類圍巖)發(fā)生圍巖大規(guī)模坍塌、軟巖大變形、巖爆及突水等導(dǎo)致卡機(jī)或掘進(jìn)受阻等,雙護(hù)盾TBM可正常掘進(jìn)。當(dāng)洞壁圍巖不能為支撐靴提供足夠的支撐反力時(shí),雙護(hù)盾TBM還可采用輔助推進(jìn)油缸支撐在已安裝完成的管片上獲得掘進(jìn)推進(jìn)力,仍可正常掘進(jìn)。

從以上分析可知,當(dāng)HC評(píng)分值在26～65之間時(shí),TBM可獲得30 m/d的施工速度,亦即雙護(hù)盾TBM對(duì)Ⅲ類或Ⅳ類圍巖具有較好的適應(yīng)性。

5.2 模型針對(duì)開敞式TBM需要進(jìn)一步修正

開敞式TBM在局部穩(wěn)定性差或不穩(wěn)定的Ⅲ、Ⅳ類圍巖(HC值在26～65之間)中掘進(jìn)時(shí),當(dāng)圍巖出護(hù)盾后,需要根據(jù)圍巖穩(wěn)定性情況進(jìn)行錨桿、掛網(wǎng)、噴混凝土、鋼拱架支護(hù),會(huì)占用一定的掘進(jìn)時(shí)間,從而降低TBM的利用率;當(dāng)圍巖不能為支撐靴提供足夠的支撐反力時(shí),需要對(duì)支撐靴部位的圍巖進(jìn)行加固,會(huì)進(jìn)一步降低TBM利用率,從而降低TBM的施工速度。因此式(4)的預(yù)測(cè)模型不能直接應(yīng)用于開敞式TBM的施工速度預(yù)測(cè),需要根據(jù)開敞式TBM的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)模型作進(jìn)一步的修正。

5.3 基于前期勘察資料對(duì)TBM施工速度預(yù)測(cè)的可行性

一般情況下,在TBM施工前,對(duì)施工速度進(jìn)行合理的預(yù)測(cè)是工程參建各方重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。本文提出的雙護(hù)盾TBM施工速度預(yù)測(cè)模型,僅有HC值一個(gè)變量,對(duì)于水利水電工程,在初步設(shè)計(jì)階段隧洞各段的HC值是應(yīng)提供的參數(shù)之一,因此根據(jù)HC值進(jìn)行雙護(hù)盾TBM施工速度預(yù)測(cè)是可行的。

對(duì)于其他行業(yè)的隧洞,如鐵路、公路、城市軌道交通等,均有其圍巖分類或分級(jí)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),可根據(jù)其評(píng)分與相關(guān)TBM實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立施工速度預(yù)測(cè)模型。

6 結(jié) 語(yǔ)

(1)在分析隧洞地質(zhì)條件對(duì)TBM施工速度影響的基礎(chǔ)上,以蘭州市水源地建設(shè)工程輸水隧洞雙護(hù)盾TBM施工為背景,采用常用的線性函數(shù)、二次函數(shù)、對(duì)數(shù)函數(shù)、冪函數(shù)、指數(shù)函數(shù)對(duì)隧洞的圍巖分類評(píng)分HC值與TBM凈掘進(jìn)速度、TBM利用率進(jìn)行了擬合。結(jié)果發(fā)現(xiàn):TBM凈掘進(jìn)速度與HC值呈二次函數(shù)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)為0.84; TBM利用率與圍巖HC值呈二次函數(shù)關(guān)系,相關(guān)性系數(shù)為0.82。

基于TBM凈掘進(jìn)速度、TBM利用率與HC值關(guān)系建立了TBM施工速度預(yù)測(cè)模型,通過現(xiàn)場(chǎng)25組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn),發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)施工速度與實(shí)際施工速度吻合較好,平均誤差為5.2%,最大誤差<10%,說(shuō)明預(yù)測(cè)模型可靠,可用于雙護(hù)盾TBM施工速度預(yù)測(cè)。

(2)預(yù)測(cè)模型基于圍巖的HC值,綜合考慮了圍巖的強(qiáng)度、完整性、地下水、地應(yīng)力等全部條件,排除了多個(gè)參數(shù)相互干擾的問題,模型只有HC一個(gè)變量,計(jì)算較為簡(jiǎn)單。