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(shè)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(shè)計研究院，山西 太原 030024)

文章結(jié)合隧洞工程地質(zhì)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(yīng)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(shù)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(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動力保護(hù)等優(yōu)點，在國際上，已廣泛應(yīng)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(yīng)性，隧洞圍巖工程地質(zhì)條件的差異對TBM的適宜性影響很大，技術(shù)人員對TBM的適宜性分類及適用條件進(jìn)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(zhì)條件復(fù)雜，設(shè)計比選，個別隧洞擬采用 TBM施工［3］。作者結(jié)合隧洞工程地質(zhì)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(yīng)力等方面對TBM的適應(yīng)性進(jìn)行分析，并提出了針對性技術(shù)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(guī)劃”大水網(wǎng)建設(shè)中一項重要的工程，規(guī)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?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖。樁號54+186.3處發(fā)育逆斷層FB1;樁號104 +618.7處發(fā)育正斷層FB4;樁號116+397.4處發(fā)育逆斷層 FB5，樁號160+475.2處發(fā)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(qū)域)位于洞頂以上0～288m;樁號97+ 384.1～119+842.5段變質(zhì)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(qū)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(shù)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(zhì)巖段，約15.6穿過寒武系、奧陶系灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、頁巖。樁號2+120處發(fā)育逆斷層Fc2，樁號6+212處發(fā)育逆斷層Fc3，樁號9+069處發(fā)育逆斷層Fc4，樁號9+330處發(fā)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(nèi)或洞頂以上變質(zhì)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?guī)r洞段較長，有遇到溶洞的可能，特別是段內(nèi)東干隧洞樁號9+ 400～12+400段處于柳林泉域內(nèi)的枝柯泉域，隧洞穿過巖溶較發(fā)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(yīng)性的影響因素

TBM適宜性的因素很多，結(jié)合項目隧洞的圍巖工程地質(zhì)條件，分析本項目的適宜性因素主要表現(xiàn)在巖性及巖性組合、巖體完整程度、地下水、地應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度低的軟質(zhì)巖中掘進(jìn)時容易產(chǎn)生機(jī)身沉陷、包機(jī)頭等現(xiàn)象，影響隧洞掘進(jìn)，因此隧洞圍巖巖石抗壓強(qiáng)度不宜過低。但TBM掘進(jìn)時并不是巖石抗壓強(qiáng)度越高越好，巖石抗壓強(qiáng)度越高，刀具的磨損一般也越大，掘進(jìn)速度會減慢，在巖石強(qiáng)度非常高時可能出現(xiàn)進(jìn)尺非常緩慢的現(xiàn)象。

2.2 巖體完整程度

巖體完整程度是影響圍巖穩(wěn)定的又一重要因素。當(dāng)巖體完整，無連續(xù)的軟弱結(jié)構(gòu)面時，圍巖的穩(wěn)定性主要由巖性控制，此時的掘進(jìn)貫入度較低。當(dāng)巖體中節(jié)理裂隙增加，完整程度降低，破碎程度增加時，圍巖的掘進(jìn)性就由巖性逐步過渡到由巖性與結(jié)構(gòu)面共同控制，直至完全由結(jié)構(gòu)面(包括節(jié)理裂隙、層理面等)控制，此時掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)貫入度增加，但掘進(jìn)機(jī)發(fā)生事故的可能性也隨之增加，對支護(hù)襯砌要求也相應(yīng)提高。有關(guān)資料表明，當(dāng)Kv值介于0.38～0.75時，即巖體處于較完整、較破碎狀態(tài)時，掘進(jìn)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(jìn)產(chǎn)生直接影響，且會降低巖石的強(qiáng)度，影響圍巖穩(wěn)定性。尤其對于軟質(zhì)巖或構(gòu)造帶，強(qiáng)度降低非常顯著，甚至可能產(chǎn)生泥化。

2.4 地應(yīng)力及巖爆

TBM刀具滾壓破巖是沖擊擠壓和切削破壞的復(fù)合運(yùn)動，地應(yīng)力對擠壓破巖不利，提高了巖石的抗擠壓強(qiáng)度;地應(yīng)力作用下，掌子面巖石產(chǎn)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(yīng)力下易產(chǎn)生巖爆，高地應(yīng)力巖爆對TBM適應(yīng)性也會產(chǎn)生影響［5］。

3 TBM適應(yīng)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(zhì)條件對TBM的適應(yīng)性。

3.1 總干3號隧洞

整個3號隧洞圍巖為中硬巖～硬質(zhì)巖的灰?guī)r、白云巖、變質(zhì)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?guī)r、頁巖段，圍巖極不穩(wěn)定，不能自穩(wěn)，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(wěn)定，不能自穩(wěn)，長度約0.4km，占該段長度1.0%。

段內(nèi)部分地段可能發(fā)生中等巖爆［6］，巖爆強(qiáng)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?guī)r、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(zhì)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?guī)r、白云巖、萬年飽組變質(zhì)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?guī)r、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(nèi)部分地段可能發(fā)生中等巖爆，巖爆強(qiáng)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(zhì)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(jié)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(yīng)性分析，隧洞地下水位以下的泥灰?guī)r、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(zhì)巖及埋深小于400m且位于地下水位以上的軟巖、較軟巖)均達(dá)到80%以上，因此采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)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(jìn)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(jìn)過程作用力不均導(dǎo)致管片滾動等現(xiàn)象，該工程兩個隧洞均采用了雙護(hù)盾TBM施工，且為了更好地適應(yīng)局部軟巖、較軟巖隧洞地段掘進(jìn)，采取了將機(jī)身設(shè)計成錐形、最大限度的縮短機(jī)身以及刀頭增設(shè)了擴(kuò)挖設(shè)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(zhì)情況，在TBM上裝備了超前鉆探及超前預(yù)注漿設(shè)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(yù)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(shè)備，但長距離深埋隧洞地質(zhì)情況比較復(fù)雜多變，還應(yīng)該加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報工作，以便為了解掌子面前方地質(zhì)情況，及早采取相應(yīng)的工程措施，確保TBM施工順利進(jìn)行。

［1］錢七虎，李朝甫.全斷面掘進(jìn)機(jī)在中國地下工程中的應(yīng)用及前景展望［J］.建筑機(jī)械，2002(05):28-37.

［2］侯浩，張之鈺.護(hù)盾式全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)隧洞施工的圍巖適宜性分類［J］.資源環(huán)境與工程，2010(05):527-530.

［3］鄧娟玲.山西省中部引黃工程深埋長隧洞施工方案的比選［J］.山西水利科技，2012(01):33-34.

［4］吉廣利，鄭志江.地應(yīng)力對TBM破巖的影響研究［J］.葛洲壩集團(tuán)科技，2015(01):27-29.

［5］羅汝州.高地應(yīng)力巖爆對TBM施工的影響及對策［J］.鐵道建筑技術(shù)，2009(09):103-105.

［6］趙宇.山西省中部引黃輸水工程巖爆問題評價［J］.山西水利科技，2014(01):53-55.

［7］楊紅喜.山西中部引黃工程東干線巖爆預(yù)測［J］.山西水利，2013(12):34-35.

［8］任國青.雙護(hù)盾TBM不良地質(zhì)施工問題及對策［J］.隧道建設(shè)，2007(03):108-111.

［9］卜武華，田娟娟.軟巖洞段單護(hù)盾隧洞掘進(jìn)機(jī)(TBM)主要施工問題及對策［J］.山西水利科技，2011(03):41-43.

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1672-2469(2016)08-0104-02

2016-01-05

張許平(1969年—)，男，高級工程師。