某引水隧洞超硬巖對(duì)施工效率的影響研究

向家菠，羅 飛

（1.長江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010； 2.長江三峽勘測(cè)研究院有限公司（武漢），湖北 武漢 430074）

超硬巖是指當(dāng)巖石強(qiáng)度和磨耗性達(dá)到一定量值時(shí)，對(duì)隧洞掘進(jìn)施工效率可能構(gòu)成一定程度影響的巖體。在鉆爆法施工中，對(duì)炮眼施工和爆破效果構(gòu)成影響；在TBM 施工中，對(duì)TBM 掘進(jìn)速率構(gòu)成影響，同時(shí)增大滾刀損耗[1-3]。工程實(shí)踐及試驗(yàn)表明，對(duì)于完整性好的巖體，當(dāng)巖石強(qiáng)度或磨耗性很高時(shí)，往往會(huì)造成開挖掘進(jìn)困難、施工刀具及鉆具的磨損量大，嚴(yán)重影響掘進(jìn)效率且大幅增加工程成本[4-5]。

某大型引調(diào)水工程引水隧洞穿越地層巖性復(fù)雜、巖質(zhì)多樣，根據(jù)試驗(yàn)成果，在巖體較完整～完整的地層中存在巖石強(qiáng)度高和磨耗性大的超硬巖。因而在勘察階段針對(duì)超硬巖問題開展了專項(xiàng)勘察，其成果可為類似工程提供借鑒。

1 工程及地質(zhì)概況

某大型引調(diào)水工程輸水隧洞長約194.19km。工程輸水線路區(qū)處于中國地勢(shì)第二階梯東緣向第三階梯過渡地帶。線路區(qū)以中山為主，地勢(shì)總體呈“中部高、南北低”“西高、東低”的特征。其中巖漿巖、變質(zhì)巖、沉積巖三大巖類均有分布，以沉積巖類分布范圍廣，且其碳酸鹽巖與碎屑巖總體相間分布，變質(zhì)巖類分布范圍其次；巖漿巖類分布范圍相對(duì)最少。

2 超硬巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試

巖石的磨耗性可以通過巖石磨耗試驗(yàn)確定的巖石磨耗指數(shù)（CAI）判定，參照相關(guān)規(guī)范規(guī)程，類比國內(nèi)TBM 掘進(jìn)工程經(jīng)驗(yàn)[6]，確定巖石磨耗指數(shù)和對(duì)TBM 刀具磨損影響程度標(biāo)準(zhǔn)見表1。

采用TBM 施工時(shí)，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（Rb）為150MPa 和200MPa，可作為超硬巖強(qiáng)度分類閾值；巖石磨耗性與TBM 刀具磨損程度關(guān)系密切，相關(guān)研究表明，Cerchar 磨耗指數(shù)（CAI）為4.0～5.0 時(shí)對(duì)TBM 掘進(jìn)狀態(tài)有明顯影響，可取CAI=4.0 作為超硬巖對(duì)于磨耗性的分類閾值[7]。超硬巖分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 超硬巖對(duì)不同施工工法影響分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

為研究該輸水隧洞穿越超硬巖對(duì)施工效率的影響，對(duì)超硬巖問題開展了專項(xiàng)勘察，共完成巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)207 組、巖石磨耗性試驗(yàn)355 組。

3 巖石測(cè)試結(jié)果及分析

根據(jù)輸水隧洞沿線可能含超硬巖巖組宏觀定性判定結(jié)果，可能存在超硬巖問題的地層巖組巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度（Rb）和巖石磨耗指數(shù)（CAI）統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。

表3 超硬巖分布地層巖石強(qiáng)度及磨耗性統(tǒng)計(jì)表

在超硬巖巖組定量評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合輸水隧洞具體洞段圍巖完整性，分析超硬巖問題的分布與占比，對(duì)輸水隧洞中超硬巖對(duì)施工效率影響進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)（表3）。

3.1 巖漿巖

內(nèi)口單元（γπ23）中超硬巖占比約43%，該單元超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響嚴(yán)重，部分較嚴(yán)重。輝綠巖脈（βμ）隨機(jī)分布，巖脈洞段隧洞圍巖完整性為完整～較完整的占比約55%，巖脈中超硬巖占比約87%，因而巖脈洞段隧洞圍巖超硬巖占比約50%。巖脈中超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響嚴(yán)重。

3.2 變質(zhì)巖

曬家沖組（Ar3Sgn）地層巖石中超硬巖占比約35%，地層內(nèi)超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響嚴(yán)重，部分較嚴(yán)重。黃涼河組第一段（Pt1h1）地層中超硬巖占比約56%，地層內(nèi)超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響嚴(yán)重，部分較嚴(yán)重。黃涼河組第二段（Pt1h2）地層中超硬巖占比約53%，地層內(nèi)超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM及鉆爆法施工影響較嚴(yán)重，部分嚴(yán)重。黃涼河第三段（Pt1h3）片麻巖段隧洞圍巖完整性為完整～較完整的占比約55%，地層內(nèi)超硬巖以Rb≥200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM及鉆爆法施工影響嚴(yán)重，部分較嚴(yán)重。力耳坪組（Pt1l）地層中超硬巖占比約51%，地層內(nèi)超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響較嚴(yán)重。

3.3 碳酸巖

燈影組第三段（Z2dn3）地層內(nèi)超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響較嚴(yán)重，部分嚴(yán)重。天河板組（∈1t）白云巖地層以薄至中厚層為主，該地層隧洞圍巖超硬巖零星分布，局部可能存在少量超硬巖問題。石龍洞組（∈1sh）、覃家廟第二段（∈2qn2）地層中超硬巖占比約43%～50%，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響較嚴(yán)重，部分嚴(yán)重。經(jīng)地質(zhì)測(cè)繪與勘探分析，三游洞組（∈3sn）白云巖地層隧洞圍巖超硬巖零星分布，局部可能存在少量超硬巖問題。茅口組（P1m）地層內(nèi)超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，隧洞圍巖超硬巖對(duì)TBM 及鉆爆法施工影響較嚴(yán)重。

4 結(jié)論

為研究某引調(diào)水工程輸水隧洞穿越超硬巖對(duì)施工效率的影響，對(duì)超硬巖問題開展了專項(xiàng)勘察及測(cè)試分析，結(jié)果表明：

1.隧洞穿越內(nèi)口單元（γπ23）花崗巖局部洞段圍巖超硬巖占比約25%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對(duì)施工效率影響嚴(yán)重；穿越輝綠巖脈（βμ）洞段圍巖超硬巖占比約50%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對(duì)施工效率影響嚴(yán)重。

2.隧洞穿越曬家沖組（Ar3Sgn）片麻巖洞段圍巖超硬巖占比約20%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對(duì)施工效率影響嚴(yán)重；穿越黃涼河組第一段（Pt1h1）隧洞圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對(duì)施工效率影響嚴(yán)重；穿越黃涼河組第二段（Pt1h2）片麻巖洞段圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對(duì)施工效率影響較嚴(yán)重；穿越黃涼河第三段（Pt1h3）隧洞圍巖超硬巖占比約55%，超硬巖以Rb≥200MPa 居多，對(duì)施工效率影響嚴(yán)重；穿越力耳坪組（Pt1l）隧洞圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對(duì)施工效率影響較嚴(yán)重。

3.隧洞穿越燈影組第三段（Z2dn3）硅質(zhì)白云巖圍巖超硬巖占比約30%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa居多，對(duì)施工效率影響較嚴(yán)重；穿越石龍洞組（∈1sh）、覃家廟第二段（∈2qn2）白云巖隧洞圍巖超硬巖占比約20%，超硬巖150MPa ≤Rb＜200MPa 和Rb≥200MPa 基本相當(dāng)，對(duì)施工效率影響較嚴(yán)重；穿越茅口組（P1m）灰?guī)r隧洞圍巖超硬巖占比約75%～90%，超硬巖以150MPa ≤Rb＜200MPa 居多，對(duì)施工效率影響較嚴(yán)重。