不同圍巖條件對TBM掘進的影響研究

田 志 斌

(山西省中部引黃工程建設管理局，山西 太原 030002)

山西省大水網是全國“江河湖庫水系連通”試點工程，具有隧洞數量多、單洞距離長、地下水豐富、地質條件復雜等諸多特點，施工難度極大。隨著TBM施工法在萬家寨引黃工程、引漢濟渭、遼西北供水等長距離引調水工程中的成功應用[1]，線路在穿越國家自然保護區時采用4臺TBM完成總計約89 km的施工任務，充分發揮了其掘進速度快、安全性能高、成洞質量好的優點，尤其是TBM1標單月完成掘進1411 m，單年度完成掘進10.6 km[2]。但與此同時，由于地質條件預測難度大、圍巖條件復雜多變，在實際施工過程中多次遇到了軟巖破碎帶[3]、堅硬巖、斷層等不同地質條件，對TBM在不同圍巖條件下的適應性及掘進技術提出了更高要求[4]。

本文根據山西大水網中部引黃工程TBM2標的實際地質條件，通過對TBM在不同圍巖條件下的掘進速度、掘進參數、刀具消耗、掘進時間進行比較分析，得出了堅硬巖對掘進施工的影響，并提出了合理化建議，為其他類似工程提供了經驗。

1 工程概況

中部引黃工程是山西省“十二五規劃”大水網建設中的一項重要骨干工程，隧洞總長385 km，其中總干3#隧洞穿越黑茶山自然保護區，最大埋深610 m，采用兩臺雙護盾TBM進行對向掘進[5]。TBM2標進洞支洞長3.6 km，開挖直徑5.06 m，坡度6.5%，主洞長20.327 km(總98+070—總118+395)，坡度1/2500～1/3000，平面布置圖見圖1。

圖1 TBM平面布置圖

TBM2標主洞段隧洞設計穿越主要地層有奧陶系、寒武系、元古界黑茶山組、太古界界河口群奧家灣組，主要巖性有石灰巖、白云巖、泥灰巖、石英巖狀砂巖、黑云斜長片麻巖、花崗片麻巖、斜長角閃巖等，整個洞線穿越三個背斜、三個向斜，6條較大型斷層，地質構造復雜。在背斜部位洞線的圍巖主要為奧家灣組 (Ar2a)和黑茶山組(Pth)變質巖巖系，多為Ⅲ類圍巖，斷層帶處多為Ⅴ類圍巖；向斜部位洞線圍巖主要為碳酸鹽巖類，多為Ⅲ類圍巖，少量Ⅳ類圍巖，在泥灰巖層內為Ⅴ類圍巖。在結晶基底變質巖巖系與上伏蓋層間為角度不整合接觸關系，在蓋層底部往往為寒武系底部砂巖層或元古界黑茶山組石英砂巖，石英砂巖為淺變質巖。變質巖洞線長度10 122 m，占總洞線長度的49.8%；碳酸鹽巖及泥灰巖類洞線長度10 205.75 m，占總洞線長度的50.2%；Ⅲ類圍巖長14 410.75 m，占總洞線 70.89%；Ⅳ類圍巖長3 393.1 m，占總洞線16.69%；Ⅴ類圍巖長2 523.9 m，占總洞線12.42%。

2 揭露圍巖特征及抗壓強度測試

隧洞揭露地層主要有四種，即新生界土層為松散結構混合土卵石和低液限黏土；古生界寒武奧陶系碳酸鹽巖，抗壓強度一般為15 MPa～60 MPa，為中硬巖、較軟巖和軟巖；元古界黑茶山組，變質石英砂巖；太古界界河口群奧家灣組硅酸巖類，主要巖石有黒云斜長片麻巖、鉀長黒云斜長片麻巖、斜長片麻巖、斜長角閃巖、花崗偉晶巖等，屬中深變質巖類。

隧洞開挖至主洞后，在掘進過程中可見巖層是以灰黑色的斜長片麻巖和淺紅色的鉀長黑云斜長片麻巖為主，斜長角閃巖次之，花崗偉晶巖以脈狀穿插于不同巖層內，巖層界面連續性差，巖層互為消長，接觸帶不明顯。通過對總118+000—總117+197段11組巖樣進行檢測分析，總118+000洞頂部斜長角閃巖極限抗壓強度最大，為172 MPa，總體來說，該段巖石SiO2含量66%～72%，抗壓強度一般在80 MPa～172 MPa，主要礦物成分為鉀長石 (微斜長石)、斜長石、石英、黑云母等，為變余花崗結構、細粒變晶結構、文象結構、偉晶結構、塊狀構造和片麻構造，片麻理不發育。礦物組合具有交代作用，即石英明顯交代斜長石，因此巖石堅硬，尤其SiO2交代析出呈團塊狀，使巖石硬度增高，抗磨性增強，可鉆性可達9級～11級(可鉆性按12級劃分)[6]。根據《工程巖體分級標準》[7](GB/T 50218—2014)，按照巖石的飽和單軸抗壓強度對巖石級別進行劃分，當大于60 MPa時為堅硬巖，60 MPa～30 MPa為較堅硬巖，30 MPa～5 MPa為較軟巖和軟巖。由此可見，總118+000—總117+197段巖石屬堅硬巖。從施工地質上看，背斜部位的變質巖多為堅硬巖石，巖體相對較完整，裂隙發育程度較低，掌子面十分完整，巖體的完整性和巖石的堅硬度增加了TBM掘進貫入難度[8]，雖然掘進推力增大到額定值，但掘進貫入度和掘進速度仍然較低。

3 不同圍巖條件對TBM掘進的影響

3.1 不同圍巖類別對掘進速度的影響

TBM2標主洞段主要巖性有三大類，第一類為碳酸鹽巖類 (石灰巖、白云巖、泥灰巖等)，一般SiO2<15%，可鉆性為5級～7級；第二類為變質巖巖類(黑云斜長片麻巖、含鉀長黑云斜長片麻巖、花崗偉晶巖、斜長角閃巖、石英巖狀砂巖等)，SiO2含量為66%～72%，可鉆性為9級～11級；第三類為變質石英砂巖，SiO2含量為90.00%～94.86%，可鉆性>10級。目前TBM2標進洞支洞已完成掘進，主要為第一類碳酸鹽巖類；主洞已完成掘進2 km，皆為第二類變質巖巖類；按照設計圖紙第三類變質石英砂巖主要分布于總108+175—總107+301和總105+414—總101+414，目前尚未開挖。通過對11組圍巖抗壓強度與掘進速度進行分析，可以看出隨著巖石抗壓強度的提高，TBM掘進速度不斷下降[9]。TBM2標主洞總118+000—總117+197段圍巖強度對照見表1；掘進速度與抗壓強度回歸關系見圖2。

表1 TBM2標主洞總118+000—總117+197段圍巖強度對照表

圖2 掘進速度與抗壓強度回歸關系圖

由此可知，當巖石抗壓強度在100 MPa～120 MPa 時，本標段掘進速度在2.2 m/h 左右，與遼西北供水工程相近，但當抗壓強度高于150 MPa時，掘進速度都低于1.5 m/h，巖石抗壓強度高低對TBM掘進速度有很大影響[10]。

3.2 不同圍巖類別對掘進參數的影響

在TBM掘進過程中，分別選取連續一個月內碳酸鹽巖類和變質巖巖類洞段無不良地質條件下的實際掘進參數資料，其中碳酸鹽巖類洞段位于支洞樁號1+703—2+447，長度為744 m，地層為寒武奧陶系，圍巖為石灰巖和泥灰巖，飽和抗壓強度一般在15 MPa～60 MPa，為較硬巖和較軟巖；變質巖巖類洞段位于總117+848—總117+319，長度為529 m，地層為奧家灣組黑云斜長片麻巖、含鉀長黑云斜長片麻巖、花崗偉晶巖、斜長角閃巖，天然極限抗壓強度試驗值一般為80 MPa～160 MPa，為堅硬巖。不同圍巖條件下的平均推力曲線見圖3，不同圍巖條件下的掘進速度曲線見圖4。

支洞段 (1+703—2+447，試掘進段)刀盤平均推力為6 579 kN，最大推力7 338 kN，掘進速度平均3.49 m/h；主洞段(總117+848—總117+319)刀盤平均推力8 972 kN ，最大推力9 681 kN，而掘進速度平均僅2.34 m/h。由此可見，變質巖等堅硬巖比碳酸鹽巖類不但使刀盤推力增大3 000 kN～3 500 kN，而且使掘進速度平均降低約33%，貫入度降低3 mm/rev～4 mm/rev，可鉆性及掘進效率顯著下降[11]。

3.3 不同圍巖類別對刀具消耗的影響

同樣選取碳酸鹽巖類洞段(支洞樁號1+703—2+447)與變質巖巖類洞段(主洞總117+848—總117+319)進行刀具消耗分析，根據TBM掘進刀具檢查記錄表統計，其刀具磨損情況見表2。

圖3 不同圍巖條件下TBM平均推力曲線

圖4 不同圍巖條件下TBM掘進速度曲線

樁號圍巖類別檢查頻次/次刀具更換/套每100m3掘進量檢查頻次/次每100m3掘進量刀具更換/套1+703—2+447碳酸鹽巖類50210.330.14總117+848—總117+319變質巖巖類173601.630.56

由表2可見，堅硬巖石對TBM刀具損壞嚴重[12]。100 m3掘進量變質巖巖類 (硬質巖)刀具實際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實際消耗的4倍，刀具檢查頻次為4.94倍。其中刀具損耗類型主要包括磨損到位、偏磨、刀圈斷裂、刀軸不轉、崩刃等[13]，按不同損耗類型統計見表3。

值得注意的是，刀圈斷裂是由于TBM調試階段異常造成的，占刀具消耗總數的52.38%，主洞段機械調試正常后未出現該現象。若支洞排除刀圈斷裂損耗，支洞刀具消耗量僅為10套，平均每100 m3掘進量刀具損耗0.067套，此時變質巖巖類 (硬質巖)刀具實際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實際消耗的8.35倍[14]。

表3 不同圍巖類別下刀具損耗類型統計表

3.4 不同圍巖類別對掘進時間利用率的影響

TBM掘進時間主要可以分為設備掘進、設備維護、查刀換刀、設備故障、連續皮帶機故障、測量影響、水管爆裂、火車脫軌處理等，碳酸鹽巖類洞段(支洞樁號1+703—2+447)與變質巖巖類洞段(主洞總117+848—總117+319)掘進時間分析見表4。

表4 不同圍巖類別下掘進時間統計表

從表4可以看出，支洞段TBM掘進時間占總時間的比例與主洞段相同，但由于堅硬巖降低了貫入度及掘進速度，在相同時間內僅完成碳酸鹽巖類洞段掘進總量的71%；而對于查刀換刀時間，由于巖石堅硬，造成刀具消耗增加，查刀頻次及換刀時間顯著增加，同樣時間長度內主洞段是支洞段的2.14倍。參考類似工程，如那邦水電站TBM掘進時間在較硬巖和較軟巖中刀具檢查換刀占時約5%，而堅硬巖石月份查刀換刀時間達到25%。

由此可知，堅硬巖對TBM掘進時間利用率影響較大，通常較低抗壓強度下TBM查刀換刀時間在7%左右，而堅硬巖TBM掘進時間增加到25%左右。可見，堅硬巖不僅增加了刀具消耗，而且增加了查刀換刀時間，降低了TBM掘進時間利用率及掘進速度，對工程進度及費用均產生較大影響[15]。

4 結 語

(1) 在不同圍巖條件下，隨著巖石強度的提高，刀盤推力不斷增加，但掘進貫入度顯著下降，可鉆性及掘進效率明顯降低。當巖石抗壓強度在100 MPa～120 MPa 時，掘進速度在2.2 m/h 左右，但當抗壓強度高于 150 MPa時，掘進速度則低于1.5 m/h。

(2) 在巖石抗壓強度高、石英含量大、完整性好的地段，刀具檢查頻次及消耗量明顯增加，變質巖巖類 (硬質巖)刀具實際消耗是碳酸鹽巖類(較硬巖、較軟巖)刀具實際消耗的8.35倍，因此在刀具選型時需根據地層情況選擇適宜的刀具類型，如增加刀具的耐磨性等。

(3) TBM在較硬巖和較軟巖中可以獲得較高的掘進效率，而在巖體完整的堅硬巖中貫入度及掘進速度都將明顯降低，施工成本顯著提高。因此在設計階段需對洞線穿越地層的巖性及抗壓強度等指標進行全面深入研究，以充分發揮TBM的施工優勢。