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1、TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究章元爱，梅志荣，张军伟中铁西南科学研究院有限公司，成都市西月城街118号，610031摘 要：TBM的设计制造关键词：TBM 围岩分级TBM的设计制造及使用效率(工作条件或称工作效率)与隧洞围岩的地质因素密切相关，这是国内外同行的共识。TBM施工能否尽可能高地发挥其应有的作用，并达到安全、快速掘进的目标，主要取决于TBM的工作条件，即取决于TBM的工作对象隧洞工程岩体(隧洞围岩)工程地质条件的好坏，人们对隧洞围岩和TBM开挖特性的认识，以及在此基础上所进行的与地质条件相适应的TBM配套机具的准备是否充分。当今流行的隧洞围岩分级(或称分类)方法，大多数是针
2、对隧洞围岩稳定性评价和支护设计而提出的，难以满足TBM施工条件下的隧洞施工需要已是不争的事实。TBM施工条件下的隧洞围岩分级主要针对工程岩体的可掘进性，即根据围岩的主要地质因素与TBM工作效率的关系来划分。因此，纯粹套用以评估围岩稳定性为主的隧洞围岩分级方法来进行TBM施工条件下的隧洞围岩等级划分显然是不恰当的。目前，国内外尚未有一个公认的TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法，开展TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究无论是对隧洞围岩分级方法的进一步拓展，还是对指导以后的TBM隧洞工程施工，均将具有重要的科学技术价值和实用价值。3.2.1 TBM工作条件（工作效率）与隧洞围岩地质因素间的关系在
3、围岩稳定性等级划分的基础上，影响TBM工作条件的主要地质因素有4个：岩石的单轴抗压强度（Rc）、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度。根据这四个地质因素进行TBM施工条件下的隧洞围岩分级，符合TBM施工条件下隧洞围岩分级主要应针对工程岩体可掘进性的原则要求。（1）岩石的单轴抗压强度（Rc）众所周知，TBM是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于其抗压强度这一特征而设计的。一般采用岩石的单轴抗压强度（Rc）来判断TBM工作条件下隧洞围岩开挖的难易程度。图3-1是岩石的单轴抗压强度（Rc）与TBM掘进速度间的相关关系。图3-1岩石的单轴抗压强度（Rc）与TBM掘进速度间的相关关系显
4、然，Rc越低，TBM的掘进速度越高，则掘进越快；Rc越高，TBM的掘进速度越低，则掘进越慢。但是，Rc太低，TBM掘进后围岩的自稳时间极短，甚至不能自稳。Rc值在一定范围内时，TBM的掘进既能保持一定的速度，又能使隧洞围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数TBM适用于岩石的单轴抗压强度Rc值为30150MPa的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。（2）岩石的硬度和耐磨性一般来说，岩石的硬度越高，其耐磨性越好，对TBM刀具的磨损就越大。图3-2揭示了TBM刀具磨损与NCB锥体硬度计指数间的关系。（3）岩体结构面发育程度（完整程度）岩体中结构面(节理、层理、片理、大小断层)的发育程度，即岩体的裂
5、隙化程度或岩体的完整程度是影响TBM工作效率的又一重要地质因素。纵观各表征岩体完整程度的指标，较普遍选用的有岩体完整性系数K、岩体体积节理数J、节理平均间距dp等。图3-2 TBM刀具磨损与NCB锥体硬度计指数间的关系岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小则岩体完整性系数越小，TBM掘进速度就越高。但当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧洞工程岩体已不具自稳能力，在此类围岩中进行TBM的施工，其掘进速度非但不会提高，反会因对不稳定围岩进行的大量加固处理而大大降低(如图3-3所示)。图3-3 岩体完整性系数K
6、与TBM纯掘进速度的关系（4）其他因素除上述影响TBM工作效率的主要地质因素外，岩体主要结构面或称优势结构面的产状与隧洞轴线间的组合关系、围岩的初始地应力状态、岩体的含水、出水状态等对TBM工作效率也有一定的影响。岩体主要结构面或称优势结构面的产状与隧洞轴线间的组合关系对TBM工作效率的影响，主要表现为组合关系对围岩稳定性的影响，进而影响TBM的工作效率。当围岩处于高地应力状态下，且围岩为坚硬、脆性、较完整或完整岩体时，极有可能发生岩爆灾害，灾害严重时，将危及TBM和施工人员的安全。若围岩为软岩，则围岩将产生较大的变形。二者均将给TBM的掘进施工带来极大的困难。岩体的含水、出水状态对TBM工作
7、效率的影响视含水量和出水量的大小及含、出水围岩的范围和含、出水围岩是硬质岩还是软质岩而定。一般来说，富含水和涌漏水地段的围岩强度会有不同程度的降低，特别是软质岩的强度要降低很多，致使围岩的稳定性降低，影响TBM的工作效率。此外，大量的隧洞涌漏水，必将恶化TBM的工作环境，降低TBM的工作效率。3.2.2 TBM隧洞的围岩分级TBM施工条件下隧洞围岩等级的划分，目前在国内外尚未有较为成熟和统一的方法，多数国家采用在围岩稳定性分级的基础上再按影响TBM工作条件的主要地质参数指标进行详细划分。因此，本工程采用围岩稳定性等级与TBM工作条件等级相结合的方法来进行TBM施工条件下的隧洞围岩分级，即在进行
8、隧洞围岩稳定性分级的基础上，将每个围岩等级的TBM工作条件予以划定。首先，按工程岩体分级标准(GB50218-94)，根据工程岩体基本质量BQ(或CQ)值，将岩体划分成五个级别。工程岩体基本质量BQ指标由式（3-2-1）计算： （3-2-1）式中：为工程岩体基本质量，为岩石单轴抗压强度(MPa)，为岩体完整性系数。当时，以和求；当时，以和求。在施工阶段，根据地下水状态（）、初始地应力状态（）、隧洞轴线与主要结构面产状的组合关系（）等影响因素对进行修正，具体修正方法按工程岩体分级标准(GB50218-94)正文的附录D进行，具体见式（3-2-2）所示： （3-2-2）第二步，在围岩基本质量级别的
9、基础上，根据岩石的单轴抗压强度、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度这4个影响TBM工作条件(工作效率)的主要地质参数指标，将TBM工作条件下的隧洞围岩由好到坏分为4个级别，如表3-1所示。表3-1 TBM工作条件下的隧洞围岩分级围岩分级分级主要参数指标TBM工作条件下的围岩等级岩石单轴抗压强度Rc/Mpa岩体完整性系数K岩石耐磨性指数Ab/101mm1岩石凿碎比功a/Nmcm3802000.750.855700B0.85C2000.75802005600A0.550.7556600700B6700C2005600A601200.450.6556600700B6700C800
10、.4530600.40.45B16600.250.40C150.25TBM不适宜使用TBM机体庞大，行动不便，施工中受岩石抗压强度、完整强度、节理、裂隙等诸多因素的影响，对地质条件的适应性差。虽说目前TBM的机种已经多样化，有的还在刀盘上增开一个可供出入的门，增加了处理不良地质的功能，已使TBM的适用场合向各种复杂地质条件的方向发展。但是，效果并不理想。根据目前国内外TBM施工情况来看，开敞式TBM对不良地质地段的处理能力和效果相对比较好。根据工程岩体分级标准(国标GB50218-94)，岩石单轴抗压强度可分为极坚硬岩、较硬岩、较软岩、软岩和极软岩等五级。对TBM的掘进而言，极坚硬岩和极软岩是
11、不利的。前者的可掘进性差，对机具的磨损严重，纯掘进速度慢；而后者则因掌子面及支垫层强度不足，围岩极易掉块、坍塌，使TBM掘进受阻，掘进速度慢。岩石单轴抗压强度Rc在30200MPa时，有利于TBM的掘进。采用工程岩体分级标准(国标GB50218-94)，根据岩体的完整性系数Kv或岩体体积节理数Jv值的大小，将隧洞围岩岩体完整程度(或称岩体节理裂隙发育程度或岩体裂隙化程度)分成完整、较完整、较破碎、破碎和极破碎等五级。试验研究表明Kv0.85，且岩石Rc100MPa时，TBM的掘进速度明显降低，特别当岩石Rc200MPa时，TBM的掘进速度更慢；当K值为0.400.45或Kv0.40时，TBM均
12、难于掘进；Kv=0.400.85，且岩石Rc=30200MPa时，较有利于TBM的掘进施工。工程实践表明，TBM适宜的岩石单轴抗压强度介于20MPa200MPa之间，尤其在抗压强度介于50MPa100MPa之间的均质岩层中掘进速度最快，当岩石平均单轴抗压强度值在300MPa以上时，TBM施工还是一个难点，尽量避免采用TBM法施工。在地质条件极其复杂地段，如遭遇地层塌陷、高承压水与涌突水段、松散富水地层、暗河段、含大量孤石、卵石地层、岩溶洞穴地层、地应力极高地段(岩爆强烈、变形大、持续时间长、不易收敛)、强挤压、膨胀性岩层时不宜采用TBM施工，应采用钻爆法。对于本工程隧洞来说，整体的地质条件比较
13、适合于TBM法，局部不良地质地段TBM法施工比较困难，施工中实现了两种方法联合采用，综合利用两者的优势，形成优势互补，即提高了隧洞修建速度，也避免了只采用一种方法将造成的浪费。TBM隧洞支护参数设计影响隧道工程结构型式选择和支护参数设计的主要因素有：隧洞使用类型、工程地质和水文地质条件、施工方法等。埋深大的海底隧洞外水压力也大，全封堵隧洞宜采用圆形衬砌结构型式；TBM掘进机适合圆形衬砌结构型式；钻爆法适合各种衬砌结构型式。公路和铁路海底隧洞常采用的衬砌结构型式有：马蹄形、椭圆形和圆形。本工程TBM隧洞的支护参数设计采用工程类比确定，并通过理论分析进行验算，设计选定后还根据现场围岩量测信息对支护
14、参数作必要的调整，亦即采用信息化设计方法，也称动态设计。本工程隧洞施工阶段采用开敞式TBM进行施工，其支护衬砌型式按照上述的现代支护理论，也采用喷锚支护作为永久支护，同时为了减小隧洞过流表面的糙率，类围岩在喷锚支护基础上进行二次模筑混凝土衬砌。（1）锚喷支护参数设计锚喷支护即采用锚杆、喷射混凝土、钢筋网以及钢架等的联合支护。喷射混凝土的强度等级为C25，其与围岩的粘结强度不应低于0.8MPa。为了增强喷射混凝土的抗渗性、耐久性，在喷射混凝土中掺入无碱速凝剂、高效减水剂及其他外加剂，并掺入4%8%的微硅粉。锚喷支护按工程类比法初拟支护的类型和参数，必要时辅以理论计算。根据有关规范及类似的工程实例
15、，确定预支护参数如下：对类围岩采用锚喷支护作为永久支护。考虑工程耐久性和安全储备，对类围岩，局部安设锚杆22、L2500mm，喷8cm高性能混凝土；对于a类围岩，随机布设22锚杆、L2500mm，喷12cm混凝土；对于b类围岩，顶拱系统布设22锚杆，L2500mm，局部挂钢筋网8200200，喷12cm混凝土；对于类围岩，布设锚杆22，L2500mm，全周挂钢筋网8150150，并架设I-160钢拱架，间距1200mm，喷16cm混凝土；对于类围岩，布设锚杆25，L3000mm，全周挂钢筋网8150150，并架设I-160钢拱架，间距600mm喷16cm混凝土。（2）二次模筑混凝土衬砌对于类围
16、岩，在初期锚喷支护完成，围岩变形基本稳定以后，再进行二次模筑混凝土衬砌。其目的主要有以下几点：a. 考虑围岩的不均匀性、支护材料质量的离散性、锚杆腐蚀等不确定因素；衬砌施工后外荷载的变化；隧洞未收敛的变形等，这些都需要设置衬砌来作为安全储备，提高支护的安全系数。b. 考虑隧洞使用后外力的变化和支护材料的劣化不确定因素，需要提高作为结构的耐久性和安全储备。c. 类围岩进行二次模筑混凝土衬砌，可以减小过流表面的糙率，在设计引水流量时，使各类围岩之间的水流实现平稳过渡。二次模筑混凝土衬砌的厚度，只要能够满足施工要求的结构厚度即可，但由于隧洞衬砌采用全圆式模板衬砌台车进行施工，由于模板台车是刚性定型产
17、品，难以实现不同围岩条件下内径的变化，如果不同围岩采用不同的模板，不但要增大施工的难度，从而影响衬砌施工的进度，而且也会增加投资。另外各类围岩衬砌完成后，不同围岩之间的过渡段很难采用机械施工完成，也会影响其施工的外观质量。因此，类围岩衬砌厚度为30cm，而、类围岩衬砌厚度为26cm，使类围岩隧洞成洞直径均为D=7.16m。二次模筑混凝土衬砌的混凝土强度等级为C25，类围岩衬砌为素混凝土，、类围岩衬砌内按构造要求设钢筋。隧洞衬砌在围岩地质条件均一洞段每隔16m设置环向施工缝，个别部位增设永久变形缝，设置橡胶止水带。衬砌后对顶拱回填灌浆。TBM施工段的断面型式见图3-4，支护衬砌参数列于表3-2。
18、表3-2 TBM施工段锚喷支护参数表围岩分类类a类b类类类初期支护喷射混凝土C25(cm)812121616锚杆直径(mm)随机22随机22顶拱12022顶拱27022顶拱27025锚杆入岩长度(m)2.02.02.52.53.0间、排距(m)1.2m1.2m1.0m1.0m0.8m0.8m钢筋网局部8200200顶拱2708150150顶拱2708150150型钢架设I-160I-160间距(mm)1200600模筑混凝土C25厚度(cm)303026263.5支护结构计算对隧道开挖采用FLAC3D进行模拟，以考虑开挖在空间上对围岩的影响。二次衬砌的计算则采用Ansys进行，因为在FLAC3
19、D中模拟的二次衬砌与初期支护之间的作用不是很准确，只能基本模拟隧道和围岩整体的开挖、支护效果，对二次衬砌与初期支护的作用模拟不是很恰当，为避免因此而对二次衬砌产生的不利影响，对于二次衬砌分开计算，采用Ansys进行。图3-4 TBM施工段支护衬砌断面图表3-3 TBM施工各类别围岩支护材料实际情况统计围岩类别锚杆喷射混凝土钢筋网钢支撑每循环最短耗时（min）随机布设随即喷射随机布设23a随机布设1.77m3/m随机布设20b6.67根/m1.77m3/m随机布设随机布设2018根/m3.50m3/m81501508.804.17段/m2027.5根/m3.50m3/m81501508.806.
20、25段/m48说明：每循环按照1.83m计算。计算范围选取为：下部取至隧道仰拱以下40m，左右各取40m，对于浅埋隧道，取拱顶以上40m，对于深埋隧道，取拱顶以上240m，隧道纵向计算长度取为100m。隧道左右有水平约束，地表为自由边界，下部有垂直约束，前方和后方均有垂直其面的约束。计算中，用实体单元模拟围岩，用壳单元模拟初期支护和二次衬砌。计算模型采用Mohr-Coulomb屈服准则，流动准则采用相关流动准则。考虑采用TBM进行施工时机器对工序的干扰，计算考虑开挖进尺为10m，初期支护在开挖后一段时间内即施作，对二次衬砌施作的模拟在开挖一段距离后分段进行，考虑自重应力场作用下隧道开挖引起的隧
21、道围岩应力变化和破坏规律。根据隧道形状和支护结构对称性的特点，按对称性问题进行建模，取模型的一半计算，对称面施加对称约束，计算模型如图3-5所示。图3-5 TBM隧道的计算模型对各级围岩条件下的隧道开挖进行模拟，围岩参数和支护参数按照工程实例进行选取，围岩参数如表3-4所示。表3-4各级围岩的力学计算参数围岩级别弹性抗力系数K（MPa/m）弹性模量E（GPa）泊松比密度（kg/m3）粘聚力c（MPa）内摩擦角1500250.2526001.555a1000150.324001.245b700100.2824000.94030040.3222000.5351501.50.419000.1253.
22、5.1 围岩塑性区计算各级围岩条件下隧道开挖与支护的模拟过程如下图所示。随着开挖进尺的不断推进，围岩塑性区不断发展变化，主要发生在隧道围岩的拱顶和仰拱处。施作初期支护和二次衬砌后塑性区逐渐减少。不同围岩条件下TBM具体的施作步骤如下图所示。级围岩条件a、b级围岩条件级围岩条件级围岩条件表3-5各级围岩下的塑性区宽度（单位：m）围岩级别ab塑性区宽度0.50.61.12.14.9由计算分析可知，隧道开挖后在拱顶和仰拱部位产生塑性区，、级较差的围岩在边墙处有塑性区出现，随着初期支护跟上，边墙以及仰拱等处的塑性区逐渐减小，围岩和隧道结构基本上趋于稳定。3.5.2 隧道开挖产生的位移计算计算时在隧道毛
23、洞拱顶、拱底、边墙以及模型顶部设置位移监控点，记录各监控点的位移随开挖推进的变化情况，如表3-6所示，图3-10和图3-11为级围岩条件下监控点的位移，图中所示位移未计入重力初应力场平衡产生的位移，位移正负号是与坐标的关系，坐标原点建在隧道内的圆心处，因此拱顶、模型顶以及边墙的下沉位移为负，仰拱底的上拱位移为正。表3-6各级围岩下监控点的位移汇总表（单位：mm）围岩级别ab模型顶部竖向0.991.492.326.2010.59毛洞顶部竖向1.281.942.617.5021.47毛洞底部竖向0.380.570.922.416.14毛洞边墙横向0.100.240.572.2414.16图3-10
24、围岩内监控点的竖向位移随开挖推进的变化情况图3-11围岩内一点的横向位移随开挖推进的变化情况由3-11图示位移变化情况可知，随着开挖推进，围岩竖向位移持续增加，直到开挖掌子面与所计算点的距离达到一定值后，位移基本趋向稳定，即是开挖掌子面与所计算点的距离达到一定值后，开挖或支护等施工工序对计算点已基本上无影响。这个距离一般为35倍洞径D（D为隧道断面直径）。3.6 结论工程实践表明，本工程在国内输水隧洞工程中首次采用锚喷支护+模筑混凝土衬砌的支护型式，应用效果十分成功。锚喷支护作为永久支护，模筑混凝土衬砌作为安全储备和减小过流表面的糙率，它们与开敞式TBM施工紧密结合运用，选择正确，科学合理，符合新奥法设计理念。通过对TBM隧洞围岩稳定性分析，提出了适用开敞式TBM施工的地质条件评价和建议。支护系统的设计采用了动态设计方法，结合工程类比、理论计算以及现场的监控量测验证，在施工过程中对支护参数及时进行了调整和优化，从而达到了快速施工、节约投资的目的。13