TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究.doc

TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究章元爱，梅志荣，张军伟中铁西南科学研究院有限公司，成都市西月城街118号，610031摘 要：TBM的设计制造关键词：TBM 围岩分级TBM的设计制造及使用效率(工作条件或称工作效率)与隧洞围岩的地质因素密切相关，这是国内外同行的共识TBM施工能否尽可能高地发挥其应有的作用，并达到安全、快速掘进的目标，主要取决于TBM的工作条件，即取决于TBM的工作对象——隧洞工程岩体(隧洞围岩)工程地质条件的好坏，人们对隧洞围岩和TBM开挖特性的认识，以及在此基础上所进行的与地质条件相适应的TBM配套机具的准备是否充分当今流行的隧洞围岩分级(或称分类)方法，大多数是针对隧洞围岩稳定性评价和支护设计而提出的，难以满足TBM施工条件下的隧洞施工需要已是不争的事实TBM施工条件下的隧洞围岩分级主要针对工程岩体的可掘进性，即根据围岩的主要地质因素与TBM工作效率的关系来划分因此，纯粹套用以评估围岩稳定性为主的隧洞围岩分级方法来进行TBM施工条件下的隧洞围岩等级划分显然是不恰当的目前，国内外尚未有一个公认的TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法，开展TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究无论是对隧洞围岩分级方法的进一步拓展，还是对指导以后的TBM隧洞工程施工，均将具有重要的科学技术价值和实用价值。

3.2.1 TBM工作条件（工作效率）与隧洞围岩地质因素间的关系在围岩稳定性等级划分的基础上，影响TBM工作条件的主要地质因素有4个：岩石的单轴抗压强度（Rc）、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度根据这四个地质因素进行TBM施工条件下的隧洞围岩分级，符合TBM施工条件下隧洞围岩分级主要应针对工程岩体可掘进性的原则要求1）岩石的单轴抗压强度（Rc）众所周知，TBM是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于其抗压强度这一特征而设计的一般采用岩石的单轴抗压强度（Rc）来判断TBM工作条件下隧洞围岩开挖的难易程度图3-1是岩石的单轴抗压强度（Rc）与TBM掘进速度间的相关关系图3-1岩石的单轴抗压强度（Rc）与TBM掘进速度间的相关关系显然，Rc越低，TBM的掘进速度越高，则掘进越快；Rc越高，TBM的掘进速度越低，则掘进越慢但是，Rc太低，TBM掘进后围岩的自稳时间极短，甚至不能自稳Rc值在一定范围内时，TBM的掘进既能保持一定的速度，又能使隧洞围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数TBM适用于岩石的单轴抗压强度Rc值为30～150MPa的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。

2）岩石的硬度和耐磨性一般来说，岩石的硬度越高，其耐磨性越好，对TBM刀具的磨损就越大图3-2揭示了TBM刀具磨损与NCB锥体硬度计指数间的关系3）岩体结构面发育程度（完整程度）岩体中结构面(节理、层理、片理、大小断层)的发育程度，即岩体的裂隙化程度或岩体的完整程度是影响TBM工作效率的又一重要地质因素纵观各表征岩体完整程度的指标，较普遍选用的有岩体完整性系数KⅤ、岩体体积节理数JⅤ、节理平均间距dp等图3-2 TBM刀具磨损与NCB锥体硬度计指数间的关系岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小则岩体完整性系数越小，TBM掘进速度就越高但当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧洞工程岩体已不具自稳能力，在此类围岩中进行TBM的施工，其掘进速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低(如图3-3所示)图3-3 岩体完整性系数KⅤ与TBM纯掘进速度的关系（4）其他因素除上述影响TBM工作效率的主要地质因素外，岩体主要结构面或称优势结构面的产状与隧洞轴线间的组合关系、围岩的初始地应力状态、岩体的含水、出水状态等对TBM工作效率也有一定的影响。

岩体主要结构面或称优势结构面的产状与隧洞轴线间的组合关系对TBM工作效率的影响，主要表现为组合关系对围岩稳定性的影响，进而影响TBM的工作效率当围岩处于高地应力状态下，且围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时，极有可能发生岩爆灾害，灾害严重时，将危及TBM和施工人员的安全若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形二者均将给TBM的掘进施工带来极大的困难岩体的含水、出水状态对TBM工作效率的影响视含水量和出水量的大小及含、出水围岩的范围和含、出水围岩是硬质岩还是软质岩而定一般来说，富含水和涌漏水地段的围岩强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度要降低很多，致使围岩的稳定性降低，影响TBM的工作效率此外，大量的隧洞涌漏水，必将恶化TBM的工作环境，降低TBM的工作效率3.2.2 TBM隧洞的围岩分级TBM施工条件下隧洞围岩等级的划分，目前在国内外尚未有较为成熟和统一的方法，多数国家采用在围岩稳定性分级的基础上再按影响TBM工作条件的主要地质参数指标进行详细划分因此，本工程采用围岩稳定性等级与TBM工作条件等级相结合的方法来进行TBM施工条件下的隧洞围岩分级，即在进行隧洞围岩稳定性分级的基础上，将每个围岩等级的TBM工作条件予以划定。

首先，按《工程岩体分级标准》(GB50218-94)，根据工程岩体基本质量BQ(或CQ)值，将岩体划分成五个级别工程岩体基本质量BQ指标由式（3-2-1）计算： （3-2-1）式中：为工程岩体基本质量，为岩石单轴抗压强度(MPa)，为岩体完整性系数当时，以和求；当时，以和求在施工阶段，根据地下水状态（）、初始地应力状态（）、隧洞轴线与主要结构面产状的组合关系（）等影响因素对进行修正，具体修正方法按《工程岩体分级标准》(GB50218-94)正文的附录D进行，具体见式（3-2-2）所示： （3-2-2）第二步，在围岩基本质量级别的基础上，根据岩石的单轴抗压强度、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度这4个影响TBM工作条件(工作效率)的主要地质参数指标，将TBM工作条件下的隧洞围岩由好到坏分为4个级别，如表3-1所示表3-1 TBM工作条件下的隧洞围岩分级围岩分级分级主要参数指标TBM工作条件下的围岩等级岩石单轴抗压强度Rc/Mpa岩体完整性系数KⅤ岩石耐磨性指数Ab/10－1mm－1岩石凿碎比功a/N·m·cm－3Ⅰ80～2000.75～0.85＜5＜700ⅠB＞0.85——ⅠC≥200＞0.75——Ⅱ80～200＜5＜600ⅡA0.55～0.755～6600～700ⅡB≥6≥700ⅡC≥200——Ⅲ＜5＜600ⅢA60～1200.45～0.655～6600～700ⅢB≥6≥700ⅢC≥80≤0.45——Ⅳ30～600.4～0.45——ⅣB16～600.25～0.40——ⅣCⅤ＜15＜0.25——TBM不适宜使用TBM机体庞大，行动不便，施工中受岩石抗压强度、完整强度、节理、裂隙等诸多因素的影响，对地质条件的适应性差。

虽说目前TBM的机种已经多样化，有的还在刀盘上增开一个可供出入的门，增加了处理不良地质的功能，已使TBM的适用场合向各种复杂地质条件的方向发展但是，效果并不理想根据目前国内外TBM施工情况来看，开敞式TBM对不良地质地段的处理能力和效果相对比较好根据《工程岩体分级标准》(国标GB50218-94)，岩石单轴抗压强度可分为极坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩等五级对TBM的掘进而言，极坚硬岩和极软岩是不利的前者的可掘进性差，对机具的磨损严重，纯掘进速度慢；而后者则因掌子面及支垫层强度不足，围岩极易掉块、坍塌，使TBM掘进受阻，掘进速度慢岩石单轴抗压强度Rc在30～200MPa时，有利于TBM的掘进采用《工程岩体分级标准》(国标GB50218-94)，根据岩体的完整性系数Kv或岩体体积节理数Jv值的大小，将隧洞围岩岩体完整程度(或称岩体节理裂隙发育程度或岩体裂隙化程度)分成完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等五级试验研究表明Kv≥0.85，且岩石Rc＞100MPa时，TBM的掘进速度明显降低，特别当岩石Rc＞200MPa时，TBM的掘进速度更慢；当KⅤ值为0.40～0.45或Kv≤0.40时，TBM均难于掘进；Kv=0.40～0.85，且岩石Rc=30～200MPa时，较有利于TBM的掘进施工。

工程实践表明，TBM适宜的岩石单轴抗压强度介于20MPa～200MPa之间，尤其在抗压强度介于50MPa～100MPa之间的均质岩层中掘进速度最快，当岩石平均单轴抗压强度值在300MPa以上时，TBM施工还是一个难点，尽量避免采用TBM法施工在地质条件极其复杂地段，如遭遇地层塌陷、高承压水与涌突水段、松散富水地层、暗河段、含大量孤石、卵石地层、岩溶洞穴地层、地应力极高地段(岩爆强烈、变形大、持续时间长、不易收敛)、强挤压、膨胀性岩层时不宜采用TBM施工，应采用钻爆法对于本工程隧洞来说，整体的地质条件比较适合于TBM法，局部不良地质地段TBM法施工比较困难，施工中实现了两种方法联合采用，综合利用两者的优势，形成优势互补，即提高了隧洞修建速度，也避免了只采用一种方法将造成的浪费TBM隧洞支护参数设计影响隧道工程结构型式选择和支护参数设计的主要因素有：隧洞使用类型、工程地质和水文地质条件、施工方法等埋深大的海底隧洞外水压力也大，全封堵隧洞宜采用圆形衬砌结构型式；TBM掘进机适合圆形衬砌结构型式；钻爆法适合各种衬砌结构型式公路和铁路海底隧洞常采用的衬砌结构型式有：马蹄形、椭圆形和圆形本工程TBM隧洞的支护参数设计采用工程类比确定，并通过理论分析进行验算，设计选定后还根据现场围岩量测信息对支护参数作必要的调整，亦即采用信息化设计方法，也称动态设计。

本工程隧洞施工阶段采用开敞式TBM进行施工，其支护衬砌型式按照上述的现代支护理论，也采用喷锚支护作为永久支护，同时为了减小隧洞过流表面的糙率，Ⅲ～Ⅴ类围岩在喷锚支护基础上进行二次模筑混凝土衬砌1）锚喷支护参数设计锚喷支护即采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网以及钢架等的联合支护喷射混凝土的强度等级为C25，其与围岩的粘结强度不应低于0.8MPa为了增强喷射混凝土的抗渗性、耐久性，在喷射混凝土中掺入无碱速凝剂、高效减水剂及其他外加剂，并掺入4%~8%的微硅粉锚喷支护按工程类比法初拟支护的类型和参数，必要时辅以理论计算根据有关规范及类似的工程实例，确定预支护参数如下：对Ⅱ类围岩采用锚喷支护作为永久支护考虑工程耐久性和安全储备，对Ⅱ类围岩，局部安设锚杆Φ22、L＝2500mm，喷8cm高性能混凝土；对于Ⅲa类围岩，随机布设Φ22锚杆、L＝2500mm，喷12cm混凝土；对于Ⅲb类围岩，顶拱系统布设Φ22锚杆，L＝2500mm，局部挂钢筋网Φ8@200×200，喷12cm混凝土；对于Ⅳ类围岩，布设锚杆Φ22，L＝2500mm，全周挂钢筋网Φ8@150×150，并架设I-160钢拱架，间距1200mm，喷16cm混凝土；对于Ⅴ类围岩，布设锚杆Φ25，L＝3000mm，全周挂钢筋网Φ8@150×150，并架设I-160钢拱架，间距600mm喷16cm混凝土。

2）二次模筑混凝土衬砌对于Ⅲ～Ⅴ类围岩，在初期锚喷支护完成，围岩变形基本稳定以后，再进行二次模筑混凝土衬砌其目的主要有以下几点：a. 考虑围岩的不均匀性、支护材料质量的离散性、锚杆腐蚀等不确定因素；衬砌施工后外荷载的变化。