水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类研究

王玉杰，李秀文，曹瑞琅，许振浩，陈炳瑞，张晓平

(1.中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048；2.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南 250061；3.中国科学院武汉岩土力学研究所 岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071；4.武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北 武汉 430072)

1 研究背景

水工隧洞掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)工法相较于钻爆法施工对地质条件更加敏感，围岩的合理分类和评估是TBM工法的关键之一[1]。在水利和岩土工程行业中，现行规范《岩土工程勘察规范》(GB 50021—2001)[2]、《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[3]、《引调水线路工程地质勘察规范》(SL 629—2014)[4]、《工程岩体分级标准》(GB/T 50218—2014)[5]、《水工隧洞设计规范》(SL 279—2016)[6]等都将围岩分类作为重要内容。然而，当前主要评判因素是为隧洞围岩稳定性和支护措施服务，适用于钻爆法隧洞。钻爆法与TBM施工原理和工作环境相差较大，围岩破坏类型、加固措施差异明显。TBM工法设计和施工的围岩分类不仅取决于隧洞自然地质因素，还与掘进效率、掘进参数等密切相关。因此，现有围岩分类方法难以满足TBM施工适宜性围岩分类需求。

针对隧洞TBM工法围岩分类，依托工程应用国内外学者开展了一系列研究。典型成果有：Barton[7-8]综合考虑岩机相互作用，基于围岩分类Q系统建立了QTBM分类体系。Hassanpour等[1]结合设备参数和岩体力学参数，利用多元回归分析提出了以现场贯入度指数(Field penetration index，FPI)为核心的TBM施工模型，将围岩分为6个类别。何发亮等[9]根据影响TBM的岩石的单轴抗压强度、完整程度(裂隙化程度)、耐磨性和硬度四个主要地质因素，考虑工程岩体可掘性要求，探索TBM施工围岩分级；李春明等[10]根据影响掘进效率的工程地质因素，将TBM隧洞围岩分为A、B、C三个级别。薛亚东等[11]综合考虑围岩可掘性及TBM适应性，以施工速度为指标，建立基于掘进性能的TBM施工围岩综合分级。司富安等[12]选取围岩稳定性、高地应力风险、地下水风险、TBM施工围岩可掘性等，提出一种TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类方案。吴鑫林等[13]运用K中心聚类分析方法，将岩体可掘性分为6类，探讨了不同岩体可掘性条件下TBM平均单刀推力、刀盘转速分布规律。尽管以上研究取得了前瞻性尝试，但因工程数据来源和考虑因素相对单一，并未得到广泛推广。

鉴于现行规范缺少与水工隧洞TBM施工相适宜围岩分类方法的现状，本项研究通过调研国内外不同行业围岩分类指标，结合TBM设备特点，考虑对安全高效施工影响关键的不良地质条件，在各因素分类分级的基础上，提出可量化的水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类方法，并依托工程进行适用验证，可有效解决目前水工隧洞TBM无适宜的围岩分类方法进行围岩评价、支护设计的困境。

2 TBM施工围岩适宜性等级划分

工程案例分析表明，TBM施工适宜性分类不再是仅关注岩性自身条件，更重要的是其对TBM掘进效率的影响[14]，尤其是不利地质条件影响。

引汉济渭[15]、滇中引水[16]、引绰济辽[17]等工程实践中获取了大量宝贵经验。其中，最为普遍的规律是：若岩石单轴抗压强度、耐磨性指数很高，刀具磨损量随之增大，使掘进效率受到严重影响[18]；岩爆、断层破碎带较严重，突涌水较多等均可能引起卡机，致使施工进度受到影响。因此，考虑到TBM的安全性和掘进效率，将TBM在不利地质条件下的适用性分一般、中、差、极差四个等级，用数字1—4表示，见表1。

表1 TBM施工围岩适宜性等级划分

3 TBM施工适宜性围岩分类

在《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)中岩体基本分类的基础上，考虑掘进效率和不良地质条件对围岩分类的影响，可确定TBM施工适宜性围岩分类。由于影响TBM施工因素繁多，目前的分类方法考虑因素过细，而关键因素未考虑，造成分类方法不可靠，难以推广。因此本文通过定量、定性分析不利地质条件对掘进效率的影响程度，将超硬岩等6个因素作为TBM施工适宜性围岩分类的重要指标。其不利地质条件、特点及其对TBM施工影响统计见表2。

TBM施工适宜性围岩分类采用符号ΧAiBj…Fk表示并确定。其中，X为围岩基本类别，范围为Ⅰ—Ⅴ类，根据《水利水电工程地质勘察设计规范》(GB 50487—2008)确定；A，B，…，F为不利地质条件分类，见表2；i，j，k=1，2，3，4为施工围岩适宜性等级，见表1。基于该符号可在基本围岩分类基础上，清晰描述各不利地质条件下TBM施工适宜性等级。

TBM施工适宜性围岩分类突出水工隧洞TBM施工特点，梳理TBM掘进效率及围岩稳定性的影响因素，具体量化TBM建造工程围岩分类不利地质条件，不仅能高效准确完成围岩分类，还可基于分类等级，确定相应工程处理措施。

4 不利地质条件对TBM施工影响定量分析

4.1 超硬岩隧洞施工遇到完整岩体时，TBM掘进状态主要受岩石坚硬程度和磨蚀性影响。如何评定超硬岩(高耐磨蚀性岩)分类指标，是TBM施工围岩分类重点关注问题。基于国内外典型工程案例实测数据和TBM掘进预测模型研究，超硬岩划分类别的阈值考虑因素主要包括：岩石单轴抗压强度(Rb)及TBM净掘进速度(Pr)、现场贯入度指数(FPI)的关系及敏感性、岩石磨蚀性与TBM刀具磨损程度[18-19]。

由图1(a)Pr-Rb的关系曲线可以看出，对于RQD>90完整性良好的岩体，Pr随Rb增大而减小，当Rb>150 MPa后，Pr减小幅度趋缓。取Pr=0.5 m/h时，各曲线分别对应的Rb为：Graham曲线[20](169.81 MPa)、Yagiz曲线[21](157.05 MPa)和杜立杰曲线[22](121.83 MPa)，平均值约为150 MPa。因此，超硬岩划分可将Rb为150 MPa作为一个参考阈值。由图1(b)FPI-Rb的关系曲线可以看出，FPI值变化与Rb呈正相关关系，在高强度区增长更加明显。取FPI=70(kN/cutter)/(mm/rev)时，各曲线分别对应的Rb为：Hassanpour曲线[23](189.63 MPa)、Salimi曲线[24](241.27 MPa)和杜立杰曲线[22](172.05 MPa)，平均值为200.98 MPa，接近200 MPa。故将Rb为200 MPa作为超硬岩类别划分的第二个参考阈值。

图1 TBM掘进状态和岩石坚硬程度的关系

完整性的硬岩除受地应力或地下水等地质环境因素影响外，岩石坚硬程度和摩擦性是影响TBM施工效率的主要因素。基于岩石单轴抗压强度(Rb)、摩擦性指数(CAI)对TBM施工影响的特点，将超硬岩划分为两类：(1)由岩石坚硬程度决定；(2)由岩石坚硬程度和摩擦性共同决定，见表3。超硬岩TBM施工可根据表3进行有效分类，合理选择TBM设备的刀盘刀具硬度、刚度以及材质等，科学安排施工进度。A3等级围岩洞段的TBM施工条件差，需要专门研究滚刀材料、刀刃宽度、布置间距以及刀具防磨蚀措施等；A4等级围岩洞段的TBM施工条件极差，需在A3等级围岩措施基础上，研究辅助破岩方式，进而提高破岩效率并减弱刀具的损耗[18]。

表3 超硬岩类别划分

4.2 岩爆岩爆严重时会引起围岩塌方，引发TBM掘进受阻、卡机等问题，严重影响隧洞的安全施工和掘进效率[25]。《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)中岩爆等级按两个阶段划分，即勘察设计阶段和施工阶段。

勘察设计阶段，因可获取数据有限，所以可采用岩石强度应力比来判定岩爆等级，划分标准符合表4的规定。

表4 TBM施工适宜性围岩分类：岩爆(勘察设计阶段)

设计阶段通常根据岩爆的不同特征进行划分，对其进行更细致的划分，将主要现象的描述分为围岩破坏特征、声响特征、爆坑深度和影响程度等因素。鉴于十多年来岩爆的研究[26]，微震监测已经成为岩爆防治的重要手段，并在众多岩爆工程中得到了应用并取得了显著效果；基于锦屏Ⅱ级水电站引水隧洞、川藏铁路巴玉隧洞、巴基斯坦NJ水电工程引水隧洞等国内外大型岩石工程微震监测成果经验，可引入岩爆辐射能量作为岩爆等级划分的依据之一，从更多角度描述不同等级岩爆特征。为此，在施工阶段，岩爆TBM施工适宜性分类主要考虑：声响特征、破裂特征、爆坑最大深度和支护破坏程度等，有微震监测的，还考虑岩爆辐射能量，其划分标准可按照表5的规定。

表5 TBM施工适宜性围岩分类：岩爆(施工阶段)

4.3 断层破碎带TBM掘进隧洞当遭遇断层破碎带，会在一定程度上加大开挖施工难度，由于岩体强度低、完整性差，易出现塌方、变形、突泥突水等问题，存在较大的施工风险，影响掘进效率[27]。根据工程经验，实际施工过程中多以断层破碎带宽度不同采取不同的施工措施。对TBM正常通过、注浆加固围岩通过、采用加固方式处理卡机(未开挖导洞或施作管棚)、施作管棚或开挖导洞等方式处理卡机等4种TBM施工状态所遭遇的断层破碎带宽度进行统计，统计结果见图2。

图2 不同TBM施工状态所遭遇断层破碎带宽度统计

统计结果表明：(1)当断层破碎带宽度小于2 m时，TBM能顺利通过；(2)当断层破碎带宽度为2～<15 m，TBM掘进过程中具有一定的卡机风险，但采取预注浆加固围岩等方式能保证TBM顺利通过；(3)当断层破碎带宽度为15～<30 m时，TBM具有较大的卡机风险，实际施工中采用注浆加固方式基本能处理卡机；(4)当断层破碎带宽度大于等于30 m时TBM施工状态急剧恶化，一般需人工开挖导洞、TBM步行通过，必要时采用钻爆法开挖、TBM滑行方式通过。

因此，断层破碎带分级考虑以遭遇断层破碎带时采取的施工措施和针对卡机事故的处理措施作为断层破碎带分级的检验指标，将宽度作为TBM施工遭遇断层破碎带时施工适用性的划分依据。断层破碎带TBM施工适宜性等级划分见表6。

表6 断层破碎带TBM施工适宜性围岩分类

4.4 大变形围岩围岩变形问题历来受到工程界的高度重视[28-29]，围岩大变形会导致TBM刀盘被卡或者护盾被卡等，严重影响掘进速度。综合考虑隧洞围岩变形和国内外敞开式TBM护盾受力特点(见图3)，为合理评估大变形围岩TBM卡机风险，基于TBM潜在卡机状态确定其施工适宜性分类标准。

图3 TBM掘进状态和围岩大变形示意图

根据围岩变形判据、护盾受力判据确定大变形围岩TBM施工适宜性分类。第一步，对比围岩变形量u、预留变形量ΔR的大小关系，建立围岩变形判据；第二步，对比护盾摩阻力FP、TBM极限推力FT的大小关系，建立护盾受力判据[30]。分类标准流程见图4，最终综合起来形成表7的等级划分。

图4 分类标准流程

表7 大变形围岩TBM施工适宜性分类标准划分

4.5 突涌水(涌泥)突涌水(涌泥)的发生将严重影响施工安全和施工进度，是影响TBM围岩分类的关键因素之一。在TBM围岩分类中考虑突涌水(涌泥)不良地质条件的影响，可以基于施工反馈信息动态修正和规避风险，是隧洞修建过程中减少损失和风险控制的有效途径。

针对突涌水(涌泥)围岩敞开式TBM适宜性分类，根据岩层倾角及地下水位与隧洞底板间的高差等指标将突涌水灾害等级分为4个等级，见表8。

表8 TBM施工适宜性围岩分类：突涌水(涌泥)

4.6 高外水压力高外水压力是深埋隧洞存在的一个主要工程地质问题。其危害主要有几个方面：高外水压力导致施工过程中发生涌水，影响TBM正常施工；伴随着高压涌水，断层破碎带或裂隙中的充填物并冲蚀，从而影响地下洞室围岩稳定性；过高的外水压力作用在衬砌上，可能导致混凝土衬砌发生破坏。

外水压力达到何种量级算是高外水压力，目前并没有一个明确的标准。根据收集到大量现场资料来评价，可从隧洞出水状态、混凝土衬砌允许承受的外水压力两个方面进行规定。将高外水压力风险划分为0.5～<1.0 MPa(一般风险)、1.0～<5.0 MPa(中等风险)、大于等于5.0 MPa(高风险)等3个级别。高外水压力围岩的TBM施工适用性等级划分可参照表9。

表9 TBM施工适宜性围岩分类：高外水压力

5 工程应用

新疆某长距离输水隧洞长度为41.82 km，地形地质条件较为复杂，主要采用钻爆法、TBM施工。其中桩号37+653—38+538洞段为蚀变岩，围岩埋深近800 m，依据蚀变程度不同，采用基本围岩分类方法以IV类围岩为主。

TBM为敞开式，可扩挖出的最大预留变形量为300 mm。刀盘直径：6530 mm，变径后直径：6830 mm。根据施工洞段地勘资料和设计方案，得到大变形围岩TBM施工适宜性分类的相关参数见表10[30]。

表10 大变形TBM施工适宜性分类参数表

由围岩变形判据可知，围岩变形量u大于预留变形量ΔR，因此需对护盾力进行判别。采用公式计算得到摩阻力Fp为28 970 kN，与FT对比后，满足FT≤Fp≤2FT。通过计算分析可知，该TBM施工洞段的大变形围岩分类等级为D3。应用水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类方法逐项对该段进行分类(见表11)，并提出相应的施工建议。

表11 TBM施工适宜性围岩分类统计表

通过上述分析，该段TBM施工适宜性分类结果为IVC2D3E3，考虑该段卡机风险较高。综合不利地质条件下施工建议：(1)围岩提前预注浆加固，TBM缓慢通过；(2)如卡机严重，人工开挖导洞，TBM绕行通过。

工程实际中超前采用化灌技术固结塌落体，掌子面以及顶拱180°范围内，通过堵水和加固，尽快形成承载拱。TBM行进过程中，虽然出现轻微卡机现象，由于施工措施得当，成功脱困。理论实践表明，本文的水工隧洞TBM施工适宜性分类研究是合理有效的。

6 结论

围岩分类是水工隧洞TBM设计施工的基本依据，建立与TBM掘进特点相适应的围岩分类方法尤为重要，本研究主要结论如下：

(1)在隧洞围岩基本分类的基础上，重点考虑TBM掘进效率和不良地质条件，构建了水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类方法；

(2)通过大量工程案例数据分析超硬岩、岩爆、断层破碎带、大变形、突涌水(涌泥)和高外水压力六个关键因素对TBM施工的影响，提出了可量化围岩分类指标；

(3)工程实践表明，TBM施工适宜性围岩分类方法能够实现分类快捷、评价合理，且操作性较强，具有推广应用价值。