TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类研究

刘军生

摘要：目前，我国水资源空间分布与人口、资源、环境、社会经济发展之间存在着矛盾，因此建设大型的跨流域调水系统是解决问题的重要途径，也是实现国家水资源优化配置的重大战略举措。受选线限制，大量长距离输水隧洞在建设过程中，将不可避免地穿越具有复杂地质构造的山岭地区，面临着自然环境恶劣、不良地质多发等不利因素。鉴于此，本文对TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类进行分析，以供参考。

关键词：深埋水工长隧洞;TBM;地质勘察;地质风险;围岩工程地质分类

引言

由于物探资料的多解性和精确性限制，如何通过物探成果准确地解译出围岩的工程地质特性，建立物性参数和围岩类别的对应关系，是未来需要进一步研究的内容。此外，如何利用TBM掘进参数(扭矩、推理、转速)、岩渣特征等对围岩类别进行判断，也需要在大量的工程实践中进一步完善，在经过工程实践检验之后，有望进入国家或水利行业标准和规范中。

1TBM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。

2深埋长隧洞的特点

2.1工程地质条件极为复杂

与浅埋隧洞相比，深埋长隧洞多穿越特征迥异的地形地貌、地质、水文地质和构造地质单元，其地质条件普遍非常复杂多变。

2.2深埋长隧洞多以TBM法施工

由于深埋长隧洞通常没有布置施工支洞的有利地形条件，以及生态环境保护的要求，决定了TBM法施工成为深埋长隧洞工程的必然选择。但TBM施工过程中没有进行常规施工地质的条件，不能进行全程地质编录，特别是护盾式TBM，无法观察围岩情况，难于收集第一手资料。

3TBM施工围岩综合分类的基本原则

（1）尽量在常用隧洞分类方法的基础上进行补充与完善，平顺衔接。

（2）分类标准应能反映TBM隧洞施工可能存在的岩爆、软岩大变形、涌水和高外水压力等地质风险以及TBM掘进效率等。

（3）分类标准和表达方式应尽量简单、类别划分不宜太细、易于操作。

4隧洞TBM施工围岩类分类考虑的主要内容

围岩分类体系性研究是地下工程的重点难题，在实际施工中及时的对围岩类别进行准确的评判，是直接影响到隧洞支护方式、隧洞稳定、工程投资、施工工期和施工人员、设备安全等关键因素，深埋超长引水隧洞，其线长、点多、面广，这一问题显得更为突出。所以，在TBM施工过程中尽可能多的考虑各种影响TBM施工的各种因素，分析敏感性、风险性高的主要影响因素，以围岩稳定性为桥梁，建立TBM掘进参数与硐室稳定条件下的围岩类别之间的判断标准体系是非常必要的。

（1）隧洞线路区工程地质条件综合分析：结合隧洞工程区地形地貌、地层岩性、地质构造、岩溶水文地质条件、地应力场及岩体物理力学性质等，分析工程地质环境和岩体工程地质特征。

（2）隧洞围岩分类研究：对TBM掘进参数进行深化研究，运用数学手段结合实际工程进行相关性分析、拟合分析、回归分析，着重建立基于TBM掘进参数的围岩分类体系，并运用新建体系对施工洞段进行吻合率验证分析。

5TBM施工围岩综合分类方案

5.1分类框架

深埋长隧洞施工可能遇到的地质风险包括高地应力引起的岩爆和软岩大变形、地下水引起的涌水突泥和高外水压力、高地温、有害气体、放射性危害等。其中高地温、有害气体、放射性危害等地质风险，与TBM选型关系不大，且不易通过采取工程措施进行处理，因此，在TBM施工围岩综合分类方法中暂不考虑。根据TBM施工围岩综合分类原则，TBM施工隧洞围岩分类方案在隧洞围岩稳定性分级的基础上，增加TBM施工可能遭遇的岩爆、软岩大变形、突涌水、高外水压力等施工风险及围岩可掘性分级。分类框架如图1所示。

图2TBM施工围岩综合分类框架

5.2环境地质背景研究

充分收集勘察期的区域地质资料，如地震安全性评价成果、区域地质测绘成果、遥感解译成果、地应力测试成果等，分析工程区区域地质构造环境，研究工程区基本地质条件和地应力场。跟踪调查TBM施工的洞室，收集相关的地质、TBM掘进参数在内的各种资料，进行地质分析、试验、物探等工作。

5.3TBM施工隧洞围岩支护措施研究

针对施工区特点，结合施工工艺对开挖洞室的影响，确定各类围岩的支护措施。进行现场试验验证支护措施的合理性。影响TBM隧洞围岩分类的因素很多，施工的过程中，TBM与围岩相互作用而形成统一系统，机器特有的各项掘进参数间接反映了围岩质量状况。根据TBM掘进参数与围岩稳定的相关性，可以采用围岩质量为基准，寻找各掘进参数与围岩的关系，进而再以掘进参数来推导围岩的类别。通过大量的数理统计调查、分析，提出深埋长隧洞TBM施工围岩分类体系下，不同围岩类别的支护措施。

5.4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。

5.5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。

5.6围岩类别的表示方法

合适的围岩分类表达方式，有利于施工人员理解和施工中应用。本分类方法采用围岩稳定性分级、风险类型等级以及围岩可掘性分级组合的方式表示围岩类别。罗马数字Ⅰ—Ⅴ表示围岩稳定性分级，即围岩的基本类别，下标表示可能遇到的工程地质风险及等级，上标表示围岩的可掘性分级。如:ⅠA3B3表示为Ⅰ类岩，存在强烈岩爆风险，TBM施工可掘性差;ⅢA1P2表示为Ⅲ类围岩，存在较高风险的外水压力，围岩可掘性一般。

结束语

我国对于长距离输水隧洞的施工，主要采用钻爆法及掘进机法。因此，研究采用TBM法施工及复合式施工的隧洞及其支护结构的稳定性尤为重要。这个问题是否得到妥善的解决关系到隧洞能否快速、安全施工，同时也决定着工程的投资与工期。

参考文献

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