某引水隧洞超硬岩对施工效率的影响研究

向家菠，罗 飞

（1.长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010； 2.长江三峡勘测研究院有限公司（武汉），湖北 武汉 430074）

超硬岩是指当岩石强度和磨耗性达到一定量值时，对隧洞掘进施工效率可能构成一定程度影响的岩体。在钻爆法施工中，对炮眼施工和爆破效果构成影响；在TBM 施工中，对TBM 掘进速率构成影响，同时增大滚刀损耗[1-3]。工程实践及试验表明，对于完整性好的岩体，当岩石强度或磨耗性很高时，往往会造成开挖掘进困难、施工刀具及钻具的磨损量大，严重影响掘进效率且大幅增加工程成本[4-5]。

某大型引调水工程引水隧洞穿越地层岩性复杂、岩质多样，根据试验成果，在岩体较完整～完整的地层中存在岩石强度高和磨耗性大的超硬岩。因而在勘察阶段针对超硬岩问题开展了专项勘察，其成果可为类似工程提供借鉴。

1 工程及地质概况

某大型引调水工程输水隧洞长约194.19km。工程输水线路区处于中国地势第二阶梯东缘向第三阶梯过渡地带。线路区以中山为主，地势总体呈“中部高、南北低”“西高、东低”的特征。其中岩浆岩、变质岩、沉积岩三大岩类均有分布，以沉积岩类分布范围广，且其碳酸盐岩与碎屑岩总体相间分布，变质岩类分布范围其次；岩浆岩类分布范围相对最少。

2 超硬岩评价标准及测试

岩石的磨耗性可以通过岩石磨耗试验确定的岩石磨耗指数（CAI）判定，参照相关规范规程，类比国内TBM 掘进工程经验[6]，确定岩石磨耗指数和对TBM 刀具磨损影响程度标准见表1。

采用TBM 施工时，岩石饱和单轴抗压强度（Rb）为150MPa 和200MPa，可作为超硬岩强度分类阈值；岩石磨耗性与TBM 刀具磨损程度关系密切，相关研究表明，Cerchar 磨耗指数（CAI）为4.0～5.0 时对TBM 掘进状态有明显影响，可取CAI=4.0 作为超硬岩对于磨耗性的分类阈值[7]。超硬岩分类评价标准见表2。

表2 超硬岩对不同施工工法影响分级标准

为研究该输水隧洞穿越超硬岩对施工效率的影响，对超硬岩问题开展了专项勘察，共完成岩石单轴抗压强度试验207 组、岩石磨耗性试验355 组。

3 岩石测试结果及分析

根据输水隧洞沿线可能含超硬岩岩组宏观定性判定结果，可能存在超硬岩问题的地层岩组岩石饱和单轴抗压强度（Rb）和岩石磨耗指数（CAI）统计结果见表3。

表3 超硬岩分布地层岩石强度及磨耗性统计表

在超硬岩岩组定量评价的基础上，结合输水隧洞具体洞段围岩完整性，分析超硬岩问题的分布与占比，对输水隧洞中超硬岩对施工效率影响进行综合评价（表3）。

3.1 岩浆岩

内口单元（γπ23）中超硬岩占比约43%，该单元超硬岩以Rb≥200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响严重，部分较严重。辉绿岩脉（βμ）随机分布，岩脉洞段隧洞围岩完整性为完整～较完整的占比约55%，岩脉中超硬岩占比约87%，因而岩脉洞段隧洞围岩超硬岩占比约50%。岩脉中超硬岩以Rb≥200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响严重。

3.2 变质岩

晒家冲组（Ar3Sgn）地层岩石中超硬岩占比约35%，地层内超硬岩以Rb≥200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响严重，部分较严重。黄凉河组第一段（Pt1h1）地层中超硬岩占比约56%，地层内超硬岩以Rb≥200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响严重，部分较严重。黄凉河组第二段（Pt1h2）地层中超硬岩占比约53%，地层内超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM及钻爆法施工影响较严重，部分严重。黄凉河第三段（Pt1h3）片麻岩段隧洞围岩完整性为完整～较完整的占比约55%，地层内超硬岩以Rb≥200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM及钻爆法施工影响严重，部分较严重。力耳坪组（Pt1l）地层中超硬岩占比约51%，地层内超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响较严重。

3.3 碳酸岩

灯影组第三段（Z2dn3）地层内超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响较严重，部分严重。天河板组（∈1t）白云岩地层以薄至中厚层为主，该地层隧洞围岩超硬岩零星分布，局部可能存在少量超硬岩问题。石龙洞组（∈1sh）、覃家庙第二段（∈2qn2）地层中超硬岩占比约43%～50%，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响较严重，部分严重。经地质测绘与勘探分析，三游洞组（∈3sn）白云岩地层隧洞围岩超硬岩零星分布，局部可能存在少量超硬岩问题。茅口组（P1m）地层内超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞围岩超硬岩对TBM 及钻爆法施工影响较严重。

4 结论

为研究某引调水工程输水隧洞穿越超硬岩对施工效率的影响，对超硬岩问题开展了专项勘察及测试分析，结果表明：

1.隧洞穿越内口单元（γπ23）花岗岩局部洞段围岩超硬岩占比约25%，超硬岩以Rb≥200MPa 居多，对施工效率影响严重；穿越辉绿岩脉（βμ）洞段围岩超硬岩占比约50%，超硬岩以Rb≥200MPa 居多，对施工效率影响严重。

2.隧洞穿越晒家冲组（Ar3Sgn）片麻岩洞段围岩超硬岩占比约20%，超硬岩以Rb≥200MPa 居多，对施工效率影响严重；穿越黄凉河组第一段（Pt1h1）隧洞围岩超硬岩占比约30%，超硬岩以Rb≥200MPa 居多，对施工效率影响严重；穿越黄凉河组第二段（Pt1h2）片麻岩洞段围岩超硬岩占比约30%，超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，对施工效率影响较严重；穿越黄凉河第三段（Pt1h3）隧洞围岩超硬岩占比约55%，超硬岩以Rb≥200MPa 居多，对施工效率影响严重；穿越力耳坪组（Pt1l）隧洞围岩超硬岩占比约30%，超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，对施工效率影响较严重。

3.隧洞穿越灯影组第三段（Z2dn3）硅质白云岩围岩超硬岩占比约30%，超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa居多，对施工效率影响较严重；穿越石龙洞组（∈1sh）、覃家庙第二段（∈2qn2）白云岩隧洞围岩超硬岩占比约20%，超硬岩150MPa ≤Rb＜200MPa 和Rb≥200MPa 基本相当，对施工效率影响较严重；穿越茅口组（P1m）灰岩隧洞围岩超硬岩占比约75%～90%，超硬岩以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，对施工效率影响较严重。