宝林隧洞TBM施工适宜性评价方法探讨

彭义峰, 江 妤, 方 平, 黄定强, 袁振平

(湖北省水利水电规划勘测设计院,湖北 武汉 430064)

鄂北水资源配置工程宝林隧洞属于鄂北水资源配置工程下段的控制性节点工程,位于广水市东北,隧洞的起点桩号为244+650,终点桩号为258+490,隧洞全长13.84 km,其洞径仅为4.0～5.6 m,由于隧洞沿线没有条件布置施工支洞,因此本隧洞采用TBM施工方法进行施工,其TBM施工长度为10.25 km,桩号247+850～258+100 。本文主要介绍水利工程对输水隧洞围岩TBM施工适宜性进行评价的一般方法与施工中应注意的主要工程地质问题[1]。

采用TBM代替传统的钻爆法,在相同的条件下,其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍,具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点,能极大提高效率,但是工程造价高于常规钻爆法,TBM选型主要根据设计断面及地质条件综合考虑[2]。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

隧洞穿越区地面高程100～748 m。属于丘陵—低山地貌类型。其中桩号249+820穿过中华山最高山脊,高程为748 m;桩号244+650～245+550段地形呈岗波状起伏。桩号245+550～249+820(中华山脊)段地面逐渐抬起,坡角平均为8°～15°。桩号249+820(中华山脊)～252+660(高峰寺水库西支沟)段高程逐渐下降,坡角度10°～20°。桩号252+660(高峰寺水库西支沟)～258+490段地面高程一般为100～386 m,平均244 m。

1.2 地层岩性

隧洞沿线地面高程118.3～750 m,相对高差630 m左右,为中低山地形。隧洞穿越的地层主要有:

(1) 下元古界红安群七角山组(Pt1q)。白云钠长片麻岩、钾长片麻岩,局部夹大理岩透镜体,分布在桩号244+650～247+070段之间。

(2) 太古界桐柏山群新店组(Arx)。混合片麻岩,分布在桩号247+070～251+450段之间。

(3) 太古界桐柏山群黄土寨组(Arh)。黑云奥长混合片麻岩,分布在桩号251+450～258+490段之间。

1.3 地质构造

洞线褶皱主要为关门山倒转复式背斜的次一级背斜,背斜轴线桩号247+700左右与线路相交,轴线走向为310°～320°,两翼出露地层为太古界桐柏山群新店组(Arx)混合片麻岩和黄土寨组(Arh)黑云奥长混合片麻岩,南翼被孙家畈—广水逆断层(F30)所断,构造不完整,连续性被破坏。根据勘察与洞线相交的主要分布有5条断层,具体情况如下:

(1) 孙家畈—广水逆断层(F30)与洞线在桩号246+200附近相交,断层产状40°∠80°～55°∠55°。构造角砾岩和挤压透镜体沿断裂带分布,具糜棱岩化、绿泥石化、碎裂岩化,胶结较好,沿线未见地下泉水点。

(2) 麦地湾—五童坳平推断层(F31)与线路桩号247+400附近相交,断面产状135°∠75°。沿破碎带有角砾岩分布,局部地段有糜棱岩,错断大理岩层。断层北西侧有伟晶岩脉分布,未见明显地下水活动痕迹。

(3) 断层(F31-1)与线路桩号248+740左右相交,断层走向NE75°左右,主要表现为冲沟两侧出露产状有变化,沿破碎带有角砾岩分布,局部地段有糜棱岩,未见明显地下水活动痕迹。

(4) 广水—大新店逆断层(F32)与线路桩号253+880附近相交,断层长度>15 km,总体走向45°～50°,断面产状150°～158°∠30°～45°。断层破碎带宽200～300 m,普遍发育碎裂岩、构造角砾岩,具压扭性结构面特征。整个脆性断裂带中具韧性变形的岩石成分,普遍具强硅化。断层穿过高峰寺水库库尾,未见明显地下水活动痕迹。

(5) 断层(F33-1)与线路桩号258+160附近相交,地表为一冲沟,总体走向45°～50°,沿北东方向与F33相交,推测此断层属于区域性断层F33断层分支,钻孔揭示岩心较破碎,透水性强,但是在隧洞穿越处,地表为一小垭口,汇水面积有限,因此只是在暴雨季节可能透水外,正常情况地下水不活跃,对隧洞施工不构成大影响。

1.4 主要岩体力学参数

本段主要分布于各种风化条件下,其岩石物理力学参数见表1。

表1 物理力学参数统计表Table 1 Statistical table of physical and mechanical parameters

根据岩石试验成果,依据SL629-2014的附录B中表B.3.2“各类围岩力学参数地质建议值”,本段隧洞各类围岩主要力学参数地质建议值如表2。

表2 宝林隧洞各类围岩主要力学参数建议值Table 2 Recommended values of major mechanical parameters of different surrounding rock of Baolin Tunnel

2 水文地质条件

2.1 地表水

与线路相交的主要冲沟有高峰寺水库的东、西支沟和余家沟共3条。其中高峰寺水库的东、西支沟日常流量测绘期间大约4～8 L/s。余家沟平时基本无水。只有下雨后才有。

2.2 地下水

隧洞沿线地下水以基岩裂隙水为主,水量较贫乏,且不均衡,主要靠大气降水补给,沟河为其排泄基准面。从野外地质调查来看,沿断层带未见泉水活动。本次勘察在隧洞沿线主要低洼地带布置勘探点,其中在F32和F33-1附近布置勘探孔,共实施了24段压水试验。其中成果统计见表3。

表3 钻孔压水试验成果统计表Table 3 Statistical table of achievements of water pressure test in borehole

从透水性段数与岩体风化程度或破碎程度相关性来看,中等透水层主要分布在表层强风化岩体及F33-1断层带,弱透水层主要分布在弱风化带中,微透水层主要为微风化—新鲜岩体。说明岩体透水性与岩体风化程度、破碎程度高度相关。

3 隧洞TBM施工适宜性评价

TBM施工的适宜性应以工程地质勘察成果及围岩基本质量类别为基础,考虑岩体完整性、岩石强度、围岩应力环境和不良地质条件等因素,结合TBM系统集成及施工应用特点综合评价。其中V类围岩、地应力高、岩爆强烈或塑性变形大的围岩不适用与采用TBM施工。所以宝林隧洞进出口段及F33-1等判别为V围岩段采用钻爆法施工,其余段采用TBM法施工。

3.1 隧洞围岩质量分类

要进行TBM施工适宜性评价首先要对隧洞围岩质量进行分类评价,隧洞围岩质量分类主要是依据《水利水电工程地质勘察规范》(GB50487-2008)“附录N围岩工程地质分类”标准的隧洞围岩的5项要素[3],即岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水活动情况、主要结构面产状与线路关系共6个方面进行评价。

隧洞围岩分类评价方法首先是根据隧道工程地质条件进行初步分段,然后在每一段选取最不利的断面进行定量评价,根据定量评价的分数进行隧洞围岩分类,宝林隧洞划分为10段,除进出口的2段外,其余8段各选定一个最不利断面进行量化打分,其量化评价见表4。

表4 典型断面围岩分类量化计算表Table 4 Quantified calculation table of surrounding rock classification of typical section

(1) 岩体饱和单轴抗压强度选取为强风化20～30 MPa，弱风化60～70 MPa,新鲜75～90 MPa。

(2) 岩体完整程度,主要依据钻孔声波及地表测绘岩体线密度,进行选取。

(3) 结构面状态主要依据地质测绘描叙的结构面状态进行赋分。

(4) 地下水主要结合钻孔压水试验、最近地表水及断层带性质进行赋分。

(5) 隧洞围岩应力比强度按下列公式计算。

S=Rb×Kv/σm

式中:S为隧洞围岩应力比;Rb为岩石饱和单轴抗压强度(MPa);Kv为岩体完整性系数;σm为围岩最大主应力(MPa),本地区取自重应力。

根据典型断面成果结合隧洞围岩工程地质条件,对本隧洞围岩进行具体分类,其各段主要岩体分类特征见表5。

表5 宝林隧洞围岩分类特征表Table 5 Classification characteristic table of surrounding rock of Baolin Tunnel

根据以上分类统计,其中Ⅱ类围岩长9.2 km,占总长度66.5%;Ⅲ类围岩长2.43 km,占总长度17.6%;Ⅳ类围岩长1.35 km,占总长度9.7%;Ⅴ类围岩长0.86 km,占总长度6.2%。

3.2 隧洞TBM适宜性评价

隧洞TBM适宜性评价主要依据《引调水线路工程地质勘察规范》(SL629-2014)的附录C“隧洞TBM施工适宜性判定”相关标准进行评价[4]。其隧洞TBM适宜性评价主要指标为隧洞围岩类别、岩体完整性(Kv),围岩强度应力比(S)、岩石饱和单轴抗压强度(Rb)。TBM施工适宜性分为适宜(A类)、基本适宜(B类)、适宜性差(C类)3个评价等次。

根据以上评价方法,宝林隧洞TBM施工适宜性评价见表6。

根据上表统计分析,适宜A类长9.15 km,占总长度89.3%,B类长1.1 km,占总长的10.7%。总体上,本段工程地质条件适合TBM施工。

表6 TBM施工适宜性评价表Table 6 Evaluation table of TBM construction suitability

4 影响TBM施工主要工程地质问题

4.1 影响TBM掘进效率的主要工程地质因素

4.1.1 岩石的单轴抗压强度(Rc)

TBM是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于抗压强度这一特征而设计的,抗压强度的高低是影响TBM掘进效率的关键因素之一。Rc越小,掘进速度越快,效率越高;Rc越大,掘进速度越慢,效率也就越低。但是Rc太小,围岩稳定性差,严重影响掘进速度;Rc太大,TBM 掘进困难,效率低下,本次勘察重点取岩样进行室内抗压试验。

4.1.2 岩石的耐磨性

国内外大量TBM施工隧洞的工程实践表明,刀具的磨损情况对TBM掘进效率以及工程的经济性影响很大[5]。仅根据岩石抗压强度、岩体完整程度来判断和预测刀具的磨损情况是不够的,岩石的耐磨性也是衡量刀具磨损情况的主要指标之一。岩石的耐磨性越高,对TBM刀具、刀圈和轴承的磨损程度也越严重,刀具消耗和施工成本就越高,并造成停机换刀次数增加,影响TBM正常掘进,相应的TBM掘进效率也就越低。而岩石耐磨性与岩石的石英含量相关。为此,本隧洞勘察中,选定典型岩样进行的石英含量分析,其分析方法分别采用磨片的岩矿鉴定、X衍射两种方法进行测定,其测定成果分别如下：

(1) 磨片的岩矿鉴定。Pt1q钠(钾)长片麻岩:石英含量20%～47%,斜长石20%～23%,钾长石12%,云母5%～23%。

Arh(混合片麻岩):石英20%～50%,斜长石10%～20%;局部的钾长石40%;微斜长石15%;白云母5%～6%;黑云母3%～8%;

Arx(片麻岩):石英20%～40%;钠长石10%～30%,斜长石8%;赤铁矿7%;白云母5%～6%;黑云母3%～8%;(另外局部方解石60%)

(2) X衍射。X衍射鉴定成果见表7。

根据X衍射分析其矿物成分如表7,虽然和磨片有所差异,但是总体上在相差不大范围内。

4.1.3 岩体的完整性

岩体中结构面(节理、层理、片麻理、断层)的发育程度(即岩体完整性)是影响TBM掘进效率的又一重要地质因素。一般情况下,当岩体非常完整时,不利于TBM掘进,TBM掘进效率较低;当岩体完整性较低时,TBM掘进速度较快,效率较高;但当结构面特别发育,岩体完整性很差时,岩体已呈碎裂状或松散状,整体强度很低,作为工程围岩已不具有自稳性,此时TBM掘进速度很慢,效率很低。因此,岩体结构面特别发育或不发育时往往都不利于TBM掘进。而深部岩体完整性是很难通过地质勘测手段查清楚的,勘察期选在垭口、断层附近等结构面可能相对破碎的堤防布置勘探点,在钻孔中开展声波试验来评价岩体完整性。虽然此方法相对保守,但是也偏于安全。

表7 X衍射矿物分析成果Table 7 The results of X diffraction mineral analysis

4.2 岩爆

本隧洞岩石主要为片麻岩,新鲜的岩饱和抗压强度60～137 MPa,平均为86.9 MPa左右,属于硬质岩,隧洞的最大埋深649 m。依据规范GB50487-2008的附录Q岩爆判别中表Q.0.2岩爆分级及判别标准,岩石强度应力比(Rb/σm),本段最小应力比是位于桩号249+800段,其岩石强度应力比为4.4,因此本隧洞段发生岩爆级别为轻微岩爆(Ⅰ级)。根据其轻微岩爆岩石强度应力比4～7的条件反算,可能发生轻微岩爆的上覆岩层最小厚度为400 m。

依据设计隧洞埋深>400 m的有两段,均为TBM施工段,其分布桩号分别为:第一段桩号248+030～248+230段,长度为200 m;第二段桩号248+880～250+700段,长度为1 820 m。发生轻微岩爆段长度占整个隧洞长度(13 840 m)的14.6%。围岩发生轻微岩爆主要现象为围岩表层有爆裂射落现象,内部有噼啪、撕裂声响、人耳偶然可以听到,岩爆零星间断发生,一般影响深度0.1～0.3 m,对施工影响较小,TBM施工应加强观测、必要时进行简单支护。

4.3 隧洞涌水

TBM施工段均属于相对隔水岩层,整体隧洞沿线除桩号254+000附近高峰寺水库外,其余段基本无大的地表水系,岩性为相对隔水岩层,水文地质条件简单,其分布的断层不甚发育,主要分布有F31-1与F32条断层,这两条断层均为角砾岩、糜棱岩,断层沿线未见地下水活动痕迹,因此不存在严重的隧洞透水问题。

但是F32断层分布在高峰寺水库东支沟附近,因此勘察阶段在该处布置一个勘探孔并做压水试验,从压水试验成果来看0.29～0.75 Lu属于微透水层,为安全起见,本次隧洞的涌水量计算,按最不利弱—中等透水的层来估算,其渗透系数根据经验选0.432 m/d,

其计算模型按隧洞穿越潜水含水层,计算公式采用古德曼经验公式估算。

式中:Q0为隧洞通过含水地段的最大涌水量,m3/d;K为含水体渗透系数,m/d;H为静止水位至洞身横断面等价圆中心的距离,m,取冲沟底部河床至洞身,其埋深取43 m;d为洞深横断面等价圆直径,m,设计TBM直径为4 m;L为隧洞通过含水体的长度,m。断层及断层带宽度取5 m。

根据计算本段预测最大涌水量为155.2 m3/d。因此建议TBM选型设计,应具备带有超前钻探的功能,在TBM施工时在该段附近建议采用超前钻进行预报,当有地下水时,根据涌水量实际情况进行处理。

5 结语

目前宝林隧洞进出口段的钻爆段已经实施完成、TBM已经施工500余米。从目前来看隧洞前期的地质评价基本准确,进出口的钻爆法及TBM段施工较为顺利,TBM掘进正常,选用的钻头合适。在水利水利水电隧洞工程地质条件评价时,主要做好以下两个方面工作:

(1) 一定依据规范的要求进行开展做好地质调查、原位试验及室内试验工作,在取得大量数据基础上按规范评价分析体系对隧洞进行围岩类别、TBM适宜性分级评价是非常适用的。

(2) 不放过勘察过程中一切微小的细节调查与分析,例如本次的F31-1与F33-1都是在初步设计阶段地质调查后发现规模较大断层,在已有的区域地质资料是没有的。

参考文献：

[1] 张许平.山西中线引黄工程隧洞采用TBM施工适宜性分析及对策[J],水利规划与设计,2016(8)：104-105.

[2] 毛卫洪.隧道掘进机(TBM)选型探讨[J].国防交通工程与技术,2011，9(5)：15-17.

[3] 中华人民共和国水利部.水利水电工程地质勘察规范：GB50487-2008[S].北京：中国计划出版社，2009.

[4] 中华人民共和国水利部.引调水线路工程地质勘察规范：SL629-2014[S].北京：中国水利水电出版社，2014.

[5] 吴煜宇，吴湘滨，尹俊涛.关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究[J].水文地质工程地质,2006，33(5)：120-122.