寶林隧洞TBM施工適宜性評價方法探討

彭義峰, 江 妤, 方 平, 黃定強, 袁振平

(湖北省水利水電規劃勘測設計院,湖北 武漢 430064)

鄂北水資源配置工程寶林隧洞屬于鄂北水資源配置工程下段的控制性節點工程,位于廣水市東北,隧洞的起點樁號為244+650,終點樁號為258+490,隧洞全長13.84 km,其洞徑僅為4.0～5.6 m,由于隧洞沿線沒有條件布置施工支洞,因此本隧洞采用TBM施工方法進行施工,其TBM施工長度為10.25 km,樁號247+850～258+100 。本文主要介紹水利工程對輸水隧洞圍巖TBM施工適宜性進行評價的一般方法與施工中應注意的主要工程地質問題[1]。

采用TBM代替傳統的鉆爆法,在相同的條件下,其掘進速度約為常規鉆爆法的4～10倍,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,能極大提高效率,但是工程造價高于常規鉆爆法,TBM選型主要根據設計斷面及地質條件綜合考慮[2]。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

隧洞穿越區地面高程100～748 m。屬于丘陵—低山地貌類型。其中樁號249+820穿過中華山最高山脊,高程為748 m;樁號244+650～245+550段地形呈崗波狀起伏。樁號245+550～249+820(中華山脊)段地面逐漸抬起,坡角平均為8°～15°。樁號249+820(中華山脊)～252+660(高峰寺水庫西支溝)段高程逐漸下降,坡角度10°～20°。樁號252+660(高峰寺水庫西支溝)～258+490段地面高程一般為100～386 m,平均244 m。

1.2 地層巖性

隧洞沿線地面高程118.3～750 m,相對高差630 m左右,為中低山地形。隧洞穿越的地層主要有:

(1) 下元古界紅安群七角山組(Pt1q)。白云鈉長片麻巖、鉀長片麻巖,局部夾大理巖透鏡體,分布在樁號244+650～247+070段之間。

(2) 太古界桐柏山群新店組(Arx)。混合片麻巖,分布在樁號247+070～251+450段之間。

(3) 太古界桐柏山群黃土寨組(Arh)。黑云奧長混合片麻巖,分布在樁號251+450～258+490段之間。

1.3 地質構造

洞線褶皺主要為關門山倒轉復式背斜的次一級背斜,背斜軸線樁號247+700左右與線路相交,軸線走向為310°～320°,兩翼出露地層為太古界桐柏山群新店組(Arx)混合片麻巖和黃土寨組(Arh)黑云奧長混合片麻巖,南翼被孫家畈—廣水逆斷層(F30)所斷,構造不完整,連續性被破壞。根據勘察與洞線相交的主要分布有5條斷層,具體情況如下:

(1) 孫家畈—廣水逆斷層(F30)與洞線在樁號246+200附近相交,斷層產狀40°∠80°～55°∠55°。構造角礫巖和擠壓透鏡體沿斷裂帶分布,具糜棱巖化、綠泥石化、碎裂巖化,膠結較好,沿線未見地下泉水點。

(2) 麥地灣—五童坳平推斷層(F31)與線路樁號247+400附近相交,斷面產狀135°∠75°。沿破碎帶有角礫巖分布,局部地段有糜棱巖,錯斷大理巖層。斷層北西側有偉晶巖脈分布,未見明顯地下水活動痕跡。

(3) 斷層(F31-1)與線路樁號248+740左右相交,斷層走向NE75°左右,主要表現為沖溝兩側出露產狀有變化,沿破碎帶有角礫巖分布,局部地段有糜棱巖,未見明顯地下水活動痕跡。

(4) 廣水—大新店逆斷層(F32)與線路樁號253+880附近相交,斷層長度>15 km,總體走向45°～50°,斷面產狀150°～158°∠30°～45°。斷層破碎帶寬200～300 m,普遍發育碎裂巖、構造角礫巖,具壓扭性結構面特征。整個脆性斷裂帶中具韌性變形的巖石成分,普遍具強硅化。斷層穿過高峰寺水庫庫尾,未見明顯地下水活動痕跡。

(5) 斷層(F33-1)與線路樁號258+160附近相交,地表為一沖溝,總體走向45°～50°,沿北東方向與F33相交,推測此斷層屬于區域性斷層F33斷層分支,鉆孔揭示巖心較破碎,透水性強,但是在隧洞穿越處,地表為一小埡口,匯水面積有限,因此只是在暴雨季節可能透水外,正常情況地下水不活躍,對隧洞施工不構成大影響。

1.4 主要巖體力學參數

本段主要分布于各種風化條件下,其巖石物理力學參數見表1。

表1 物理力學參數統計表Table 1 Statistical table of physical and mechanical parameters

根據巖石試驗成果,依據SL629-2014的附錄B中表B.3.2“各類圍巖力學參數地質建議值”,本段隧洞各類圍巖主要力學參數地質建議值如表2。

表2 寶林隧洞各類圍巖主要力學參數建議值Table 2 Recommended values of major mechanical parameters of different surrounding rock of Baolin Tunnel

2 水文地質條件

2.1 地表水

與線路相交的主要沖溝有高峰寺水庫的東、西支溝和余家溝共3條。其中高峰寺水庫的東、西支溝日常流量測繪期間大約4～8 L/s。余家溝平時基本無水。只有下雨后才有。

2.2 地下水

隧洞沿線地下水以基巖裂隙水為主,水量較貧乏,且不均衡,主要靠大氣降水補給,溝河為其排泄基準面。從野外地質調查來看,沿斷層帶未見泉水活動。本次勘察在隧洞沿線主要低洼地帶布置勘探點,其中在F32和F33-1附近布置勘探孔,共實施了24段壓水試驗。其中成果統計見表3。

表3 鉆孔壓水試驗成果統計表Table 3 Statistical table of achievements of water pressure test in borehole

從透水性段數與巖體風化程度或破碎程度相關性來看,中等透水層主要分布在表層強風化巖體及F33-1斷層帶,弱透水層主要分布在弱風化帶中,微透水層主要為微風化—新鮮巖體。說明巖體透水性與巖體風化程度、破碎程度高度相關。

3 隧洞TBM施工適宜性評價

TBM施工的適宜性應以工程地質勘察成果及圍巖基本質量類別為基礎,考慮巖體完整性、巖石強度、圍巖應力環境和不良地質條件等因素,結合TBM系統集成及施工應用特點綜合評價。其中V類圍巖、地應力高、巖爆強烈或塑性變形大的圍巖不適用與采用TBM施工。所以寶林隧洞進出口段及F33-1等判別為V圍巖段采用鉆爆法施工,其余段采用TBM法施工。

3.1 隧洞圍巖質量分類

要進行TBM施工適宜性評價首先要對隧洞圍巖質量進行分類評價,隧洞圍巖質量分類主要是依據《水利水電工程地質勘察規范》(GB50487-2008)“附錄N圍巖工程地質分類”標準的隧洞圍巖的5項要素[3],即巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水活動情況、主要結構面產狀與線路關系共6個方面進行評價。

隧洞圍巖分類評價方法首先是根據隧道工程地質條件進行初步分段,然后在每一段選取最不利的斷面進行定量評價,根據定量評價的分數進行隧洞圍巖分類,寶林隧洞劃分為10段,除進出口的2段外,其余8段各選定一個最不利斷面進行量化打分,其量化評價見表4。

表4 典型斷面圍巖分類量化計算表Table 4 Quantified calculation table of surrounding rock classification of typical section

(1) 巖體飽和單軸抗壓強度選取為強風化20～30 MPa，弱風化60～70 MPa,新鮮75～90 MPa。

(2) 巖體完整程度,主要依據鉆孔聲波及地表測繪巖體線密度,進行選取。

(3) 結構面狀態主要依據地質測繪描敘的結構面狀態進行賦分。

(4) 地下水主要結合鉆孔壓水試驗、最近地表水及斷層帶性質進行賦分。

(5) 隧洞圍巖應力比強度按下列公式計算。

S=Rb×Kv/σm

式中:S為隧洞圍巖應力比;Rb為巖石飽和單軸抗壓強度(MPa);Kv為巖體完整性系數;σm為圍巖最大主應力(MPa),本地區取自重應力。

根據典型斷面成果結合隧洞圍巖工程地質條件,對本隧洞圍巖進行具體分類,其各段主要巖體分類特征見表5。

表5 寶林隧洞圍巖分類特征表Table 5 Classification characteristic table of surrounding rock of Baolin Tunnel

根據以上分類統計,其中Ⅱ類圍巖長9.2 km,占總長度66.5%;Ⅲ類圍巖長2.43 km,占總長度17.6%;Ⅳ類圍巖長1.35 km,占總長度9.7%;Ⅴ類圍巖長0.86 km,占總長度6.2%。

3.2 隧洞TBM適宜性評價

隧洞TBM適宜性評價主要依據《引調水線路工程地質勘察規范》(SL629-2014)的附錄C“隧洞TBM施工適宜性判定”相關標準進行評價[4]。其隧洞TBM適宜性評價主要指標為隧洞圍巖類別、巖體完整性(Kv),圍巖強度應力比(S)、巖石飽和單軸抗壓強度(Rb)。TBM施工適宜性分為適宜(A類)、基本適宜(B類)、適宜性差(C類)3個評價等次。

根據以上評價方法,寶林隧洞TBM施工適宜性評價見表6。

根據上表統計分析,適宜A類長9.15 km,占總長度89.3%,B類長1.1 km,占總長的10.7%。總體上,本段工程地質條件適合TBM施工。

表6 TBM施工適宜性評價表Table 6 Evaluation table of TBM construction suitability

4 影響TBM施工主要工程地質問題

4.1 影響TBM掘進效率的主要工程地質因素

4.1.1 巖石的單軸抗壓強度(Rc)

TBM是利用巖石的抗拉強度和抗剪強度明顯小于抗壓強度這一特征而設計的,抗壓強度的高低是影響TBM掘進效率的關鍵因素之一。Rc越小,掘進速度越快,效率越高;Rc越大,掘進速度越慢,效率也就越低。但是Rc太小,圍巖穩定性差,嚴重影響掘進速度;Rc太大,TBM 掘進困難,效率低下,本次勘察重點取巖樣進行室內抗壓試驗。

4.1.2 巖石的耐磨性

國內外大量TBM施工隧洞的工程實踐表明,刀具的磨損情況對TBM掘進效率以及工程的經濟性影響很大[5]。僅根據巖石抗壓強度、巖體完整程度來判斷和預測刀具的磨損情況是不夠的,巖石的耐磨性也是衡量刀具磨損情況的主要指標之一。巖石的耐磨性越高,對TBM刀具、刀圈和軸承的磨損程度也越嚴重,刀具消耗和施工成本就越高,并造成停機換刀次數增加,影響TBM正常掘進,相應的TBM掘進效率也就越低。而巖石耐磨性與巖石的石英含量相關。為此,本隧洞勘察中,選定典型巖樣進行的石英含量分析,其分析方法分別采用磨片的巖礦鑒定、X衍射兩種方法進行測定,其測定成果分別如下：

(1) 磨片的巖礦鑒定。Pt1q鈉(鉀)長片麻巖:石英含量20%～47%,斜長石20%～23%,鉀長石12%,云母5%～23%。

Arh(混合片麻巖):石英20%～50%,斜長石10%～20%;局部的鉀長石40%;微斜長石15%;白云母5%～6%;黑云母3%～8%;

Arx(片麻巖):石英20%～40%;鈉長石10%～30%,斜長石8%;赤鐵礦7%;白云母5%～6%;黑云母3%～8%;(另外局部方解石60%)

(2) X衍射。X衍射鑒定成果見表7。

根據X衍射分析其礦物成分如表7,雖然和磨片有所差異,但是總體上在相差不大范圍內。

4.1.3 巖體的完整性

巖體中結構面(節理、層理、片麻理、斷層)的發育程度(即巖體完整性)是影響TBM掘進效率的又一重要地質因素。一般情況下,當巖體非常完整時,不利于TBM掘進,TBM掘進效率較低;當巖體完整性較低時,TBM掘進速度較快,效率較高;但當結構面特別發育,巖體完整性很差時,巖體已呈碎裂狀或松散狀,整體強度很低,作為工程圍巖已不具有自穩性,此時TBM掘進速度很慢,效率很低。因此,巖體結構面特別發育或不發育時往往都不利于TBM掘進。而深部巖體完整性是很難通過地質勘測手段查清楚的,勘察期選在埡口、斷層附近等結構面可能相對破碎的堤防布置勘探點,在鉆孔中開展聲波試驗來評價巖體完整性。雖然此方法相對保守,但是也偏于安全。

表7 X衍射礦物分析成果Table 7 The results of X diffraction mineral analysis

4.2 巖爆

本隧洞巖石主要為片麻巖,新鮮的巖飽和抗壓強度60～137 MPa,平均為86.9 MPa左右,屬于硬質巖,隧洞的最大埋深649 m。依據規范GB50487-2008的附錄Q巖爆判別中表Q.0.2巖爆分級及判別標準,巖石強度應力比(Rb/σm),本段最小應力比是位于樁號249+800段,其巖石強度應力比為4.4,因此本隧洞段發生巖爆級別為輕微巖爆(Ⅰ級)。根據其輕微巖爆巖石強度應力比4～7的條件反算,可能發生輕微巖爆的上覆巖層最小厚度為400 m。

依據設計隧洞埋深>400 m的有兩段,均為TBM施工段,其分布樁號分別為:第一段樁號248+030～248+230段,長度為200 m;第二段樁號248+880～250+700段,長度為1 820 m。發生輕微巖爆段長度占整個隧洞長度(13 840 m)的14.6%。圍巖發生輕微巖爆主要現象為圍巖表層有爆裂射落現象,內部有噼啪、撕裂聲響、人耳偶然可以聽到,巖爆零星間斷發生,一般影響深度0.1～0.3 m,對施工影響較小,TBM施工應加強觀測、必要時進行簡單支護。

4.3 隧洞涌水

TBM施工段均屬于相對隔水巖層,整體隧洞沿線除樁號254+000附近高峰寺水庫外,其余段基本無大的地表水系,巖性為相對隔水巖層,水文地質條件簡單,其分布的斷層不甚發育,主要分布有F31-1與F32條斷層,這兩條斷層均為角礫巖、糜棱巖,斷層沿線未見地下水活動痕跡,因此不存在嚴重的隧洞透水問題。

但是F32斷層分布在高峰寺水庫東支溝附近,因此勘察階段在該處布置一個勘探孔并做壓水試驗,從壓水試驗成果來看0.29～0.75 Lu屬于微透水層,為安全起見,本次隧洞的涌水量計算,按最不利弱—中等透水的層來估算,其滲透系數根據經驗選0.432 m/d,

其計算模型按隧洞穿越潛水含水層,計算公式采用古德曼經驗公式估算。

式中:Q0為隧洞通過含水地段的最大涌水量,m3/d;K為含水體滲透系數,m/d;H為靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離,m,取沖溝底部河床至洞身,其埋深取43 m;d為洞深橫斷面等價圓直徑,m,設計TBM直徑為4 m;L為隧洞通過含水體的長度,m。斷層及斷層帶寬度取5 m。

根據計算本段預測最大涌水量為155.2 m3/d。因此建議TBM選型設計,應具備帶有超前鉆探的功能,在TBM施工時在該段附近建議采用超前鉆進行預報,當有地下水時,根據涌水量實際情況進行處理。

5 結語

目前寶林隧洞進出口段的鉆爆段已經實施完成、TBM已經施工500余米。從目前來看隧洞前期的地質評價基本準確,進出口的鉆爆法及TBM段施工較為順利,TBM掘進正常,選用的鉆頭合適。在水利水利水電隧洞工程地質條件評價時,主要做好以下兩個方面工作:

(1) 一定依據規范的要求進行開展做好地質調查、原位試驗及室內試驗工作,在取得大量數據基礎上按規范評價分析體系對隧洞進行圍巖類別、TBM適宜性分級評價是非常適用的。

(2) 不放過勘察過程中一切微小的細節調查與分析,例如本次的F31-1與F33-1都是在初步設計階段地質調查后發現規模較大斷層,在已有的區域地質資料是沒有的。

參考文獻：

[1] 張許平.山西中線引黃工程隧洞采用TBM施工適宜性分析及對策[J],水利規劃與設計,2016(8)：104-105.

[2] 毛衛洪.隧道掘進機(TBM)選型探討[J].國防交通工程與技術,2011，9(5)：15-17.

[3] 中華人民共和國水利部.水利水電工程地質勘察規范：GB50487-2008[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[4] 中華人民共和國水利部.引調水線路工程地質勘察規范：SL629-2014[S].北京：中國水利水電出版社，2014.

[5] 吳煜宇，吳湘濱，尹俊濤.關于TBM施工隧洞圍巖分類方法的研究[J].水文地質工程地質,2006，33(5)：120-122.