关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究

敬 佳

长江三峡勘测研究院有限公司

关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究

敬 佳

长江三峡勘测研究院有限公司

近几年来，在我国隧道施工建设领域，掘进机的使用越来越广泛。掘进机以其快速、优质、安全的施工特点受到建设单位和施工单位的青睐，但同时对围岩分类近一个世纪的研究过程中，诸多分类方法主要是为钻爆法施工条件下隧洞围岩稳定性等级的划分而提出的，难以满足目前TBM施工隧洞的需要。单纯套用以往以评价围岩稳定性为主的隧洞围岩分类方法对TBM施工隧洞的围岩进行分类不尽合理。通过预测模型和实例应用两方面分析、证明了该模型应用的可靠性，为同类工程掘进速度的合理预测和施工进度有效控制提供了理论依据。

TBM施工；围岩分类；深埋隧洞

许多煤矿巷道工程，为长距离、大直径引水巷洞，且深覆盖、地质条件复杂，传统的综掘机开采已然满足不了时代需求。TBM施工方法其无与伦比的速度优势，迅速成为巷道施工的首选。由于目前国内TBM巷道施工，缺乏科学、系统的管理经验作为指导，故应用TBM施工也必然不是一帆风顺的。

1 某深埋引水隧洞简介

工程区控制性工程为四条长引水隧洞，两条采用TBM全断面掘进机施工，断面为圆形，洞径13m。工程区最大埋深为2525m，多数洞段埋深大于1000m。隧洞穿越的地层主要是中三叠统盐塘组第四段(T2y4)、第五段(T2y5)、第六段(T2y6)和白山组(T2b)地层，岩性主要为大理岩、泥质条带灰岩等。该深埋隧洞围岩基本特征：(1)穿越的地层多属硬质岩，岩石饱和抗压强度50～120MPa。(2)岩体结构以层状结构、块状结构为主，同时存在整体、镶嵌碎裂结构和碎裂结构等。(3)随着埋深增加，最大主应力增大，但最大主应力与埋深不呈线性关系，其实测值为60MPa。(4)已开挖洞段的高地应力破坏类型主要有岩爆、应力型坍塌和构造应力型坍塌。

2 TBM双护盾掘进机施工隧洞围岩综合分类方法

2.1 围岩与护盾(管片)之间的间隙分析研究

管片在护盾内安装完成后，护盾前移，此时能观测到围岩与护盾之间的间隙，然后再由管片安装孔观测围岩与衬砌管片之间的间隙，利用间隙变化主要掌握围岩变形量及与时间效应关系，为了不影响施工，一般观测时间为一个掘进行程时间(或停机检修时观测)，通过统计，此工程泥岩、炭质泥岩变形量：顶拱范围一般为10.3～16.2cm，最大变形量大于26.5cm，侧拱一般为9.7～12.3cm，最大变形量大于17.0cm，其时间效应关系0.647～0.657cm/min；粉质泥岩变形量：顶拱范围一般为9.7～15.6cm，最大变形量大于26.5cm，侧拱一般为9.5～11.8cm，最大变形量大于17.0cm，其时间效应关系0.633～1.04cm/min；含绿泥石粉细砂岩在天然含水率状态下与粉质泥岩基本相同。也可用豆砾石正常理论充填量与实际充填量比值来反映围岩与管片之间的间隙，通过统计对比分析，其变形量与豆砾石实际充填量的关系为：变形量为小值时，豆砾石充填量一般为正常充填量的30～45%；变形量为大值时，豆砾石充填量一般为正常充填量的8～30%；变形量最大值豆砾石无充填。

2.2 TBM 施工围岩分类体系

综上所述，以《水利水电工程地质勘察规范》中的围岩分类方法(HC分类)为基础，根据工程区TBM施工的特点及特有的高地应力，去掉了结构面形态，增添了岩体结构评分因素，并提出高地应力折减系数k按照破坏坑深对围岩进行降级，形成了以岩石饱和单轴抗压强度、岩体完整性系数和岩体结构为基本因素、高地应力、高外水压力为修正因素的围岩评分体系。“结构面形态”这一地质因素在HC分类中对围岩的分值是“负分”，在去掉这一因素、增添“岩体结构”的综合调整下，围岩总评分值为90分。运用层次分析法对体系中的因子进行权重分配，结果如下：饱和单轴抗压强度Rb、岩体完整性系数Kv、岩体结构分值分别为30、40、20。

TBM 施工围岩评分体系的计算公式为：

TTBM=T-100k

式中:

T— —围岩的总评分；

k— —地应力折减系数。

T 根据下式求得： T=T' +T″

围岩基本评分 T' =A+B+C。A、B、C 分别为岩石强度的评分、 岩体完整程度的评分、 岩体结构的评分。T″为修正分，T″=D，D 为地下水状态的评分。

2.3 弃渣的块径、渣块形状、百分量

完整性好的岩体，弃渣基本上都是掘进机刀具破碎的片状或大小均匀的碎块，渣块形状规则，偶见20cm以上的不规则岩块，岩粉占10%以上；完整性差的岩体，20cm以上的不规则岩块占20～25%左右，且渣块形状以三角体、菱形体具多，弃渣中渣块有大小悬殊零乱的直观感觉，岩粉小于5%；破碎岩体，一般为断裂构造破碎带、影响带及具有散体结构的围岩体，30～40cm以上的不规则岩块占35～50%以上，渣块形状多样，弃渣中渣块大小悬殊很直观，基本没有岩粉，渣中很容易找到构造岩。

综上所述，对高地应力和岩体结构修正后的新建围岩体系在目前施工的洞段，适用性较好。围岩评分体系有如下重要特征：(1)充分考虑了高地应力在本工程区的影响，按照三种高地应力破坏的坑深进行围岩的降级，使评分体系简易适用。(2)结合实际，从现场地质资料的获取性出发，引入岩体结构这一因素代替TBM开挖不易收集的结构面因素，提高了评分体系的准确性。根据所提出的围岩综合分类方法，对达坂引水隧洞围岩类别进行修正，根据不同类别的围岩采取相应的临时及永久支护措施，为设计及施工提供地质依据，具有重要的工程应用价值。

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