山西中线引黄工程隧洞采用TBM施工适宜性分析及对策

张许平

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)

山西中线引黄工程隧洞采用TBM施工适宜性分析及对策

张许平

(山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024)

文章结合隧洞工程地质条件，从隧洞围岩岩性及岩性组合、岩体完整程度、地下水、地应力等主要因素方面分析了TBM的适宜性，并为此提出了几点针对性地的技术措施，以期为类似工程提供参考。

隧洞;TBM;适宜性;对策

DO I:10.3969/j.issn.1672-2469.2016.08.033

TBM(Tunnel Boring Machine)施工具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点，在国际上，已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程［1］。但 TBM在实践中存在适应性，隧洞围岩工程地质条件的差异对TBM的适宜性影响很大，技术人员对TBM的适宜性分类及适用条件进行了探索［2］。山西省中线引黄工程引水隧洞距离长、埋深大、地质条件复杂，设计比选，个别隧洞拟采用 TBM施工［3］。作者结合隧洞工程地质条件，从隧洞围岩的岩性及岩性组合、岩体完整程度、地下水、地应力等方面对TBM的适应性进行分析，并提出了针对性技术措施，以期为类似工程提供参考。

1 工程概况

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中一项重要的工程，规划供水6.02亿m3，包括取水工程和输水工程。输水工程主要由隧洞组成，包括总干线、东干线、西干线以及各供水支线输水。输水线路总长384.5km，总干线及支线隧洞总长度占99.3%，其中总干3号隧洞(桩号77+ 040.9～118+395.8，以下简称3号隧洞)及东干隧洞(桩号8+700～28+763.4，以下简称东干隧洞)拟采用TBM施工。

1.1 3号隧洞

3号隧洞地面高程1247～1605m，隧洞埋深小于300m洞段长43.6km，埋深300～610m洞段长75.6km。隧洞约有2.1km过土洞段，21.7km过黑茶山群、界河口群斜长角闪岩及石英岩段，其余均穿过寒武系、奥陶系灰岩、白云岩、泥灰岩、页岩。桩号54+186.3处发育逆断层FB1;桩号104 +618.7处发育正断层FB4;桩号116+397.4处发育逆断层 FB5，桩号160+475.2处发育一逆断层FB14。

桩号67+199.6～70+168.6、93+614.2～97+ 384.1、119+842.5～124+614.2段碳酸盐岩裂隙岩溶水(区域)位于洞顶以上0～288m;桩号97+ 384.1～119+842.5段变质岩类裂隙水位于洞顶以上0～160m;桩号162+547.3～164+601.9段松散岩类孔隙水位于洞顶以上。其余洞段碳酸盐岩裂隙岩溶水(区域)水位均位于洞底以下，可能存在层间水。桩号125+214.2～127+814.2存在碳酸盐岩裂隙岩溶水(层间水或滞水)，位于洞顶以上110m。

整个隧洞段Ⅲ类围岩长约73.2km、Ⅳ类围岩长约13.3km、Ⅴ类围岩长约32.8km。

1.2 东干隧洞

东干隧洞地面高程1225～1640m，洞底埋深284～693m，多数地段隧洞埋深大于400m。隧洞约13.2km过吕梁山群及长城系变质岩段，约15.6穿过寒武系、奥陶系灰岩、白云岩、泥灰岩、页岩。桩号2+120处发育逆断层Fc2，桩号6+212处发育逆断层Fc3，桩号9+069处发育逆断层Fc4，桩号9+330处发育逆断层Fc5。

东干隧洞桩号8+700～24+150地段处于柳林泉与郭庄泉的分水岭地带，地下水位位于洞顶以上0～310m。其中桩号8+700～2+940、桩号9+ 000～24+150地段，隧洞位于碳酸盐岩内或洞顶以上变质岩不厚(小于100m)，岩溶地下水水位高于洞顶约0～310m。该段隧洞灰岩洞段较长，有遇到溶洞的可能，特别是段内东干隧洞桩号9+ 400～12+400段处于柳林泉域内的枝柯泉域，隧洞穿过岩溶较发育的中奥陶系地层。

整个隧洞段Ⅱ类围岩长约6.6km、Ⅲ类围岩长约18.1km、Ⅳ类围岩长约0.8km、Ⅴ类围岩长约3.2km。

2 TBM适应性的影响因素

TBM适宜性的因素很多，结合项目隧洞的围岩工程地质条件，分析本项目的适宜性因素主要表现在岩性及岩性组合、岩体完整程度、地下水、地应力等几个方面。

2.1 岩性及岩性组合

不同的隧洞围岩岩性及岩性组合形成不同的围岩整体抗压强度的高低，资料显示TBM最适宜的施工范围在30～120MPa之间。TBM在抗压强度低的软质岩中掘进时容易产生机身沉陷、包机头等现象，影响隧洞掘进，因此隧洞围岩岩石抗压强度不宜过低。但TBM掘进时并不是岩石抗压强度越高越好，岩石抗压强度越高，刀具的磨损一般也越大，掘进速度会减慢，在岩石强度非常高时可能出现进尺非常缓慢的现象。

2.2 岩体完整程度

岩体完整程度是影响围岩稳定的又一重要因素。当岩体完整，无连续的软弱结构面时，围岩的稳定性主要由岩性控制，此时的掘进贯入度较低。当岩体中节理裂隙增加，完整程度降低，破碎程度增加时，围岩的掘进性就由岩性逐步过渡到由岩性与结构面共同控制，直至完全由结构面(包括节理裂隙、层理面等)控制，此时掘进机的掘进贯入度增加，但掘进机发生事故的可能性也随之增加，对支护衬砌要求也相应提高。有关资料表明，当Kv值介于0.38～0.75时，即岩体处于较完整、较破碎状态时，掘进速度较快。

2.3 地下水

隧洞围岩中的地下水可能引起突水(泥)、涌水(砂)，对TBM掘进产生直接影响，且会降低岩石的强度，影响围岩稳定性。尤其对于软质岩或构造带，强度降低非常显著，甚至可能产生泥化。

2.4 地应力及岩爆

TBM刀具滚压破岩是冲击挤压和切削破坏的复合运动，地应力对挤压破岩不利，提高了岩石的抗挤压强度;地应力作用下，掌子面岩石产生较大的变形能，对切削破岩有利［4］。然而深埋隧洞在高地应力下易产生岩爆，高地应力岩爆对TBM适应性也会产生影响［5］。

3 TBM适应性分析

拟采用TBM施工的洞段为总干3号隧洞(桩号77+040.9～118+395.8)，东干隧洞(桩号8+ 700～28+763.4)，以下具体分析其工程地质条件对TBM的适应性。

3.1 总干3号隧洞

整个3号隧洞围岩为中硬岩～硬质岩的灰岩、白云岩、变质岩段，岩体较完整或较破碎，长度约34.3km，占该段长度83.0%;围岩为软～较软岩的泥灰岩、页岩段，围岩极不稳定，不能自稳，长度约6.6km，占该段长度16.0%。其中地下水位以下洞段软 ～较软岩长度约0.5km，约占该段长度1.1%。在地下水位以上，但埋深大于400m的软～较软岩长度约3.5km，约占该段长度8.5%。

FB4及FB5断层破碎带及影响带，岩体较破碎，围岩极不稳定，不能自稳，长度约0.4km，占该段长度1.0%。

段内部分地段可能发生中等岩爆［6］，岩爆强度不大，采取一定措施后也可考虑采用TBM施工。

总体看，3号隧洞地下水位以下的泥灰岩、断层破碎带、大溶洞、高压水头等对TBM施工不利，适宜或基本适宜TBM施工的洞段(包括硬质岩及埋深小于400m且位于地下水位以上的软岩、较软岩)约占89.4%，可以考虑采用TBM施工。

3.2 东干隧洞

整个东干隧洞中围岩为中硬岩～坚硬岩的灰岩、白云岩、万年饱组变质岩洞段长度17.1km，占该段总长度的85.1%。围岩为软 ～较软岩的泥灰岩、页岩、同岔沟组片岩洞段长度约2.6km，且均处于埋深300m以下，占该段总长度的13.1%。其中地下水位以下洞段长约2.1km，约占该段总长度的10.6%。 fc4、fc5逆断层带处岩体破碎，断层破碎带及影响带长度0.4km，占该段总长度的1.8%。

整个隧洞段内部分地段可能发生中等岩爆，岩爆强度不大，采取一定措施后也可考虑采用TBM施工［7］。

总体看，东干隧洞段软质岩埋深较大且多处于地下水位以下，存在断层破碎带、大溶洞、高压水头等对TBM施工不利的因素，适宜或基本适宜TBM施工的洞段约占80%左右，采用TBM施工可能会遇到一定困难，需慎重对待。

4 结论及对策

针对上述3号隧洞和东干隧洞围岩TBM施工的适应性分析，隧洞地下水位以下的泥灰岩、断层破碎带、大溶洞、高压水头等洞段对TBM施工不利，但适宜或基本适宜TBM施工的洞段(包括硬质岩及埋深小于400m且位于地下水位以上的软岩、较软岩)均达到80%以上，因此采取适当的技术措施后利用TBM施工是可行的［8，9］。(1)隧洞围岩虽以中硬岩～坚硬岩为主，软岩、较软岩为辅，为了防止围岩软硬不均造成TBM掘进姿势难以控制，管片与尾盾贴死而造成管片挤压破损，以及掘进过程作用力不均导致管片滚动等现象，该工程两个隧洞均采用了双护盾TBM施工，且为了更好地适应局部软岩、较软岩隧洞地段掘进，采取了将机身设计成锥形、最大限度的缩短机身以及刀头增设了扩挖设备等措施。(2)针对TBM施工过程可能遇到断层破碎带、大溶洞、高压水头、涌水及突泥(砂)等不利地质情况，在TBM上装备了超前钻探及超前预注浆设备，以便在穿越断层破碎带、有水溶洞或可能突泥破碎洞段时，采取超前预注浆加固围岩、超前钻孔排水及钻孔注浆堵水等工程措施。(3)虽然在TBM上装备了必要的设备，但长距离深埋隧洞地质情况比较复杂多变，还应该加强超前地质预报工作，以便为了解掌子面前方地质情况，及早采取相应的工程措施，确保TBM施工顺利进行。

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［3］邓娟玲.山西省中部引黄工程深埋长隧洞施工方案的比选［J］.山西水利科技，2012(01):33-34.

［4］吉广利，郑志江.地应力对TBM破岩的影响研究［J］.葛洲坝集团科技，2015(01):27-29.

［5］罗汝州.高地应力岩爆对TBM施工的影响及对策［J］.铁道建筑技术，2009(09):103-105.

［6］赵宇.山西省中部引黄输水工程岩爆问题评价［J］.山西水利科技，2014(01):53-55.

［7］杨红喜.山西中部引黄工程东干线岩爆预测［J］.山西水利，2013(12):34-35.

［8］任国青.双护盾TBM不良地质施工问题及对策［J］.隧道建设，2007(03):108-111.

［9］卜武华，田娟娟.软岩洞段单护盾隧洞掘进机(TBM)主要施工问题及对策［J］.山西水利科技，2011(03):41-43.

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1672-2469(2016)08-0104-02

2016-01-05

张许平(1969年—)，男，高级工程师。