影响TBM可行性论证的主要地质因素及对策

焦振华

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安710001)

1 概述

TBM隧洞施工技术具有高效、优质、安全、经济、对岩体扰动小、有利于环境保护和降低劳动强度等优点，但由于其设备复杂，一次性投入大，成本较高，对地质因素的应变能力差，加之长引水隧洞地质条件的复杂性和多样性，目前还没有能适应各种地质条件的所谓万能TBM，只能做到大部分或绝大部分地质条件的适应和基本适应。因此在决定采用TBM方法施工之前，一般都要经过反复论证，特别是对于作为重点工程的长引水隧洞，尽管可行性论证包括设备性能、工程造价及地质条件等众多内容，但最为重要的往往是地质条件。因此，探讨影响TBM施工的主要地质因素及对策，对促进TBM施工技术具有重要的意义。

2 影响TBM可行性论证的主要地质因素

初步设计阶段影响TBM可行性论证的是引水隧洞围岩总体地质条件是否适宜采用TBM施工，施工图阶段影响TBM可行性论证的主要是隧洞围岩的稳定性、坚硬程度对TBM掘进效率的影响。

2.1 影响TBM施工的引水隧洞围岩地质条件

初步设计阶段若地质勘察表明，隧洞围岩处于如下地质环境时，不适宜采用TBM掘进或TBM掘进时将碰到很大困难。

(1)山岩压力大的塑性软弱围岩，这类围岩因强度低而围压高易产生大的缩径变形。

(2)类砂性土构成的软弱围岩和具中强等以上膨胀性围岩段，一般也不宜采用TBM掘进，特别不宜采用开敞式TBM掘进。

(3)断层破碎带。主要指那些由碎裂岩与断层泥构成的宽大断层带，此带不但围岩自稳定性差或无自稳能力，而且大多富水，因此也不宜采用TBM掘进。若其位于隧洞中部，宜使用常规法开挖再用TBM通过，或采取其它辅助措施对破碎岩预注浆加固后，才能使用TBM，以避免埋机、陷机和卡机等事故。

(4)涌、漏水严重地段。若围岩为软弱岩层、断层带，严重的柱状涌水、漏水将大大恶化围岩的工程地质条件，一般不宜采用TBM掘进。若采用TBM，将会发生开挖工作面坍落、坍拱等问题，TBM很难推进;若涌漏水段围岩为硬质岩一般对TBM掘进有影响，但不致危及围岩稳定及机具的安全，但当严重柱状涌水、漏水区段较长或反复出现，也将大大增加TBM推进的难度。

(5)强烈岩溶发育带。当隧洞穿过岩溶强烈发育段，隧洞将极可能遭遇巨大的岩溶洞穴，充填溶洞或充水溶洞(如暗河通道等)，TBM掘进或通过都将极为困难，严重时有可能发生掉机、陷机、埋机等事故。

(6)汇水构造地段。如向斜构造核部，地下水丰富时，易发生埋机事故，特别是由岩溶发育的可溶岩和断层破碎带组成的向斜核部往往会出现严重事故。

2.2 影响TBM掘进效率的主要地质因素

TBM效率能否充分发挥，主要决定于掘进岩石的强度、硬度、结构面的发育程度。

(1)岩石的单轴抗压强度是影响TBM开挖难易的关键因素。TBM是利用岩石抗拉强度和抗剪强度明显小于其抗压强度这一特征设计的，一般认为岩石的抗拉强度是抗压强度的1/10～1/20，故一般采用比较容易测得的抗压强度来判断TBM开挖的难易程度，岩石的抗压强度与TBM的掘进速度成反比关系。TBM最适用于抗压强度30 MPa～150 MPa的较坚硬至坚硬岩。

(2)岩石的硬度和耐磨性。岩石的硬度越高，石英含量越多，研磨指数越大，岩石的耐磨性越高，刀具磨损越大，TBM掘进效率越低。

(3)围岩结构面的发育程度及发育方向与隧洞轴线方位关系。岩石的抗压强度、硬度、耐磨性相同或相近的岩体，但岩体结构面发育不同，则TBM掘进速度不同。一般情况下岩体的完整程度较低和结构面间距较小时(结构面密度极大、松散的V类围岩除外)，TBM掘进速度就快，反之，掘进效果就会很差，刀具磨损严重。

岩体的结构面发育密度相同时，对围岩稳定性起关键作用的主要结构面的产状与隧洞轴线方位的组合关系，对TBM掘进速度也有一定的影响。主要结构面与隧洞轴向平行或夹角小于30°，且该组结构面倾角小于30°时，TBM掘进效果差。

(4)岩石的泊松比?和弹性模量E。泊松比μ较大，弹性模量E较小时，对TBM掘进有利。

3 地质勘察的主要对策

地质勘察除应遵循有关规范查明或基本查明隧洞主要工程地质条件与问题外，还应针对影响TBM可行性论证及掘进效率的地质环境及地质因素，进行详细的勘察和试验研究。

3.1 初步设计阶段应查明围岩性状及出露范围

初步设计阶段对下列情况的地质环境段不但要查明围岩性状，而且要确定其出露范围，并分析对TBM的施工影响程度。

①围岩特别坚硬和特别软弱地段;

②围岩软、硬相间且强度变化很大的地段;

③宽大的断层破碎带和节理裂隙密集段;

④开挖后围岩可能发生大变形或塑性流动变形，导致周边岩体挤出段;

⑤明显膨胀岩段;

⑥富水并可能发生大量涌水的地质构造段;

⑦岩溶洞穴(含空洞、充填溶洞)发育地段;

⑧隧洞易泥化、易造成出渣运输作业等困难的地段。

3.2 施工图阶段应重点查明对TBM掘进效率有影响的地质因素

①通过钻探查明围岩岩石类型并详细分段;

②现场采用岩石点荷载试验或室内岩石单轴抗压强度试验，查明岩石单轴抗压强度;

③通过室内磨片鉴定及耐磨性试验查明各类岩石的石英含量及耐磨指数;

④通过现场弹性波测试及地表测绘，探洞、钻孔、节理裂隙统计，查明岩体节理裂隙的发育规律;

⑤施工开挖时，应因地制宜，综合采用地质方法(如地质素描等)，钻探方法(如超前水平导洞，超前水平钻孔等)，物探测试方法(如TST地震CT，地质雷达，电法等)进行超前探测预报，方能减少施工中的盲目性，降低工程投资，减少隧洞施工中的突发性工程与地质灾害。

4 结论

通过地质人员上述认真细致的地质工作，对TBM施工方法的可行性提出初步意见，再由设计人员根据隧洞其他各种条件，就常规钻爆法开挖和掘进机法开挖或钻爆法结合掘进机法开挖进行技术经济比较，选择合适的施工方法，同时提出改善不良地质条件的措施方法等。掘进机型式可根据地质查明的围岩地质条件初步选用:围岩单轴抗压强度大于100 MPa～250 MPa硬岩中使用开敞式掘进机，围岩单轴抗压强度在5 MPa～150 MPa之间的硬岩、软岩混合地层中使用双护盾式掘进机，软土或砂层中使用盾构式掘进机。最后由承包商根据设计文件选择TBM机型。

总之，虽然TBM施工方法可行性及掘进效率主要受地质因素影响，但其可行性及工程完成好坏，不完全取决于地质条件，主要取决于人们对它的认识、把握和解决问题能力的综合水平及工程建设期内风险分析、控制和管理的能力。