不同围岩条件对TBM掘进的影响研究

2019-11-04 07:33
水利与建筑工程学报 2019年5期
关键词:洞段变质岩斜长

田 志 斌

(山西省中部引黄工程建设管理局,山西 太原 030002)

山西省大水网是全国“江河湖库水系连通”试点工程,具有隧洞数量多、单洞距离长、地下水丰富、地质条件复杂等诸多特点,施工难度极大。随着TBM施工法在万家寨引黄工程、引汉济渭、辽西北供水等长距离引调水工程中的成功应用[1],线路在穿越国家自然保护区时采用4台TBM完成总计约89 km的施工任务,充分发挥了其掘进速度快、安全性能高、成洞质量好的优点,尤其是TBM1标单月完成掘进1411 m,单年度完成掘进10.6 km[2]。但与此同时,由于地质条件预测难度大、围岩条件复杂多变,在实际施工过程中多次遇到了软岩破碎带[3]、坚硬岩、断层等不同地质条件,对TBM在不同围岩条件下的适应性及掘进技术提出了更高要求[4]。

本文根据山西大水网中部引黄工程TBM2标的实际地质条件,通过对TBM在不同围岩条件下的掘进速度、掘进参数、刀具消耗、掘进时间进行比较分析,得出了坚硬岩对掘进施工的影响,并提出了合理化建议,为其他类似工程提供了经验。

1 工程概况

中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中的一项重要骨干工程,隧洞总长385 km,其中总干3#隧洞穿越黑茶山自然保护区,最大埋深610 m,采用两台双护盾TBM进行对向掘进[5]。TBM2标进洞支洞长3.6 km,开挖直径5.06 m,坡度6.5%,主洞长20.327 km(总98+070—总118+395),坡度1/2500~1/3000,平面布置图见图1。

图1 TBM平面布置图

TBM2标主洞段隧洞设计穿越主要地层有奥陶系、寒武系、元古界黑茶山组、太古界界河口群奥家湾组,主要岩性有石灰岩、白云岩、泥灰岩、石英岩状砂岩、黑云斜长片麻岩、花岗片麻岩、斜长角闪岩等,整个洞线穿越三个背斜、三个向斜,6条较大型断层,地质构造复杂。在背斜部位洞线的围岩主要为奥家湾组 (Ar2a)和黑茶山组(Pth)变质岩岩系,多为Ⅲ类围岩,断层带处多为Ⅴ类围岩;向斜部位洞线围岩主要为碳酸盐岩类,多为Ⅲ类围岩,少量Ⅳ类围岩,在泥灰岩层内为Ⅴ类围岩。在结晶基底变质岩岩系与上伏盖层间为角度不整合接触关系,在盖层底部往往为寒武系底部砂岩层或元古界黑茶山组石英砂岩,石英砂岩为浅变质岩。变质岩洞线长度10 122 m,占总洞线长度的49.8%;碳酸盐岩及泥灰岩类洞线长度10 205.75 m,占总洞线长度的50.2%;Ⅲ类围岩长14 410.75 m,占总洞线 70.89%;Ⅳ类围岩长3 393.1 m,占总洞线16.69%;Ⅴ类围岩长2 523.9 m,占总洞线12.42%。

2 揭露围岩特征及抗压强度测试

隧洞揭露地层主要有四种,即新生界土层为松散结构混合土卵石和低液限黏土;古生界寒武奥陶系碳酸盐岩,抗压强度一般为15 MPa~60 MPa,为中硬岩、较软岩和软岩;元古界黑茶山组,变质石英砂岩;太古界界河口群奥家湾组硅酸岩类,主要岩石有黒云斜长片麻岩、钾长黒云斜长片麻岩、斜长片麻岩、斜长角闪岩、花岗伟晶岩等,属中深变质岩类。

隧洞开挖至主洞后,在掘进过程中可见岩层是以灰黑色的斜长片麻岩和浅红色的钾长黑云斜长片麻岩为主,斜长角闪岩次之,花岗伟晶岩以脉状穿插于不同岩层内,岩层界面连续性差,岩层互为消长,接触带不明显。通过对总118+000—总117+197段11组岩样进行检测分析,总118+000洞顶部斜长角闪岩极限抗压强度最大,为172 MPa,总体来说,该段岩石SiO2含量66%~72%,抗压强度一般在80 MPa~172 MPa,主要矿物成分为钾长石 (微斜长石)、斜长石、石英、黑云母等,为变余花岗结构、细粒变晶结构、文象结构、伟晶结构、块状构造和片麻构造,片麻理不发育。矿物组合具有交代作用,即石英明显交代斜长石,因此岩石坚硬,尤其SiO2交代析出呈团块状,使岩石硬度增高,抗磨性增强,可钻性可达9级~11级(可钻性按12级划分)[6]。根据《工程岩体分级标准》[7](GB/T 50218—2014),按照岩石的饱和单轴抗压强度对岩石级别进行划分,当大于60 MPa时为坚硬岩,60 MPa~30 MPa为较坚硬岩,30 MPa~5 MPa为较软岩和软岩。由此可见,总118+000—总117+197段岩石属坚硬岩。从施工地质上看,背斜部位的变质岩多为坚硬岩石,岩体相对较完整,裂隙发育程度较低,掌子面十分完整,岩体的完整性和岩石的坚硬度增加了TBM掘进贯入难度[8],虽然掘进推力增大到额定值,但掘进贯入度和掘进速度仍然较低。

3 不同围岩条件对TBM掘进的影响

3.1 不同围岩类别对掘进速度的影响

TBM2标主洞段主要岩性有三大类,第一类为碳酸盐岩类 (石灰岩、白云岩、泥灰岩等),一般SiO2<15%,可钻性为5级~7级;第二类为变质岩岩类(黑云斜长片麻岩、含钾长黑云斜长片麻岩、花岗伟晶岩、斜长角闪岩、石英岩状砂岩等),SiO2含量为66%~72%,可钻性为9级~11级;第三类为变质石英砂岩,SiO2含量为90.00%~94.86%,可钻性>10级。目前TBM2标进洞支洞已完成掘进,主要为第一类碳酸盐岩类;主洞已完成掘进2 km,皆为第二类变质岩岩类;按照设计图纸第三类变质石英砂岩主要分布于总108+175—总107+301和总105+414—总101+414,目前尚未开挖。通过对11组围岩抗压强度与掘进速度进行分析,可以看出随着岩石抗压强度的提高,TBM掘进速度不断下降[9]。TBM2标主洞总118+000—总117+197段围岩强度对照见表1;掘进速度与抗压强度回归关系见图2。

表1 TBM2标主洞总118+000—总117+197段围岩强度对照表

图2 掘进速度与抗压强度回归关系图

由此可知,当岩石抗压强度在100 MPa~120 MPa 时,本标段掘进速度在2.2 m/h 左右,与辽西北供水工程相近,但当抗压强度高于150 MPa时,掘进速度都低于1.5 m/h,岩石抗压强度高低对TBM掘进速度有很大影响[10]。

3.2 不同围岩类别对掘进参数的影响

在TBM掘进过程中,分别选取连续一个月内碳酸盐岩类和变质岩岩类洞段无不良地质条件下的实际掘进参数资料,其中碳酸盐岩类洞段位于支洞桩号1+703—2+447,长度为744 m,地层为寒武奥陶系,围岩为石灰岩和泥灰岩,饱和抗压强度一般在15 MPa~60 MPa,为较硬岩和较软岩;变质岩岩类洞段位于总117+848—总117+319,长度为529 m,地层为奥家湾组黑云斜长片麻岩、含钾长黑云斜长片麻岩、花岗伟晶岩、斜长角闪岩,天然极限抗压强度试验值一般为80 MPa~160 MPa,为坚硬岩。不同围岩条件下的平均推力曲线见图3,不同围岩条件下的掘进速度曲线见图4。

支洞段 (1+703—2+447,试掘进段)刀盘平均推力为6 579 kN,最大推力7 338 kN,掘进速度平均3.49 m/h;主洞段(总117+848—总117+319)刀盘平均推力8 972 kN ,最大推力9 681 kN,而掘进速度平均仅2.34 m/h。由此可见,变质岩等坚硬岩比碳酸盐岩类不但使刀盘推力增大3 000 kN~3 500 kN,而且使掘进速度平均降低约33%,贯入度降低3 mm/rev~4 mm/rev,可钻性及掘进效率显著下降[11]。

3.3 不同围岩类别对刀具消耗的影响

同样选取碳酸盐岩类洞段(支洞桩号1+703—2+447)与变质岩岩类洞段(主洞总117+848—总117+319)进行刀具消耗分析,根据TBM掘进刀具检查记录表统计,其刀具磨损情况见表2。

图3 不同围岩条件下TBM平均推力曲线

图4 不同围岩条件下TBM掘进速度曲线

桩号围岩类别检查频次/次刀具更换/套每100m3掘进量检查频次/次每100m3掘进量刀具更换/套1+703—2+447碳酸盐岩类50210.330.14总117+848—总117+319变质岩岩类173601.630.56

由表2可见,坚硬岩石对TBM刀具损坏严重[12]。100 m3掘进量变质岩岩类 (硬质岩)刀具实际消耗是碳酸盐岩类(较硬岩、较软岩)刀具实际消耗的4倍,刀具检查频次为4.94倍。其中刀具损耗类型主要包括磨损到位、偏磨、刀圈断裂、刀轴不转、崩刃等[13],按不同损耗类型统计见表3。

值得注意的是,刀圈断裂是由于TBM调试阶段异常造成的,占刀具消耗总数的52.38%,主洞段机械调试正常后未出现该现象。若支洞排除刀圈断裂损耗,支洞刀具消耗量仅为10套,平均每100 m3掘进量刀具损耗0.067套,此时变质岩岩类 (硬质岩)刀具实际消耗是碳酸盐岩类(较硬岩、较软岩)刀具实际消耗的8.35倍[14]。

表3 不同围岩类别下刀具损耗类型统计表

3.4 不同围岩类别对掘进时间利用率的影响

TBM掘进时间主要可以分为设备掘进、设备维护、查刀换刀、设备故障、连续皮带机故障、测量影响、水管爆裂、火车脱轨处理等,碳酸盐岩类洞段(支洞桩号1+703—2+447)与变质岩岩类洞段(主洞总117+848—总117+319)掘进时间分析见表4。

表4 不同围岩类别下掘进时间统计表

从表4可以看出,支洞段TBM掘进时间占总时间的比例与主洞段相同,但由于坚硬岩降低了贯入度及掘进速度,在相同时间内仅完成碳酸盐岩类洞段掘进总量的71%;而对于查刀换刀时间,由于岩石坚硬,造成刀具消耗增加,查刀频次及换刀时间显著增加,同样时间长度内主洞段是支洞段的2.14倍。参考类似工程,如那邦水电站TBM掘进时间在较硬岩和较软岩中刀具检查换刀占时约5%,而坚硬岩石月份查刀换刀时间达到25%。

由此可知,坚硬岩对TBM掘进时间利用率影响较大,通常较低抗压强度下TBM查刀换刀时间在7%左右,而坚硬岩TBM掘进时间增加到25%左右。可见,坚硬岩不仅增加了刀具消耗,而且增加了查刀换刀时间,降低了TBM掘进时间利用率及掘进速度,对工程进度及费用均产生较大影响[15]。

4 结 语

(1) 在不同围岩条件下,随着岩石强度的提高,刀盘推力不断增加,但掘进贯入度显著下降,可钻性及掘进效率明显降低。当岩石抗压强度在100 MPa~120 MPa 时,掘进速度在2.2 m/h 左右,但当抗压强度高于 150 MPa时,掘进速度则低于1.5 m/h。

(2) 在岩石抗压强度高、石英含量大、完整性好的地段,刀具检查频次及消耗量明显增加,变质岩岩类 (硬质岩)刀具实际消耗是碳酸盐岩类(较硬岩、较软岩)刀具实际消耗的8.35倍,因此在刀具选型时需根据地层情况选择适宜的刀具类型,如增加刀具的耐磨性等。

(3) TBM在较硬岩和较软岩中可以获得较高的掘进效率,而在岩体完整的坚硬岩中贯入度及掘进速度都将明显降低,施工成本显著提高。因此在设计阶段需对洞线穿越地层的岩性及抗压强度等指标进行全面深入研究,以充分发挥TBM的施工优势。

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