双护盾TBM掘进过程中隧道围岩强度及变形测试研究

刘远程，邓荣贵，傅支黔，刘润杭，王拓

(1.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；2.中国电建集团 成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

随着我国修建长大隧道数量的不断增加，鉴于经济及技术综合对比，TBM施工法被更多地采用，特别是双护盾TBM掘进机，因其适用完整和软弱地层，应用更为广泛。但由于双护盾TBM掘进机的内部在掘进过程中几乎与周围岩体处于隔离状态，因而无法从掘进机内部对围岩进行直接观察以及试验检测。因此，对于即时评估掌子面纵深方向一定区域内的围岩特性形成较大的障碍，而围岩特性的劣化是造成TBM卡机的重要因素，对掌子面附近的围岩进行综合评价显得尤为重要以及迫切。现有的围岩评价方法[1−4]主要通过TBM尾渣特征、掘进停止时回弹测试以及滚刀磨蚀情况建立与围岩稳定性的相关关系进行间接评价。孙金山等[5−7]建立RMR与TBM掘进围岩的参数关系，间接评价围岩稳定性。杨继华等[8]提出基于模糊综合评价理论，对采用TBM施工中的掘进参数、岩石回弹值等6个要素进行综合评定的方法。SHARMA等[9−11]研究了岩块回弹数值与其他可较易获取的参量之间建立对应联系，如回弹换算强度-单轴抗压强度的关系，从而可以较为容易获取岩体强度等参数值。叶青等[12]对平硐的均匀布点进行回弹测试，并提出岩体回弹离散系数DCRR，发现DCRR与岩体分析具有明显的关联性。吴秋军[13]提出采用回弹测试与数码成像技术对掌子面围岩进行综合评价的方法。赵帮轩等[14−16]分别研究了现场围岩分级中采用改进型回弹仪对现场围岩进行直接测试，并建立回弹测试强度与单轴饱和抗压强度的函数关系，可快速得获得围岩强度参数。研究者们对TBM掌子面围岩特性的即时评价研究取得了较多的成果，主要还是针对掘进过程中的尾渣特性及TBM参数的变化进行综合评定，属于间接评定围岩的特性；亦或是需要TBM作业停机，才可以直接对掌子面进行回弹测试以及直接观测，严重干扰TBM施工作业，影响工期。而采用回弹测试围岩的方法主要是针对矿山法施工隧道。目前针对双护盾TBM掘进的隧道围岩强度和变形特征进行直接测试研究的成果相对较少。本文主要针对TBM掘进过程中，在不需要停机的情况下，对围岩的强度和变形进行直接的测试。采用改进的回弹仪以及测尺，通过衬砌管片的注浆孔对围岩进行强度及变形特征的观测和测试，以此综合评价围岩的物理力学特性和围岩稳定性态。

1 TBM掘进隧道工程概况

1.1 隧道工程和TBM掘进卡机事故概况

该隧道位于西南高原山区，如图1，属于某“通村”多用途公路的节点工程，里程为K8+698～K13+482，隧道全长4 784 m，最大埋深830 m，隧道进口高程3 547.02 m，采取0.4%纵坡上坡至出口高程3 566.18 m。衬砌隧道内径8.1 m，开挖洞径9.13 m，双车道。采用全断面开挖，双护盾TBM进行单向掘进施工。

图1 隧道所在区域卫星图Fig.1 Plan of the tunnel location

隧道掘进至K10+076～K10+253洞段，遇到第1次卡机洞段，隧道先后出现4次卡机事件。其中，掘进至K10+146附近发生尾盾卡机，至K10+209附近出现前盾卡机，至K10+242附近出现尾盾卡机，至K10+253附近出现前盾及后盾几乎整体卡机。根据观察到的各种现象分析表明，卡机段地应力较高，围岩因区域构造强烈，挤压岩石初始损伤裂隙发育，导致围岩内部破裂，洞壁宏观收敛变形超过掘进预留量。所以，采取快速有效的观测方法，及时评价围岩变形特性和稳定性态，为随时调整TBM掘进参数提供依据，显得尤为迫切与重要。

1.2 工程地质条件及问题

隧址区位于西部高原东南缘地区，处于喜马拉雅山脉、念青唐古拉山及横断山脉的交汇处。地形起伏较大。松散覆盖层分布于陡峻坡脚或者沟槽内，前者多为崩塌堆积体群，后者多为冰川堆积物，基本为块碎石土，基岩基本为片麻岩(见表1)。隧址区地质构造强烈，断层、挤压带和局部揉皱构造现象极为发育。山顶终年积雪，洞身上覆垭口两侧分布多个冰湖，地表及地下水丰富，主要为基岩裂隙型和松散覆盖层孔隙型地下水。隧道围岩质量总体中等，进、出口斜坡卸荷带和断层破碎带围岩质量等级为V级，局部岩体完整洞段围岩为Ⅱ级，多数洞段围岩质量级别为Ⅲ级和Ⅳ级。隧道垂向埋深大于600 m洞段长度大于2 km，最大埋深近840 m。隧道进口附近地面钻孔(约450 m深)地应力测试结果显示，水平大次主应力SH介于8.12～40.51 MPa，方位角为N12°～22°E；水平小次主应力Sh为7.05～28.13 MPa。测试点处周围以水平向地应力挤压作用为主。隧道内原岩区地应力测试结果表明，原岩最大主应力量值介于16～24 MPa，方向与隧道洞身呈大角度关系，倾角40°左右。区域内主要地层岩性较为单一，主要包含由冰川地质及冲洪积作用形成的松散覆盖层及基岩，如表1所示。

表1 隧址区地层岩性Table 1 Layer formation lithology in the tunnel site area

2 双护盾TBM掘进隧道围岩变形试验

2.1 试验原理

TBM掘进一段后，向前推进并完成管片安装，理论上衬砌管片和围岩开挖周界圆是同心圆，但由于尾盾拔出后，以及TBM作用在管片环上的反力千斤顶撤除，衬砌管片将和围岩圆周构成内接圆和外切圆的关系。而管片预留的注浆孔可以直接观察孔内范围的围岩特征，试验借此作为该管片环局部范围内围岩的特征参考。该隧道TBM开挖的隧道直径为9.1 m，标准的衬砌管环内侧直径为8.1 m，衬砌管片厚度为0.35 m，因而，从管片内部11点钟及13点钟方向的注浆孔以仰角30°(回弹仪轴线与竖直轴成60°夹角)向围岩方向测量围岩到衬砌管片内部的距离，理论计算值均应为71 cm，11点及13点2方向为过圆心的竖直轴对称分布，因而管片内侧到围岩的距离满足相加之和为142 cm。如图2所示。

图2 测尺及改进型回弹试验示意图Fig.2 Schematic diagram of gauge measurement and improved rebound hammer test

但实际情况是，由于管片是由具有一定柔性的螺钉连锁紧固而成的，在自重以及TBM尾盾拔出后支撑力撤除后的共同作用下，标准的圆管环会发生变形，呈现出一个近似长轴水平的椭圆形，由于管环的变形是关于竖直轴对称的，在自重作用下，变形后的管环仍旧是竖直轴对称的。综合上述因素的影响，从11点及13点2方位所测得的围岩壁到管片内侧的距离应该满足73～75 cm，2个方向之和应该满足146～150 cm的间距。如果测点11点及13点中任一点所测得距离小于73～75 cm的范围，但不会小于管片斜向注浆孔的长度41.6 cm，则可以认为围岩发生内挤，结合回弹的数值，进而判断内挤是属于围岩掉块还是围岩大变形。如数值在73～75 cm内，判定围岩当前并没有发生较大变形或者掉块，围岩较为稳定。而对于数值大于75 cm的，认为围岩存在掉块或者超挖等。测试前先用钢钎触探围岩是否松动，并清除浮渣再进行测试。

2.2 试验设计及实施

每一个测试孔需要获取3类测试结果，首先通过注浆孔对围岩直接观察，进行岩性的描述，判断孔内围岩的完整性情况，其次再对围岩及管环片内侧距离进行测尺测量，最后进行回弹测试。而且测试必须严格按照上述的测试顺序，以尽可能保留最原始的围岩测试信息。如图3所示为现场围岩的围岩完整性特征。

图3 注浆孔现场围岩特征观察图Fig.3 Observation of the characteristics of the surrounding rock by the grouting hole

管片完成拼装后，尾盾向前拔出，管片与围岩形成稳定接触，并在回填豆粒石和注浆施工前，通过管片的11点及13点方位的注浆孔对围岩到衬砌管片内侧进行测量，每一个测试孔分别测试5次，并计算算术平均值。本次测量的数值与回弹测试均为同一测试管环。本次试验测试的数据成果整理后如表2和表3所示。

根据目前的计划，西屋2019年春将把被称为EnCore设计的先导试验燃料棒装入拜伦2号机组(1100 MWe压水堆)堆芯。EnCore设计使用了硅化铀燃料芯块和带有铬涂层的锆合金包壳。

表2 较完整围岩管环对应围岩测试统计Table 2 Relatively complete surrounding rock pipe ring corresponding surrounding rock test statistics

表3 不良围岩管环对应围岩测试统计Table 3 Poor surrounding rock pipe ring corresponding surrounding rock test statistics

3 改进型回弹仪围岩强度试验

3.1 试验原理

双护盾TBM在完成管片的拼装后，尾盾将向掘进方向拔出，管片将会与围岩直接接触，此时，可以利用管片11点、13点注浆孔对围岩进行有限度的回弹试验。由于常规的回弹仪冲击杆长度有限，本工程采用加长冲击杆的改进回弹测试方法。在试验前对同一类型的岩体在检测角为60°的测试方向上分别测出无加长杆与有加长杆的回弹测试值R′mA与R′ma，二者比值即为比例系数I；获取比例系数后，现场实测采用的加长杆回弹值RmA通过比例系数进行换算后，再根据规范进行角度修正，所得的修正后回弹值Rm再查表[16]换算得到抗压强度值，推导如下。本次测试实测值及换算值如表2和表3所示。

比例系数I为：

其中：R′ma为拟合测试不加长杆60°检测角回弹值；R′mA为拟合测试加长杆60°检测角回弹值。

加长杆实测检测角60°测试值换算：

其中：Rmα为对应不加杆的换算回弹值；RmA为加长杆60°检测角现场实测回弹值。

角度修正回弹值Rm：

其中：Raα为角度修正值，通过查表[16]获取。

最后，通过将修正后的回弹值Rm与碳化深度dm查表[16]获取对应的抗压强度值。

3.2 试验设计及实施

本研究总共对204片环管片进行回弹测试及岩性观测并描述，每一个测试孔进行16回弹测试，除去3个最大和3个最小值，剩余的10个回弹值取平均值。采用长度80 cm，直径22 mm的带肋钢筋作为加长杆，节选具有针对性的较整围岩及不良围岩对应的管环分别进行统计分类分析。对于较完整的稳定围岩测试分析，选择管片编号为11523等10环管片，具体测试参数如表2所示；由于实测样本数量的限制，不良围岩测试段，选择编号为1601等共13环管片，其中大变形围岩段6环，塌方掉块围岩段7环，具体测试参数如表3所示。

4 试验结果及分析

4.1 稳定围岩段回弹及测尺结果分析

通过直接地观察及回弹过程的声响，如图3(a)及表2，测试孔内的稳定围岩特征表现为岩体完整，岩体矿物晶体排列清晰紧密，裂隙不发育，回弹声音清脆。由表2知，该类稳定围岩由回弹换算的抗压强度最大值79.17 MPa，最小抗压强度48.41 MPa，该类围岩属于相对稳定和完整的坚硬岩体。

由图4知，统计范围内不同管环对应的围岩的抗压强度换算值与对应孔位的测尺长度的分布大致呈现出反向相关性，即围岩的强度较大时，其测尺长度相对较小；反之围岩强度较小时，则测尺长度较大。

图4 稳定围岩管片围岩强度及测尺长度曲线Fig.4 Curves of strength and measuring length of surrounding rock of stable surrounding rock related segment

由图5可见，稳定围岩的测尺深度范围主要集中在70～76 cm的分布范围内，其平均值μ为72.85，标准差σ为1.88，近 似 服 从X～N(72.85,3.534 4)的正态分布。通过计算可得在72～75 cm范围内的分布概率为54.65%，可见稳定围岩的测尺长度大多集中在这一范围，考虑到标准差较小，认为72～75 cm的为标准评价围岩稳定性可靠性程度较高。

图5 稳定围岩管片测尺长度分布Fig.5 Distribution of lengths of pipe segments of stable surrounding rock

出现这一现象是由于该隧道处于高地应力区，局部洞段的高地应力更为集中。测试范围内的岩体为坚硬的片麻岩，岩性较为完整坚硬。地质时期以来，在构造应力的长期作用下，岩体以弹性能的形式将地应力的挤压作用能量储存起来。当隧道开挖后，围岩由原来的三向受力转化为双向受力，储存有大量弹性能的岩体开始向隧道开挖的临空面释放弹性能，由于岩体较为坚硬及完整，裂隙发展不明显。并没有发生明显地破坏，而是以向临空面的方向产生近似径向的变形。此外，由于隧洞的开挖，使得隧洞的径向应力突变为0，而环向应力则急剧增加，进一步加大了围岩向洞内的变形量。但是由于岩性较为坚硬和完整，变形的量也得到限制，从而使得洞体的变形相对收敛并保持相对地稳定。

4.2 大变形围岩段回弹及测尺结果分析

该类围岩的岩性特征通过注浆孔进行观察，主要表现为岩体有节理，回弹时声音较为沉闷，回弹试验时弹跳相对微弱，如图3(b)。

大变形围岩段的测尺长度出现了明显小于标准间距72 cm的特征，所有测试点都远小于标准值，最小间距的测试点是1601-13点位，其围岩与管片内侧间距达到42 cm，偏离值达到30 cm；最大间距的测试点位是1601-11，其围岩与管片内侧间距为51 cm，偏离值为21 cm。同时，相对于同一隧洞的稳定围岩，该类围岩的强度相对较低，通过回弹换算的最大抗压强度值仅为53.41 MPa，最小抗压强度43.39 MPa，与5.1中稳定岩体不同，其结构相对不完整，有裂隙发育，破坏结构的整体性。

此外由图6可知，该类围岩同一个测试孔位的抗压强度和测尺长度呈现出近似正相关性，即围岩的强度增大时，其测尺长度相对也在增加。这一现象主要是由于该类围岩的抗压强度相对稳定围岩的强度有较大降低，但是同样在高地应力作用下，当洞体开挖后，岩体受力由三向受力变化为双向受力，地应力急剧重分布。加之该类围岩原生裂隙的存在，地应力向洞内释放的过程中，裂隙的进一步发展就会导致岩体的变形增大，甚至发生大变形或者鼓胀，从而产生较大的变形。

图6 大变形围岩管片围岩强度及测尺长度曲线Fig.6 Curves of strength and measuring length of surrounding rock of large deformation surrounding rock related segment

4.3 垮塌围岩段回弹及测尺结果分析

该类岩体由于在可视范围内可见岩体的垮塌，并未对其进行回弹试验，仅进行测尺测试。测试结果如表3所示。通过汇总如图7所示，该类围岩主要表现为岩体剥落，其测尺长度一般都远大于标准间距72 cm的特征。该类岩体属于岩性不良岩体，其节理较发育，在开挖卸荷及其他扰动下，导致结构面贯通，进而从岩体中剥落掉块，造成超挖，不利于洞体施工。

图7 垮塌围岩管片测尺长度曲线Fig.7 Curve of length measurement of collapsed surrounding rock segment

通过对注浆孔使用：直接观察岩体岩性、测量围岩到衬砌管环内部的距离以及回弹测试其抗压强度3种方法，可以较好地获得评价较完整围岩稳定性特征的指标：

1)测试围岩岩性较完整，裂隙较少时，围岩抗压强度较大，测尺长度稳定在72～75 cm的标准间距时，或者其在标准间距范围的概率较大时。同时，其回弹值换算得抗压强度与测尺长度随机统计呈现一个近似反相关性时，可以初步判断测试岩体岩性相对稳定和完整。

2)围岩发生大变形，岩体完整性较差，裂隙节理较发育，其抗压强度相对较低，测尺长度小于标准间距72～75 cm时，且其回弹值换算得抗压强度与测尺长度随机统计呈现一个近似正相关性时；或者发现岩体崩落，其测尺深度严重大于标准间距时，则可以初步判断测试岩体属于不良岩体。

5 结论

1)当测试对象为稳定的围岩时，其岩体的岩性较为完整，回弹测试的声音清脆，回弹测试的反弹较大。其围岩到管环内侧的测试长度基本落在70～76 cm的范围，其测试值基本满足正态分布，其中落在理论标准间距的正态分布概率为54.65%。此外，围岩到管片内侧的间距与岩体的回弹值换算抗压强度的随机统计曲线呈现出近似反相关性的特点。则可以判断该处岩性相对稳定。

2)对于大变形的围岩，其岩体被裂隙节理切割，回弹测试响声较为沉闷，回弹较弱；其岩体的测尺深度基本小于72～75 cm的标准间距，且其回弹值换算的抗压强度相对较低。此外，围岩到管片内侧的间距与岩体的回弹值换算抗压强度的随机统计曲线呈现出近似正相关性的特点。

3)对于发生坍塌的围岩体，通过直接观察可以发现其存在明显剥落的特征，此外，通过测尺测量围岩到管片内侧的间距也明显地超出标准值范围。通过研究TBM施工法衬砌管片上的注浆孔进行围岩岩性观察描述、围岩到管片内侧的间距测试以及改进型回弹测试等联合测试，可以较为有效地对围岩的强度特征和变形特征进行即时评估。

4)该方法对较完整围岩具有较好的适用性，对其他破碎的围岩适用性较差。可以为采用双护盾TBM这类施工过程中作业人员难以直接评估围岩特性的隧洞施工方法提供一定的借鉴。

5)针对工程中出现的卡机问题，工程中采取了相应的应对措施，即开启刀盘扩挖刀进行扩挖，使得围岩的收敛速率低于TBM的推进速率，从而使掘进机顺利通过围岩收敛较快的区段。