山西中線引黃工程隧洞采用TBM施工適宜性分析及對策

張許平

(山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024)

山西中線引黃工程隧洞采用TBM施工適宜性分析及對策

張許平

(山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024)

文章結合隧洞工程地質條件，從隧洞圍巖巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應力等主要因素方面分析了TBM的適宜性，并為此提出了幾點針對性地的技術措施，以期為類似工程提供參考。

隧洞;TBM;適宜性;對策

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.033

TBM(Tunnel Boring Machine)施工具有快速、優質、安全、經濟、有利于環境保護和勞動力保護等優點，在國際上，已廣泛應用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等工程［1］。但 TBM在實踐中存在適應性，隧洞圍巖工程地質條件的差異對TBM的適宜性影響很大，技術人員對TBM的適宜性分類及適用條件進行了探索［2］。山西省中線引黃工程引水隧洞距離長、埋深大、地質條件復雜，設計比選，個別隧洞擬采用 TBM施工［3］。作者結合隧洞工程地質條件，從隧洞圍巖的巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應力等方面對TBM的適應性進行分析，并提出了針對性技術措施，以期為類似工程提供參考。

1 工程概況

山西省中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中一項重要的工程，規劃供水6.02億m3，包括取水工程和輸水工程。輸水工程主要由隧洞組成，包括總干線、東干線、西干線以及各供水支線輸水。輸水線路總長384.5km，總干線及支線隧洞總長度占99.3%，其中總干3號隧洞(樁號77+ 040.9～118+395.8，以下簡稱3號隧洞)及東干隧洞(樁號8+700～28+763.4，以下簡稱東干隧洞)擬采用TBM施工。

1.1 3號隧洞

3號隧洞地面高程1247～1605m，隧洞埋深小于300m洞段長43.6km，埋深300～610m洞段長75.6km。隧洞約有2.1km過土洞段，21.7km過黑茶山群、界河口群斜長角閃巖及石英巖段，其余均穿過寒武系、奧陶系灰巖、白云巖、泥灰巖、頁巖。樁號54+186.3處發育逆斷層FB1;樁號104 +618.7處發育正斷層FB4;樁號116+397.4處發育逆斷層 FB5，樁號160+475.2處發育一逆斷層FB14。

樁號67+199.6～70+168.6、93+614.2～97+ 384.1、119+842.5～124+614.2段碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區域)位于洞頂以上0～288m;樁號97+ 384.1～119+842.5段變質巖類裂隙水位于洞頂以上0～160m;樁號162+547.3～164+601.9段松散巖類孔隙水位于洞頂以上。其余洞段碳酸鹽巖裂隙巖溶水(區域)水位均位于洞底以下，可能存在層間水。樁號125+214.2～127+814.2存在碳酸鹽巖裂隙巖溶水(層間水或滯水)，位于洞頂以上110m。

整個隧洞段Ⅲ類圍巖長約73.2km、Ⅳ類圍巖長約13.3km、Ⅴ類圍巖長約32.8km。

1.2 東干隧洞

東干隧洞地面高程1225～1640m，洞底埋深284～693m，多數地段隧洞埋深大于400m。隧洞約13.2km過呂梁山群及長城系變質巖段，約15.6穿過寒武系、奧陶系灰巖、白云巖、泥灰巖、頁巖。樁號2+120處發育逆斷層Fc2，樁號6+212處發育逆斷層Fc3，樁號9+069處發育逆斷層Fc4，樁號9+330處發育逆斷層Fc5。

東干隧洞樁號8+700～24+150地段處于柳林泉與郭莊泉的分水嶺地帶，地下水位位于洞頂以上0～310m。其中樁號8+700～2+940、樁號9+ 000～24+150地段，隧洞位于碳酸鹽巖內或洞頂以上變質巖不厚(小于100m)，巖溶地下水水位高于洞頂約0～310m。該段隧洞灰巖洞段較長，有遇到溶洞的可能，特別是段內東干隧洞樁號9+ 400～12+400段處于柳林泉域內的枝柯泉域，隧洞穿過巖溶較發育的中奧陶系地層。

整個隧洞段Ⅱ類圍巖長約6.6km、Ⅲ類圍巖長約18.1km、Ⅳ類圍巖長約0.8km、Ⅴ類圍巖長約3.2km。

2 TBM適應性的影響因素

TBM適宜性的因素很多，結合項目隧洞的圍巖工程地質條件，分析本項目的適宜性因素主要表現在巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應力等幾個方面。

2.1 巖性及巖性組合

不同的隧洞圍巖巖性及巖性組合形成不同的圍巖整體抗壓強度的高低，資料顯示TBM最適宜的施工范圍在30～120MPa之間。TBM在抗壓強度低的軟質巖中掘進時容易產生機身沉陷、包機頭等現象，影響隧洞掘進，因此隧洞圍巖巖石抗壓強度不宜過低。但TBM掘進時并不是巖石抗壓強度越高越好，巖石抗壓強度越高，刀具的磨損一般也越大，掘進速度會減慢，在巖石強度非常高時可能出現進尺非常緩慢的現象。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度是影響圍巖穩定的又一重要因素。當巖體完整，無連續的軟弱結構面時，圍巖的穩定性主要由巖性控制，此時的掘進貫入度較低。當巖體中節理裂隙增加，完整程度降低，破碎程度增加時，圍巖的掘進性就由巖性逐步過渡到由巖性與結構面共同控制，直至完全由結構面(包括節理裂隙、層理面等)控制，此時掘進機的掘進貫入度增加，但掘進機發生事故的可能性也隨之增加，對支護襯砌要求也相應提高。有關資料表明，當Kv值介于0.38～0.75時，即巖體處于較完整、較破碎狀態時，掘進速度較快。

2.3 地下水

隧洞圍巖中的地下水可能引起突水(泥)、涌水(砂)，對TBM掘進產生直接影響，且會降低巖石的強度，影響圍巖穩定性。尤其對于軟質巖或構造帶，強度降低非常顯著，甚至可能產生泥化。

2.4 地應力及巖爆

TBM刀具滾壓破巖是沖擊擠壓和切削破壞的復合運動，地應力對擠壓破巖不利，提高了巖石的抗擠壓強度;地應力作用下，掌子面巖石產生較大的變形能，對切削破巖有利［4］。然而深埋隧洞在高地應力下易產生巖爆，高地應力巖爆對TBM適應性也會產生影響［5］。

3 TBM適應性分析

擬采用TBM施工的洞段為總干3號隧洞(樁號77+040.9～118+395.8)，東干隧洞(樁號8+ 700～28+763.4)，以下具體分析其工程地質條件對TBM的適應性。

3.1 總干3號隧洞

整個3號隧洞圍巖為中硬巖～硬質巖的灰巖、白云巖、變質巖段，巖體較完整或較破碎，長度約34.3km，占該段長度83.0%;圍巖為軟～較軟巖的泥灰巖、頁巖段，圍巖極不穩定，不能自穩，長度約6.6km，占該段長度16.0%。其中地下水位以下洞段軟 ～較軟巖長度約0.5km，約占該段長度1.1%。在地下水位以上，但埋深大于400m的軟～較軟巖長度約3.5km，約占該段長度8.5%。

FB4及FB5斷層破碎帶及影響帶，巖體較破碎，圍巖極不穩定，不能自穩，長度約0.4km，占該段長度1.0%。

段內部分地段可能發生中等巖爆［6］，巖爆強度不大，采取一定措施后也可考慮采用TBM施工。

總體看，3號隧洞地下水位以下的泥灰巖、斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等對TBM施工不利，適宜或基本適宜TBM施工的洞段(包括硬質巖及埋深小于400m且位于地下水位以上的軟巖、較軟巖)約占89.4%，可以考慮采用TBM施工。

3.2 東干隧洞

整個東干隧洞中圍巖為中硬巖～堅硬巖的灰巖、白云巖、萬年飽組變質巖洞段長度17.1km，占該段總長度的85.1%。圍巖為軟 ～較軟巖的泥灰巖、頁巖、同岔溝組片巖洞段長度約2.6km，且均處于埋深300m以下，占該段總長度的13.1%。其中地下水位以下洞段長約2.1km，約占該段總長度的10.6%。 fc4、fc5逆斷層帶處巖體破碎，斷層破碎帶及影響帶長度0.4km，占該段總長度的1.8%。

整個隧洞段內部分地段可能發生中等巖爆，巖爆強度不大，采取一定措施后也可考慮采用TBM施工［7］。

總體看，東干隧洞段軟質巖埋深較大且多處于地下水位以下，存在斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等對TBM施工不利的因素，適宜或基本適宜TBM施工的洞段約占80%左右，采用TBM施工可能會遇到一定困難，需慎重對待。

4 結論及對策

針對上述3號隧洞和東干隧洞圍巖TBM施工的適應性分析，隧洞地下水位以下的泥灰巖、斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭等洞段對TBM施工不利，但適宜或基本適宜TBM施工的洞段(包括硬質巖及埋深小于400m且位于地下水位以上的軟巖、較軟巖)均達到80%以上，因此采取適當的技術措施后利用TBM施工是可行的［8，9］。(1)隧洞圍巖雖以中硬巖～堅硬巖為主，軟巖、較軟巖為輔，為了防止圍巖軟硬不均造成TBM掘進姿勢難以控制，管片與尾盾貼死而造成管片擠壓破損，以及掘進過程作用力不均導致管片滾動等現象，該工程兩個隧洞均采用了雙護盾TBM施工，且為了更好地適應局部軟巖、較軟巖隧洞地段掘進，采取了將機身設計成錐形、最大限度的縮短機身以及刀頭增設了擴挖設備等措施。(2)針對TBM施工過程可能遇到斷層破碎帶、大溶洞、高壓水頭、涌水及突泥(砂)等不利地質情況，在TBM上裝備了超前鉆探及超前預注漿設備，以便在穿越斷層破碎帶、有水溶洞或可能突泥破碎洞段時，采取超前預注漿加固圍巖、超前鉆孔排水及鉆孔注漿堵水等工程措施。(3)雖然在TBM上裝備了必要的設備，但長距離深埋隧洞地質情況比較復雜多變，還應該加強超前地質預報工作，以便為了解掌子面前方地質情況，及早采取相應的工程措施，確保TBM施工順利進行。

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1672-2469(2016)08-0104-02

2016-01-05

張許平(1969年—)，男，高級工程師。