影響TBM可行性論證的主要地質(zhì)因素及對策

焦振華

(陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安710001)

1 概述

TBM隧洞施工技術(shù)具有高效、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟、對巖體擾動小、有利于環(huán)境保護和降低勞動強度等優(yōu)點，但由于其設(shè)備復(fù)雜，一次性投入大，成本較高，對地質(zhì)因素的應(yīng)變能力差，加之長引水隧洞地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性，目前還沒有能適應(yīng)各種地質(zhì)條件的所謂萬能TBM，只能做到大部分或絕大部分地質(zhì)條件的適應(yīng)和基本適應(yīng)。因此在決定采用TBM方法施工之前，一般都要經(jīng)過反復(fù)論證，特別是對于作為重點工程的長引水隧洞，盡管可行性論證包括設(shè)備性能、工程造價及地質(zhì)條件等眾多內(nèi)容，但最為重要的往往是地質(zhì)條件。因此，探討影響TBM施工的主要地質(zhì)因素及對策，對促進TBM施工技術(shù)具有重要的意義。

2 影響TBM可行性論證的主要地質(zhì)因素

初步設(shè)計階段影響TBM可行性論證的是引水隧洞圍巖總體地質(zhì)條件是否適宜采用TBM施工，施工圖階段影響TBM可行性論證的主要是隧洞圍巖的穩(wěn)定性、堅硬程度對TBM掘進效率的影響。

2.1 影響TBM施工的引水隧洞圍巖地質(zhì)條件

初步設(shè)計階段若地質(zhì)勘察表明，隧洞圍巖處于如下地質(zhì)環(huán)境時，不適宜采用TBM掘進或TBM掘進時將碰到很大困難。

(1)山巖壓力大的塑性軟弱圍巖，這類圍巖因強度低而圍壓高易產(chǎn)生大的縮徑變形。

(2)類砂性土構(gòu)成的軟弱圍巖和具中強等以上膨脹性圍巖段，一般也不宜采用TBM掘進，特別不宜采用開敞式TBM掘進。

(3)斷層破碎帶。主要指那些由碎裂巖與斷層泥構(gòu)成的寬大斷層帶，此帶不但圍巖自穩(wěn)定性差或無自穩(wěn)能力，而且大多富水，因此也不宜采用TBM掘進。若其位于隧洞中部，宜使用常規(guī)法開挖再用TBM通過，或采取其它輔助措施對破碎巖預(yù)注漿加固后，才能使用TBM，以避免埋機、陷機和卡機等事故。

(4)涌、漏水嚴(yán)重地段。若圍巖為軟弱巖層、斷層帶，嚴(yán)重的柱狀涌水、漏水將大大惡化圍巖的工程地質(zhì)條件，一般不宜采用TBM掘進。若采用TBM，將會發(fā)生開挖工作面坍落、坍拱等問題，TBM很難推進;若涌漏水段圍巖為硬質(zhì)巖一般對TBM掘進有影響，但不致危及圍巖穩(wěn)定及機具的安全，但當(dāng)嚴(yán)重柱狀涌水、漏水區(qū)段較長或反復(fù)出現(xiàn)，也將大大增加TBM推進的難度。

(5)強烈?guī)r溶發(fā)育帶。當(dāng)隧洞穿過巖溶強烈發(fā)育段，隧洞將極可能遭遇巨大的巖溶洞穴，充填溶洞或充水溶洞(如暗河通道等)，TBM掘進或通過都將極為困難，嚴(yán)重時有可能發(fā)生掉機、陷機、埋機等事故。

(6)匯水構(gòu)造地段。如向斜構(gòu)造核部，地下水豐富時，易發(fā)生埋機事故，特別是由巖溶發(fā)育的可溶巖和斷層破碎帶組成的向斜核部往往會出現(xiàn)嚴(yán)重事故。

2.2 影響TBM掘進效率的主要地質(zhì)因素

TBM效率能否充分發(fā)揮，主要決定于掘進巖石的強度、硬度、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度。

(1)巖石的單軸抗壓強度是影響TBM開挖難易的關(guān)鍵因素。TBM是利用巖石抗拉強度和抗剪強度明顯小于其抗壓強度這一特征設(shè)計的，一般認(rèn)為巖石的抗拉強度是抗壓強度的1/10～1/20，故一般采用比較容易測得的抗壓強度來判斷TBM開挖的難易程度，巖石的抗壓強度與TBM的掘進速度成反比關(guān)系。TBM最適用于抗壓強度30 MPa～150 MPa的較堅硬至堅硬巖。

(2)巖石的硬度和耐磨性。巖石的硬度越高，石英含量越多，研磨指數(shù)越大，巖石的耐磨性越高，刀具磨損越大，TBM掘進效率越低。

(3)圍巖結(jié)構(gòu)面的發(fā)育程度及發(fā)育方向與隧洞軸線方位關(guān)系。巖石的抗壓強度、硬度、耐磨性相同或相近的巖體，但巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育不同，則TBM掘進速度不同。一般情況下巖體的完整程度較低和結(jié)構(gòu)面間距較小時(結(jié)構(gòu)面密度極大、松散的V類圍巖除外)，TBM掘進速度就快，反之，掘進效果就會很差，刀具磨損嚴(yán)重。

巖體的結(jié)構(gòu)面發(fā)育密度相同時，對圍巖穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用的主要結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧洞軸線方位的組合關(guān)系，對TBM掘進速度也有一定的影響。主要結(jié)構(gòu)面與隧洞軸向平行或夾角小于30°，且該組結(jié)構(gòu)面傾角小于30°時，TBM掘進效果差。

(4)巖石的泊松比?和彈性模量E。泊松比μ較大，彈性模量E較小時，對TBM掘進有利。

3 地質(zhì)勘察的主要對策

地質(zhì)勘察除應(yīng)遵循有關(guān)規(guī)范查明或基本查明隧洞主要工程地質(zhì)條件與問題外，還應(yīng)針對影響TBM可行性論證及掘進效率的地質(zhì)環(huán)境及地質(zhì)因素，進行詳細(xì)的勘察和試驗研究。

3.1 初步設(shè)計階段應(yīng)查明圍巖性狀及出露范圍

初步設(shè)計階段對下列情況的地質(zhì)環(huán)境段不但要查明圍巖性狀，而且要確定其出露范圍，并分析對TBM的施工影響程度。

①圍巖特別堅硬和特別軟弱地段;

②圍巖軟、硬相間且強度變化很大的地段;

③寬大的斷層破碎帶和節(jié)理裂隙密集段;

④開挖后圍巖可能發(fā)生大變形或塑性流動變形，導(dǎo)致周邊巖體擠出段;

⑤明顯膨脹巖段;

⑥富水并可能發(fā)生大量涌水的地質(zhì)構(gòu)造段;

⑦巖溶洞穴(含空洞、充填溶洞)發(fā)育地段;

⑧隧洞易泥化、易造成出渣運輸作業(yè)等困難的地段。

3.2 施工圖階段應(yīng)重點查明對TBM掘進效率有影響的地質(zhì)因素

①通過鉆探查明圍巖巖石類型并詳細(xì)分段;

②現(xiàn)場采用巖石點荷載試驗或室內(nèi)巖石單軸抗壓強度試驗，查明巖石單軸抗壓強度;

③通過室內(nèi)磨片鑒定及耐磨性試驗查明各類巖石的石英含量及耐磨指數(shù);

④通過現(xiàn)場彈性波測試及地表測繪，探洞、鉆孔、節(jié)理裂隙統(tǒng)計，查明巖體節(jié)理裂隙的發(fā)育規(guī)律;

⑤施工開挖時，應(yīng)因地制宜，綜合采用地質(zhì)方法(如地質(zhì)素描等)，鉆探方法(如超前水平導(dǎo)洞，超前水平鉆孔等)，物探測試方法(如TST地震CT，地質(zhì)雷達(dá)，電法等)進行超前探測預(yù)報，方能減少施工中的盲目性，降低工程投資，減少隧洞施工中的突發(fā)性工程與地質(zhì)災(zāi)害。

4 結(jié)論

通過地質(zhì)人員上述認(rèn)真細(xì)致的地質(zhì)工作，對TBM施工方法的可行性提出初步意見，再由設(shè)計人員根據(jù)隧洞其他各種條件，就常規(guī)鉆爆法開挖和掘進機法開挖或鉆爆法結(jié)合掘進機法開挖進行技術(shù)經(jīng)濟比較，選擇合適的施工方法，同時提出改善不良地質(zhì)條件的措施方法等。掘進機型式可根據(jù)地質(zhì)查明的圍巖地質(zhì)條件初步選用:圍巖單軸抗壓強度大于100 MPa～250 MPa硬巖中使用開敞式掘進機，圍巖單軸抗壓強度在5 MPa～150 MPa之間的硬巖、軟巖混合地層中使用雙護盾式掘進機，軟土或砂層中使用盾構(gòu)式掘進機。最后由承包商根據(jù)設(shè)計文件選擇TBM機型。

總之，雖然TBM施工方法可行性及掘進效率主要受地質(zhì)因素影響，但其可行性及工程完成好壞，不完全取決于地質(zhì)條件，主要取決于人們對它的認(rèn)識、把握和解決問題能力的綜合水平及工程建設(shè)期內(nèi)風(fēng)險分析、控制和管理的能力。