长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨

王振亚 

摘要：TBM的一个特点是开挖速度快，是施工作业中常用于深隧道开挖的机械，工作效率高，有效缩短工期，提高施工质量和其他优点。对此，本文结合榕江关埠引水工程探讨了TBM掘进破岩过程，进一步分析了长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性，并从、初始应力场、岩体力学性质、地下水、地质结构、施工因素等层面进行分析，对长距离输水隧洞TBM掘进过程提供了一定的参考意见。

关键词：长距离；输水隧洞；TBM掘进；围岩稳定

引言

TMB具有运行高效、有效缩短工期、提高施工质量等优点，但对不利地质特征和变化大的地层缺乏适应性。 使用TMB施工时，遇到岩爆等地质灾害的概率很高，TMB损坏和拆除事故频发，甚至是人员伤亡严重。因此，为提高TMB施工的安全性和可靠性，防止地质灾害的发生，在施工前科学调查地质条件，制定地质灾害防护措施具有重要意义。

榕江关埠引水工程隧洞围岩大部分为弱风化～微风化花岗岩，岩质坚硬，弱风化花岗岩饱和单轴抗压强度范围值约36～181MPa，平均值约107MPa，微风化花岗岩饱和单轴抗压强度范围值约92～345MPa，平均值约163MPa，岩体多属较完整～完整，Ⅱ类围岩占31.1%、Ⅲ类围岩占56.8%，成洞条件较好，洞身稳定性好，TBM施工适宜性等级多为A、B，少量为C。隧洞进口段、出口段、断层带及低矮冲沟部位分布少量全风化～强风化或较差的弱风化岩，岩体破碎，岩石强度低，围岩多属Ⅳ类(占8.2%)或Ⅴ类(占3.9%)，成洞条件差，洞身极不稳定，容易产生塌顶破坏，须及时支护衬砌。

1.TBM掘进破岩过程分析

机器的强大前推力使安装在前刀盘上的圆盘滚刀更靠近待挖掘的岩石，并且机器随着圆盘刀盘的旋转而前进。 如果岩石所能承受的最大抗压强度低于TMB的正向推力，则由于刀盘的转动，岩石将被剥离，掌子面表面会被圆盘刀压碎，形成多个同心圆槽。随着凹槽深度的增加，岩体表面的裂缝加深和扩大，当超过岩石的纵向切割和抗拉强度时，导致相邻同心凹槽之间的岩石剥落。

在 TMB 钻孔时，后方岩层被压缩，岩石破碎有助于钻孔作业的进行。穿透一定深度的岩体，穿透深度通常设置在5～15mm之间。当 TBM 圆盘刀具在工作面上滚动时，岩石产生的裂缝会扩展，岩石碎片会形成并与工作面分离，从而导致相邻圆盘刀具之间的岩石分离和错位。可以看出，圆盘刀之间的距离、岩石的力学特性、载荷等因素都会影响圆盘刀之间的相互作用。裂纹能直接膨胀并沿着刀盘延伸，就形成一个隧道。这就是TBM掘金机器的破岩过程。

2.长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨

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2.1岩体力学性质

在围岩稳定性分析中，既要充分考虑岩石结构的特点，又要考虑层间位错、黏性中间层等弱结构的发育。例如，榕江关埠引水工程输水隧洞沿线发育多条较大断层，这些断层胶结差，较破碎，多数沿冲沟发育，大部分两端连接有山塘水库，是良好的储水及导水体，隧洞揭露这些断层时，可能有较多小股状地下水从断层带涌出，甚至少数段层出现较大涌水，对施工安全及围岩稳定有不利影响，需做好排水及安全支护措施。

工程岩体的稳定性受强度特性、岩体变形等因素的影响很大。由于塑性和延展性等因素的存在，工程隧道围岩松动断裂，破碎破坏支护结构。粘塑性变形压力的存在往往表现为岩盐的时效性。剪切破坏和拉伸破坏是长距离输水隧道TBM开挖过程中较为常见的破坏模式。

2.2地质结构

岩性、裂缝分布、岩石结构、特殊地质条件等共同作用，影响围岩的稳定性。从各种施工案例及学者研究可以得出结论，影响很大。长距离输水隧道TBM钻进过程的自然特征及相关的工程活动等影响因素主要表现在岩溶、泥质沉积岩、地下水流入的蠕变等方面。岩石结构最薄弱的部分是岩石结构表面，当岩石材料包络面较低且围岩应力水平和硬度水平相同时，影响围岩稳定性控制的主要因素有：结构面、裂纹分布。长距离输水隧道TBM开挖过程的施工危害主要由节理和延伸长度、裂缝数量、地质力学性质、闭合程度、发生等因素决定。对隧道周围岩石造成较大危害的条件主要是节理倾角。具有断层构造的岩石，分布有致密的节理和裂隙，岩层松软破碎的特点，围岩与疏松介质有一定的相似性，围岩的稳定性很难得以维持。最明显的部分是向斜盆地的褶皱部分和一些断层的穿越，在长距离输水隧道TBM开挖过程中应引起足够的重视。

2.3富水构造带

长距离输水隧道在富水构造带中采用TBM直接开挖，最大的威胁是高压地下涌水。在富水基岩裂隙中，由于水压的突然释放，虽然围岩完好无损，不会塌陷，但也会发生水淹事故。在富水构造破碎带，在水动力作用下，破碎岩体如泥石流般突然冒出，将对TBM施工造成极大危害，影响TBM施工效率，甚至引发重大事故等。

榕江关埠引水隧洞沿线分3段进行施工，采用TBM法施工为主、钻爆法为辅的施工工法，根据施工进、出口场地设置，各分段之间采用浅埋箱涵连接形成贯通的输水通道。钻爆法各段均为重力有压流输水，开挖断面采用马蹄形结构形式。隧洞底宽4.0m，洞高5.0m。根据围岩类别，Ⅱ类围岩段喷砼厚度为50mm，内侧衬砌厚度400mm；Ⅲ类围岩段喷砼厚度为50mm，顶拱及边墙范围内设置φ22系统锚杆L=2500@2000，并对进行全断面固结灌浆，每排设8孔，孔深入岩5.0m，排间距2.50m，梅花型布置，内侧衬砌厚度400mm；Ⅳ、Ⅴ类围岩喷砼厚度100mm，侧墙及顶拱设φ22系统锚杆L=2.500@1000×1000，并对进行全断面固结灌浆，每排设8孔，孔深入岩5.0m，排间距2.50m，梅花型布置，内侧衬砌厚度400mm；隧洞衬砌内径为5460m。

2.4施工因素

虽然土木工程的施工不直接影响围岩质量，但土木工程对形状、方位和隧道尺寸、施工技术、支护方式有重大影响。施工时，应根据隧道内的受力分布情况，选用相应的施工方法。同时，考虑隧洞的开挖形状与地质构造间的关系和应力反应，例如，矩形和椭圆形隧道的应力分布通常比圆形隧道弱。

榕江关埠引水隧洞TBM段采用双护盾TBM掘进机掘进施工，开挖洞泾5060mm，管片采用六边形C55砼预制管片，四片一环，接缝处设置橡胶止水。管片内径4300mm，厚度250mm，管片外侧与围岩之间空隙采用豆粒石及回填灌浆填充。对于局部Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段增设300mm厚钢筋砼衬砌，并利用管片的每环8工作孔对洞周围岩进行固结灌浆，灌浆孔入岩5.0m，排间距2.80m(管片环宽为1.4m)，以保证洞室围岩稳定。

2.5初始应力场

隧洞开挖后应力重新分布的风险程度主要取决于初始应力场的性质、大小和方向所决定。而影响围岩稳定性的基本因素之一是初始应力场。在高地应力作用下，如果岩层比较坚固且完整，则比较容易发生侧壁开裂、岩爆等灾害，如果岩层较弱且破碎，在开挖过程中容易发生挤压、遗曲、底部隆起等严重变形，这表明地应力的重要影响。自重力应力和结构应力共同构成初始应力场。长距离输水隧道TBM开挖过程中，如果岩石强度-反应力比过小，施工过程中容易出现强烈的岩爆现象，可能导致围岩变形或破碎。围岩的稳定性还受到隧道轴线方位和最大水平主应力等因素的影响，当两者处于垂直位置时，会对隧道围岩的稳定性产生不利影响。为促进工程的顺利进行，提高围岩的稳定性，在长输水隧道TBM开挖过程中，需要改善隧道周围的岩石条件。应选择与最大水平主应力方向平行的隧洞轴线。

3.结束语

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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。

参考文献

[1]傅柯,周八军.某长距离输水渠道工程隧洞抗震安全性研究[J].吉林水利,2022(06):32-36.DOI:10.15920/j.cnki.22-1179/tv.2022.06.006.

[2]金雪红.长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨[J].黑龙江水利科技,2020,48(05):59-61.DOI:10.14122/j.cnki.hskj.2020.05.016.

[3]林峰. 长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性研究[D].浙江工业大学,2013.