长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨

金雪红

(北京峡光经济技术咨询有限责任公司新疆分公司，乌鲁木齐 830000)

TBM掘进在很多供水工程建设中均有运用，为了提升供水供电工程的顺利进行，要求加强对长距离输水隧洞TBM掘进过程的有效研究。TBM掘进破岩过程包括盘刀进入岩体与两盘刀间生成岩石碎片两个阶段，随着盘刀推力继续增加，掘进过程受到围岩的限制，在盘刀的边缘处和底部会出现，锥形裂纹以及压碎区[1]。

1 TBM掘进破岩过程分析

长距离输水隧洞TBM掘进过程中，在TBM盘刀推力逐渐增加时，岩石会逐渐向两侧位置扩张，并逐渐压实，使岩石内部出现放射状裂纹，TBM盘刀即能够进入岩体，侧向裂纹扩张到岩石表面过程中，形成了岩石碎片，出现了岩石碎片的动能，可显著降低围岩反力，因此盘刀能够侵入一定深度的岩体内，一般设置5-15mm贯入深度，详见图1。

图1 盘刀进入岩体

TBM盘刀滚过掌子面过程中，会扩张岩石产生的裂纹，构成岩石碎片并脱离掌子面过程，相邻盘刀之间的岩石会分离并错。由此可知，岩石力学特性、盘刀间距、载荷等因素共同影响着盘刀间的相互作用在这些作用力达到最佳配置的情况下，裂纹能够向临近盘刀平直扩张，即形成了掘进机破岩过程。

2 长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨

长距离输水隧洞TBM掘进过程中一旦出现围岩的破坏或过大变形等围岩不稳定现象，对工程施工的顺利进行即会造成极为严重的后果。地质因素、施工因素等共同影响着围岩稳定性。

2.1 地质结构

岩体结构、特殊地质条件、岩性、裂隙分布等共同影响着围岩稳定性，岩石各向异的程度、强度量级等层面可通过岩性分析得出，据此可判断出影响长距离输水隧洞TBM掘进过程的自然特征以及工程活动等相关的影响因素，重点表现为地下涌水、岩溶、泥质沉积岩蠕变等活动[2]。

岩体结构中的最薄弱部位为岩体结构面，具有岩石材料更低的包络线，在围岩具有相等的应力水平、坚硬水平下，围岩稳定性控制的主要影响因素为裂隙分布、结构面。长距离输水隧洞TBM掘进过程的施工危害性主要是由于节理裂隙组数、地质力学性质、延展长度、闭合程度、产状等因素所决定的。对隧洞围岩产生较大危害性的条件主要为节理倾角>30°、随洞轴线与裂隙走向<40°。详见图2。

图2 岩石材料及岩体结构面强度包络线

在断层破碎带、强风化带、发育岩溶区进行长距离输水隧洞TBM掘进过程中，属于特殊地质条件，存在断裂构造岩，在地质分布上存在节理裂隙密集、岩层松软破碎的特征，围岩与松散介质之间具有一定的相似性，围岩稳定难度较大。其中表现最为明显的部分为向斜盆地的糟皱地区以及几条断层交会地带，在长距离输水隧洞TBM掘进过程中应当对此充分注意。

2.2 岩体力学性质

工程岩体稳定性在很大程度上受岩体的变形与强度特性等因素的影响，在节理裂隙发育时，围岩稳定性受到多种因素的影响，包括岩体塑性、脆性、膨胀性、各向异性、扩容性、流变性等，对围岩稳定性造成了不同程度的不良影响。由于各项异性的存在往往使得围岩出现变形形态、非对称性的失稳等特征。岩体的膨胀性会导致支护结构出现严重的底鼓或者挤压破坏现象，脆性主要表现为工程在施工过程中会出现岩爆、工程岩体的剥落开裂等现象。

由于塑性和扩容性等因素的存在，会使得工程隧洞围岩出现松散破碎以及支护结构被挤压破坏等现象，由于粘塑性的形变压力的存在往往导致岩体中出现具有时间效应的岩盐。长距离输水隧洞TBM掘进过程中较为常见的破坏形式是剪切破坏以及受拉破坏，因此在工程施工过程中可以对岩体的抗剪强度以及抗拉强度采用内试验或者现场试验方式。在对岩体稳定性分析层面岩体的应力应变关系也起着重要作用。可以采用岩体特性的力学模型进行数值计算的相关数值计算。

2.3 初始应力场

洞室挖后应力重分布的危险程度主要是由初始应力场的方向、大小以及性质所决定，围岩稳定的基本因素之一即是初始应力场。

在高地应力时，岩层若软弱破碎，在掘进过程中容易出现挤出、底鼓、遗曲等剧烈变形现象，若岩石较为完整与坚硬，则容易出现岩爆灾害、侧壁开裂等现象，由此可见地应力的重要影响。自重应力、构造应力共同构成初始应力场，我国具有较为复杂的地质结构，地质构造较为复杂，在浅层地质之中也具有垂直应力。在长距离输水隧洞TBM掘进过程中若具有过小的岩石强度应力比，在施工过程中很容易发生强岩爆现象，会使得围岩变形或者被破。围岩稳定性同时也受到洞轴线方向、最大水平主应力等因素的影响，在两者达到垂直状态下，隧洞围岩的稳定性会受到较大的不良影响[3]。为了促进工程的顺利进行，提升围岩稳定性，在长距离输水隧洞TBM掘进中要求改善隧洞围岩情况，可选择与最大水平主应力方向平行的隧洞轴线。

2.4 地下水

隊洞的稳定受到岩洞周围力学、水力学等因素的影响，因此地下水也具有一定的影响作用。在静水压力下含孔隙岩石或岩体裂隙会降低有效应力，不利于工程的顺利施行。隧道工程的施工出现了新的排水通道，出现了指向洞内的渗压梯度，使得围岩向隧洞内的移动速度加快。由于较高的含水量以及饱和度，会显著降低岩石的强度与变形模量，可能会出现剧烈膨胀现象，裂隙面點聚力、内摩擦角也随之显著降低，破坏了围岩的稳定性[4]。地下水的大量活动也加快了围岩的侵蚀作用与泥化作用，降低了围岩强度。

2.5 施工因素

围岩质量不直接受到工程施工的影响，但是工程施工的进行对隧洞尺寸、施工工艺、形状、方位、支护方式等层面具有显著的影响作用。在施工中应当就结合隊洞应力分布情况设置相应的施工方式。应当结合隧洞与地质构造间的尺寸效应设置随洞尺寸，矩形和椭圆形隧洞的应力分布往往弱于圆形隊洞。在最大水平主应力方向平与隧洞轴线方位平行的情况下，能够促进围岩稳定性。反之，两者若正交，则破坏了围岩稳定性。与钻爆法施工方式相比，掘进机施工方式对围岩所产生的影响往往较小。长距离输水隧洞TBM掘进施工方式具有显著优势。采用管片衬砌支护、锚喷支护方式能够显著促进围岩的稳定性。施工方法对围岩稳定的影响，见表1。

表1 施工方法对围岩稳定的影响

3 结 语

文章对长距离输水隧洞TBM掘进过程的围岩稳定性进行了有效探讨，从地质结构、岩体力学性质、初始应力场、地下水、施工因素等层面分析了长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性，能够促进隧洞工程施工的顺利进行。