关于隧洞TBM施工地质条件适宜性的探讨

袁宏利 程向民

1 概 述

随着隧洞工程向“深、长”方向的发展，TBM 施工技术应用越来越广泛。而随着地下工程尤其是深埋长隧洞工程勘测、设计和施工技术的发展以及水平的提高，工程界对于隧洞“深”、“长”等的概念也在发生着变化。在GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》中，长隧洞（long tunnel）是指钻爆法施工长度大于3 km、TBM 法施工长度大于10 km 的隧洞，深埋隧洞（tunnel at great depth）是指埋深大于600 m 的隧洞［1］。在编制SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》过程中，除沿用上述“深、长”隧洞的定义外，还沿用和增加了浅埋隧洞（tunnel at shallow depth）这一术语和定义，即指上覆有效岩体厚度小于3 倍洞径的隧洞［2］。因此，则介于上述“深、浅、长、短”范围之间的隧洞，可以理解为是一般长度和埋深的隧洞。

对于钻爆法（DB）施工，传统的围岩分类系统主要考虑了与围岩稳定性评价及支护相关的岩体基本地质条件，而不用考虑钻爆法本身的施工工艺及其难易程度。但对于TBM 法施工技术这种将掘进和支护技术集成在一起的系统而言，目前则是既要考虑掘进机选型及其工艺问题，又要考虑与掘进相应的岩体地质条件及其支护方案等问题，由于影响因素较复杂，涉及多种学科，因此，难以形成一个综合和广泛适用的分类系统。但无论掘进技术如何发展，最终仍是基于对岩体工程地质条件的认识和评价、对其进行适应或改造、并得到合理解决方案的过程。因此，对于地质条件的认识水平，仍是解决问题最根本和最关键的因素［2］。

TBM 的施工功效可用掘进速度（Penetration Rate，PR）和施工速度（Advance Rate，AR）两个指标表达，是判断工程采用TBM 施工是否成功的一项关键指标。掘进速度定义为在一个连续的钻进阶段，钻进距离除以钻进时间；施工速度是实际开挖和支护长度除以总的时间，包括TBM 维护、机械破碎和隧洞失稳支护的时间。从TBM 施工的组成来看，影响AR 的因素可以分成3 大方面，第1 是地质体本身，第2 是施工机械，第3 是施工过程中人的因素。基于普通钻爆法施工的围岩分类，考虑的因素主要包括岩石材料的强度及其岩体完整性等情况，相对于影响AR 的因素来讲少得多，因此，一般认为DB 施工围岩分类不宜直接用于AR 或者PR 的预 测［3］。

2 影响TBM施工条件的地质因素

基于目前国内外的研究和实践，TBM 施工的适宜性主要考虑两方面地质因素，一是岩体所处的地质环境是否适宜于采用TBM 进行施工，二是岩体性状对TBM 掘进效率的影响。

岩体所处的地质环境主要是指地应力环境、地下水环境以及其它导致不良地质现象发生的内外营力地质作用等，是影响TBM 施工效率的主要因素。岩体性状指标主要包括岩体的完整性、岩石的强度、硬度、耐磨性等，是影响TBM 掘进效率的主要因素。岩体性状对TBM施工适宜性的影响，主要反映在掘进功效方面；而岩体所处地质环境条件对TBM 施工适宜性的影响，则反映在施工进度、效益甚至可行性等方面。一般情况下，隧洞围岩质量及其稳定性等条件越好，越有利于TBM 施工，亦即围岩工程地质类别与TBM 施工适宜性之间是密切相关的。因此，TBM 施工的适宜性，应以围岩基本质量分类为基础，以岩体完整性、岩石强度、围岩应力环境和不良地质条件等为影响因素，结合TBM 系统集成及施工应用特点综合判定［2］。

而对于TBM施工掘进岩体性状的分析判断，通过研究国内外大量施工隧洞工程实例，目前有如下认识［3，5-7］。

2.1 岩石单轴饱和抗压强度（Rc）

TBM 是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于抗压强度这一特征而设计的，抗压强度的高低是影响TBM掘进效率的关键因素之一。一定范围内，随着岩石单轴饱和抗压强度（Rc）的增大，TBM 掘进速度、效率有不断降低的趋势。Rc太小，围岩稳定性差，影响掘进速度；Rc太大，TMB 掘进困难，效率低下。因此，TBM 比较适宜于在30 MPa≤Rc≤150 MPa 的中等坚硬—坚硬的地层中掘 进，而Rc＞150 MPa 和Rc＜30 MPa 的 地 层，均 不 利 于TBM 的快速掘进（见表1）。

表1 Rc与TMB施工工作条件对应关系

2.2 岩石的耐磨性

国内外大量TBM 施工隧洞的工程实践表明，刀具的磨损情况对TBM 掘进效率以及工程经济性影响很大。仅根据岩石抗压强度来判断和预测刀具的磨损情况是不够的，岩石的耐磨性也是衡量刀具磨损情况的主要指标之一。一般情况下，岩石的耐磨性越高，对TBM 刀具、刀圈和轴承的磨损程度也越严重，刀具消耗和施工成本就越高，并造成停机换刀次数增加，影响TMB 正常掘进，相应的TBM 掘进效率也就越低。采用与岩石单轴抗压强度相关性较好的专用钢针（CAI），以其针头磨损值Ab的大小来表征岩石的耐磨性，并根据Ab的大小将岩石的耐磨性级别分为5 级（见表2）。

表2 Ab与TMB施工工作条件对应关系

2.3 岩体的完整性

岩体中结构面（节理、层理、片麻理、断层）的发育程度（即岩体完整性）是影响TBM 掘进效率的又一重要地质因素。一般情况下，当岩体非常完整时，不利于TMB 掘进，TBM 掘进效率较低；当岩体完整性较低时，TMB 掘进效率较高；但当结构面特别发育，岩体完整性很差，呈碎裂状或散体状，整体强度很低，作为工程围岩已不具有自稳性时，TMB掘进效率也会很低。因此，岩体结构面特别发育或不发育时往往都不利于TBM 掘进（见表3）。

表3 Kv与TMB施工工作条件对应关系

2.4 其它因素

除了以上影响TBM 掘进效率的主要地质因素外，岩体主要结构面与隧洞轴线的组合关系、围岩的初始地应力状态以及地下水情况等对TBM 掘进也有一定的影响。当岩体主要结构面与隧洞轴线夹角较大时，有利于掘进速度的提高；与洞轴线平行或较小时，则围岩容易坍塌或掉块，不利于TBM 掘进。当围岩处于高地应力状态时，可能会发生岩爆或大的挤压变形，造成TBM 掘进困难。富水和涌水地段，围岩强度和稳定性会有不同程度的降低，同时可能恶化TMB 施工条件和工作环境，降低TMB 掘进效率。

TBM 功效与岩体质量之间的关系，已有许多可以类比借鉴的研究资料。图1 是意大利3 个隧道的733 个数据总结的RMR 和PR 的关系，掘进速度PR 和RMR 在统计上表现出很强的关联性，大致表现为一个上凸的曲线。最好的功效出现在中等岩体上（RMR 为40～70），而很差的岩体（RMR 小于30～40）或者太好的岩体（RMR 大于70～80）掘进速度则较低。

综上所述，对影响TBM 施工适宜性的岩体地质环境条件进行分析，如图2 所示。

图1 意大利3个隧道TBM掘进速度（PR）与岩体质量（RMR）之间的关系

图2 影响TBM施工适宜性的岩体地质环境条件分析

3 《引调水线路工程地质勘察规范》对TBM施工地质条件适宜性的考虑

在SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》编制过程中，我们结合最近若干年来隧洞TBM施工技术的研究成果，对TBM 施工地质条件的适宜性进行研究，编制了“附录C”的内容。

TBM 施工的适宜性，应以工程地质勘察成果及围岩基本质量分类为基础，考虑岩体完整性、岩石强度、围岩应力环境和不良地质条件等因素，结合TBM 系统集成及施工应用特点综合判定。如下列地质条件目前可判定为不适宜采用TBM 施工：（1）以Ⅴ类围岩为主的隧洞；（2）地应力高、岩爆强烈或塑性变形大的围岩；（3）水文地质条件异常复杂，对施工进度影响很大。

以GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》围岩工程地质分类为基础，考虑岩体完整性（Kv）、岩石饱和单轴抗压强度（Rc）和围岩强度应力比（S）等因素，结合水利水电工程隧洞TBM 施工经验，并参考有关技术标准，对隧洞TBM 施工的适宜性分级做出规定，将TBM施工的适宜性分为A——适宜、B——基本适宜、C——适宜性差等3 个级别，见表4［2］。

表4 隧洞TBM施工适宜性分级

4 TBM施工地质

TBM 施工适宜性及其围岩地质分类方案，要把握关键影响因素，突出地质条件和掘进条件之间的相关性，重视前期地质信息的利用和施工过程信息的反馈，并有利于现场快速运用和分析。分类因素应主要考虑：（1）地质信息，包括前期勘察地面调查、钻孔勘探、试验、测试、岩体地质环境及岩体特性综合分析、地质条件分段分析评价、围岩条件传统分类分析等信息；（2）TBM掘进信息，包括机械参数、掘进班报、地质观察描述等信息。在前期勘察成果和TBM 选型研究等工作基础上，由于掘进机机械参数与岩体特性等地质信息之间已存在一定的相关性，因此，机械参数可不作为TBM 施工围岩地质分类的主要因素，而只将掘进过程中的掘进速度（不是施工速度）等信息综合考虑为一项影响因素；（3）将TBM 掘进速度与地质观察描述信息相关联，并与前期地质勘察信息、超前探测信息、应急处理设计等对比、分析，进行修正。TBM 施工过程中，应及时对隧洞围岩地质状况及掘进过程进行观察描述，以复核、修正前期勘察成果，并指导施工过程。