护盾式全断面岩石掘进机隧洞施工的围岩适宜性分类

侯 浩,张之钰

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

护盾式全断面岩石掘进机隧洞施工的围岩适宜性分类

侯 浩,张之钰

(水利部山西水利水电勘测设计研究院,山西太原 030024)

中国目前的地下工程围岩分类法,其核心为围岩稳定性,对于全断面岩石掘进机施工并不完全适用。从隧洞掘进机施工的特点和总结影响护盾式掘进机施工的地质因素入手,尝试提出以岩性及岩性组合、围岩完整程度、地下水为主要衡量指标的掘进机施工适宜性分类方法,并介绍了山西引黄工程隧洞护盾式掘进机施工的实践,可供同类工程勘察、衬砌设计参考。

工程地质;TBM;围岩;适宜性分类

0 引言

上世纪90年代以来,全断面岩石掘进机(TBM)在中国隧洞施工中得到了较大规模的应用。TBM施工因其掘进快速安全、对围岩扰动小等优势,越来越受到青睐。但同时也应看到,TBM施工有其适用的围岩范围,并不是所有洞室围岩都适宜采用TBM施工,全断面岩石掘进机造价昂贵,一旦投入使用而围岩不适宜,则造成的损失非常巨大。因此,对TBM施工的围岩适宜性做出评价非常重要。

国内现采用的围岩分类方法均是以围岩稳定性为核心的分类方法,它与钻爆法的施工特点相适应,而TBM施工与钻爆法相比有很大的不同,原有的围岩分类方法对TBM隧洞施工的借鉴有局限性,有必要将稳定性分类与适宜性分类区别开来。

全断面岩石掘进机一般分为护盾式岩石掘进机及开敞式岩石掘进机,本文试图重点就护盾式掘进机施工的围岩适宜性分类方法进行探讨。

1 TBM隧洞施工的特点

TBM隧洞施工有如下特点:

(1)从TBM掘进特点看,TBM施工有一定的围岩适用范围,并不是围岩稳定性越好,TBM施工越适宜。

(2)TBM的施工速度大大快于常规钻爆法,双护盾掘进机更是集中了快速掘进、快速衬砌一次成洞的优点,正常情况下一个断面从开挖到衬砌基本完成,延续时间不会超过14 d。因此,该方法对围岩自稳时间没有过高的要求。

(3)TBM对围岩的扰动小,其支护又非常及时,更符合新奥法的现代开挖支护理念。

(4)目前,T BM施工的隧道直径大都在5～10 m之间,不需要像特大洞室那样对围岩自稳提出更高的要求。

(5)护盾式掘进机施工,在时间和空间方面都对围岩的观察和地质编录的条件形成了制约,难以按照常规要求进行分项评分来判定围岩类别,从而确定支护类型。

(6)同护盾式掘进机相比,开敞式掘进机的防护条件、作业条件、支撑条件不尽相同,特别是永久衬砌施作时间延后,对围岩自稳时间等要求较高,二者在围岩适宜性方面有较大差别。

(7)绝大部分隧道都不可能由均质地层或单一的围岩类别构成,现实可行的方法是,确定某一种占较大比重或对隧洞施工的工期、造价起控制作用的围岩类别作为主体围岩,兼顾其它围岩条件,对掘进机进行个性化设计,这样才能最大限度地发挥掘进机的优势和潜能,取得事半功倍的效果,因此有必要确立“主体围岩”的概念。

从T BM隧洞施工的这些特点看,目前国内的围岩分类方法对T BM隧洞施工的借鉴有局限性,也不利于对该种方法施工的隧洞衬砌设计提供合理可靠的依据。

2 影响TBM隧洞施工的主要地质因素

2.1 岩性及岩性组合

掘进机的盘形滚刀破岩以挤压、研磨为主,它会使岩石产生裂缝扩展的张拉破坏、剪切破坏及挤压破坏,故岩性及岩性组合是全断面岩石掘进机隧洞施工时最敏感的地质因素。

不同的岩性有其各自的强度范围。岩石的抗拉强度和抗剪强度均小于抗压强度,故抗压强度可作为掘进机掘进的控制指标,且该指标较容易由试验求得。从适宜性角度考虑,掘进机掘进并不是岩石强度越高越好。岩石强度越高,刀具的磨损也越大,掘进速度会减慢,在岩石强度很高时可能出现进尺非常缓慢的现象。国内使用过的双护盾全断面岩石掘进机技术参数中,岩石抗压强度一般30～150 MPa,最大320 MPa。实践表明,掘进机在单轴抗压强度30～120 MPa时会有较高的掘进速度[1]。TBM掘进时主要克服的岩石强度是天然抗压强度,岩石的强度指标宜以天然状态单轴抗压强度衡量。

对于特殊岩石,如膨胀岩、流变岩等应具体分析。膨胀岩应考虑其膨胀性强弱,岩石呈弱膨胀性且地下水影响不大时,对掘进机的适宜性影响有限。软弱流变岩掘进时易产生包机头等现象,且容易对隧洞衬砌造成破坏。其变形和应力释放过程相当漫长,据山西引黄联接段7#隧洞流变岩洞段监测,连续8个月应力调整仍未停止,有资料介绍持续时间可长达数年。

覆盖层结构松散,强度低,土层中容易产生机头下沉、滚刀包泥等现象,砂卵砾石层中容易出现坍塌冒顶现象,一般不适于掘进机施工,尤其是湿陷性黄土、膨胀土、软土等。

自然界大部分地区岩石并不单一出现,而是由多种岩石共同组成地质体,自然界较多见的是硬质岩与软质岩的组合,这也是掘进机施工时应关注的围岩地质组合。在这种组合中,应重点关注的是软质岩的分布及性状。

由于软质岩的变形量相对较大,所以在组合中起主要作用的是软质岩的分布及性状。据工程经验,当围岩周边径向位移相对值<5%时,可以采用护盾式掘进机开挖。对于掘进机施工可以考虑用软质岩所占比例、软质岩层连续厚度等指标衡量。软质岩层连续厚度并非实际变形厚度,隧洞径向变形量一般不会超过此厚度。软质岩所占比例越低、连续软质岩层厚度越薄,则围岩适宜性越好。引黄工程南干线7号隧洞中有37 km为砂页岩相间分布,其中泥页岩所占比例为10%～50%,采用TBM施工在2000年底成功贯通。

2.2 岩体完整程度

岩体完整程度是影响围岩适宜性的又一重要因素。当岩体完整时,围岩的稳定性主要由岩性控制,此时的掘进贯入度较低。当岩体中结构面增加,完整程度降低时,围岩的易掘进性逐步过渡到由岩性与结构面共同控制,此时掘进机的掘进贯入度增加,往往进尺加快。但当完全由结构面控制,岩体呈破碎状态时,掘进事故率增加,总体进尺反而减慢。

表征岩体破碎程度的指标为岩体完整性指数Kv,它可以通过钻孔、探洞等实测,也可通过节理统计近似确定。根据岩体完整性指数与掘进速度的统计资料,当Kv值介于0.38～0.75时,即岩体处于较完整、较破碎状态时掘进速度较快。

2.3 地下水

地下水对掘进的影响主要体现在三方面:一是突水、涌水会对掘进产生直接影响,如台湾雪山隧道等在施工中就受到了高压涌水的影响;二是水会降低岩石的抗压强度,影响围岩稳定性,尤其对于软质岩,强度降低非常显著,甚至可能产生泥化,在隧洞开挖涉及地下水时,隧洞就成为排水廊道,使隧洞周围的地下径流趋于活跃,因此,即使是原本就处于地下水位之下呈饱和状态的围岩,在隧洞开挖后岩石强度也会不同程度降低;三是触发对水敏感的特殊性岩石的特殊工程性质,如膨胀岩遇水可能触发膨胀变形,原来就在水下的膨胀岩则有可能因开挖而失去侧限产生新的膨胀变形。

护盾式掘进机开挖由于支护及时,对减低岩石软化程度及膨胀变形有利。具有一定强度的完整的软质岩,如果无地下水影响时,采用TBM施工也较适宜。引黄联接段7#隧洞穿过较长的泥灰岩洞段,均处于地下水位之上,其天然抗压强度一般5～10MPa,在施工中除出现一次蠕变卡机外,其余均很顺利且掘进速度快。

2.4 其它

当围岩处于高地应力环境时,脆性岩体及完整的岩石有可能发生岩爆;软弱岩体有可能产生大的围岩变形。但护盾式掘进机施工由于支护及时,对抑制变形有一定的作用。

当掘进遇大的断层破碎带时,容易发生大的坍塌;当掘进遇大的溶洞时,可能发生机身下沉、洞壁无支撑无法掘进、突水、充填物坍塌等现象。此等不利地质条件对掘进机可能是不适宜的。

3 护盾式T BM隧洞施工的围岩适宜性分类

参考国内现有围岩分类(级)标准,结合护盾式掘进机施工的特点和中国国内隧洞工程应用掘进机施工的经验,笔者尝试提出了以岩性及岩性组合、岩体完整程度、地下水为主要指标加以界定的分类方法,分类中所用的定性指标力求简单明确,定量指标力求方便易测,从而增加分类的可操作性。具体见表1。

由于现阶段国内使用TBM施工仍相对较少,相关资料缺乏,分类表中一些控制指标具有一定的主观性,有待更多实践检验及完善。

需要说明的是,本分类意在事前控制,为使评价简单明了,容易对号入座,分类时采用了排列组合的方式,组合中存在漏项,并未包含自然界所有的围岩类型。故本分类为非完全性分类,但分类涵盖了自然界大多数的围岩类型。

4 山西引黄工程的实践

山西引黄工程先后使用6台双护盾掘进机,迄今进行了9条、约131 km水工隧洞施工。在十多年的施工历程中,经历了多种多样的围岩条件,也遇到过非常复杂棘手的困难地段,从中积累了丰富的经验,也有一些可资借鉴的教训。

总体来说,绝大部分隧洞段在开挖衬砌后,并没有发现围岩直接作用于衬砌顶、边拱混凝土管片的情况。这说明大多数围岩的自稳时间对于掘进机施工来说是足够的。可以认为这些隧洞段适宜或基本适宜掘进机施工,多属于表1中的Ⅰ、Ⅱ类。但是,也遇到过极软地层、断层破碎带、大溶洞、流变岩等表1中的Ⅲ、Ⅳ类围岩条件,给施工造成很大的困扰。当Ⅲ类、Ⅳ类围岩成为主体围岩或者Ⅲ、Ⅳ类占比例较大时,是否采用掘进机施工,就要慎重考虑。经验表明,对于位于岩石隧洞进出口的覆盖层洞段,采用人工开挖和支护更为有利。多数情况下,还可以成为掘进机进入工作面之前的导引洞段。

表1 护盾式全断面岩石掘进机施工的围岩适宜性分类Table 1 Suitability classification ofwall rock when constructing by shielded full face rock TBM

上述围岩分类的探索形成过程,对山西引黄工程后期的隧洞设计,也产生了积极的影响,并取得了明显效果。

联接段7#隧洞的衬砌设计,借鉴了新奥法隧洞开挖支护理论,改变了以往预制混凝土管片钢筋用量同传统围岩类别一一对应的思路。对于传统分类中Ⅲ类和好于Ⅲ类的围岩,设计认为可以充分发挥围岩的自承载能力,从而将衬砌混凝土管片限于构造配筋,考虑施工荷载对管片周边予以加强,称为轻型管片。传统Ⅳ类围岩和以泥灰岩(整体性较好,无地下水影响)为主的Ⅴ类围岩,考虑由衬砌结构同围岩共同承受山岩压力,按照结构力学方法计算配筋,称为中型管片。当遇到断层破碎带、泥化岩段和流变岩段等特殊地质条件时,按照松散体理论,由衬砌结构承受全部山岩压力,使用加强配筋的重型管片。由于重型管片的使用量非常有限,这就大幅降低了总的钢筋用量。

[1] 水利部科技推广中心.全断面岩石掘进机[M].北京:石油工业出版社,2005:155-156.

(责任编辑:胡立智)

Suitability Classification of Wall RockW hen Tunnel Constructed by Shielded Full Face Rock TBM

HOU Hao,ZHANG Zhiyu
(Shanxi Hydroelectric Investigation&Design Institute of theMinistry of Water Resources P.R.C.,Taiyuan,Shanxi030024)

At present,the core of our classification of wall rock in underground engineering is the stability of rock.It’s not suit for shielded full face rock TBM constructing.In this paper,the characteristics of TBM and the summary of geological factorswhich impact TBM constructingwere studied,and then the suitability classification method by lithology and lithological composition,integrity ofwall rock,undergroundwater as the main measure of TBM was adviced.At last,the practice which construct tunnel by TBMin Shanxi Yellow River Diversion Project was introduced.It will be referenced by similar projects and lining design.

engineering geology;TBM;wall rock;suitability classification

TV554

A

1671-1211(2010)05-0527-04

2010-07-28;改回日期:2010-09-03

侯浩(1968-),男,高级工程师,水文工程地质专业,从事水文工程地质方面的工作。E-mail:HHH555LLL@TOM.com