滇中引水工程香炉山深埋长隧洞TBM掘进段地质条件适宜性初步研究

^1，2王家祥，^1，2周云，^1，2史存鹏，^1，2刘承新

（¹长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北武汉 430010；²长江三峡勘测研究院有限公司 武汉，湖北武汉 430074）

关键词：TBM　高地应力　岩爆　软岩大变形　高外水压力　岩石摩擦性 （CAI）　适宜性

基金项目：国家重点研发计划资助项目 （2016YFC0401801、2016YFC0401803）。

1 引言

滇中引水工程香炉山深埋长隧洞全长62.6km，圆形断面净洞径一般8.4m，隧洞最大埋深1450m，埋深不小于600m洞段长占隧洞总长67%，具有地质条件复杂、埋深大、高地应力、岩爆、软岩大变形、施工通风及运输距离长、反坡排水困难等特点，综合考虑工程地质条件、工程投资、当今施工技术水平及总工期要求等诸方面因素，拟采取钻爆法和TBM掘进组合施工方案，即隧洞进、出口洞段、F9、F10、F11、F12四条宽厚（0.12～3.10km）区域性断裂带洞段及不控制总工期洞段设置施工支洞采用钻爆法开挖，其余地质条件较好洞段或无施工支洞布置条件洞段拟采用两台TBM掘进施工，钻爆段总长27.08km，TBM掘进段总长35.52km。

TBM（Tunnel Boring Machine）隧道掘进机具有经济、快捷、安全等优点，目前在国内外已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等隧洞工程。但TBM隧道掘进机对所开挖隧洞地质条件要求较高，施工过程中不良地质条件易诱发隧洞塌方、变形、卡机、TBM下沉等问题，而卡机则表现最为频繁和严重，根据有关工程实例，TBM卡机后有的数月甚至数年未脱困，造成严重工期延误及巨大经济损失。

因此，开展TBM掘进洞段围岩地质条件的适宜性研究尤为重要，可为TBM施工可行性评估、TBM选型等提供基础依据，并为宏观把控可能产生问题洞段地质危害类型、特点及规律，研究布置针对性工程应对措施提供依据。

2 TBM适宜性判别要素

隧洞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。

岩体所处地质环境主要指地应力环境、地下水环境以及其他可能导致不良地质现象发生的内外营力地质作用环境等，是影响TBM施工效率的主要因素，如施工进度、效益甚至可行性等方面。

岩体性状指标主要包括岩石的强度、硬度、耐磨性和岩体的完整性等，是影响TBM掘进效率的主要因素。

SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》提出隧洞TBM施工适宜性判定标准：

（1）TBM施工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综合判定。

（2）具备下列条件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）TBM施工的适宜性分为适宜（A）、基本适宜（B）、适宜性差（C）等级别，并宜符合表1的规定。

3 TBM掘进洞段地质环境条件研究

3.1 基本地质条件

香炉山隧洞穿越滇西北金沙江与澜沧江两大流域分水岭地段横断山脉高—中山地貌区，山顶高程一般为2500～3500m，隧洞埋深一般为600～1200m，最大埋深1450m，埋深大于600m洞段累计长42.175km，隧洞占比67.38%，埋深大于1000m洞段累计长21.427km，隧洞占比34.23%。

隧洞区出露泥盆系、二叠系、三叠系、第三系及第四系地层，局部地段发育侵入岩脉。隧洞穿越变质岩（片岩类夹浅变质灰岩为主）、岩浆岩（玄武岩、安山岩为主）、沉积岩（碳酸盐岩和砂泥岩）及第四系覆盖层累计长度分别为12.696km、24.208km、25.312km、0.380km，占比分别为20.28%、38.67%、40.44%、0.61%。

隧洞区褶皱、断裂构造发育，起主要控制作用断褶构造主要为北北东—北东向、近南北向和近东西向三组，与洞线多呈中等—大角度相交。穿越主要褶皱和断裂各有12条，其中龙蟠—乔后断裂（F10）、丽江—剑川断裂（F11）、鹤庆—洱源断裂（F12）为全新世活动断裂。

隧洞穿越可溶岩累计长度17.866km，占比28.54%，碳酸盐岩区地表、地下岩溶形态齐全，主要发育有白汉场、拉什海、文笔海、鹤庆西山（包括6个子系统）、清水江—剑川等岩溶水系统。沿线地下水位埋深多在100～400m，局部地段发育承压含水层。

隧洞埋深较大，大部分洞段位于微新岩带（局部地段有风化加剧），仅隧洞尾段埋深较浅涉及强、弱风化带岩体。

隧洞区无不良地质体影响。地温、有毒有害气体及放射性测试总体正常，T₃sn和P₂h地层中所夹煤层含有瓦斯等有害气体及腐蚀性地下水。

3.2 高地应力与高外压力问题

隧洞区开展了14个钻孔水压致裂法地应力测试，测深范围133～850m（共153个测点），测试孔段岩体应力量级多为低至中等应力水平，少量达高应力水平，以XLZK16（孔深950.43m）为例，孔深为500～850m测试范围内，最大水平主应力为13.6～25.9MPa；最大水平主应力σ_H方向主要为北东向，与洞轴线呈中等至较大角度相交。根据实测应力侧压系数一般规律，结合地应力场三维数值反演，估算隧洞区埋深1250～1450m洞段地应力可达40～46MPa极高应力量级，存在高地应力条件；隧洞多位于地下水位以下，深埋隧洞段外水压力水头达500～1300m，沿富水洞段的高外水压力问题较突出。

根据相关规范和工程经验，采用强度应力比法和外水压力折减系数法，对隧洞拟采用TBM施工洞段的硬岩岩爆、软岩挤压大变形和高外水压力进行了分析预测，结果见表2～表4，三类问题累计洞段长度分别为4.494km、5.000km、22.255km，分别占TBM掘进洞段总长的12.7%、14.1%、62.7%，岩爆等级以中等为主、局部强烈，软岩（含宽厚断裂破碎带）挤压大变形程度一般为严重—极严重，高外水压力值为1～3.76MPa（沿断裂带等富水洞段还存在高压涌突水问题）。主要位于TBMa-2、TBMb-2深埋洞段。

4 TBM掘进洞段岩体性状研究

4.1 岩石的强度

岩石抗压强度（R_b）是岩石工程地质特性和岩体质量评价中不可缺少的重要力学指标。按岩石抗压强度分为三个级别：当R_b≥150MPa时，岩质极坚硬，对TBM滚刀刀圈、刀具和轴承损耗严重，TBM掘进效率很低；当30MPa≤R_b<150MPa时，岩质属中等坚硬—坚硬，TBM掘进速度快、效率高；当R_b<30MPa时，大多位于断层破碎带与软岩地层中，岩石强度低，难以提供必要的撑靴反力，且围岩易发生坍塌与变形，不利于TBM掘进速度的提高。

根据隧洞区岩石饱和抗压强度（R_b）试验成果，按适宜性分级归类统计：R_b值中硬—坚硬岩组（R_b=30.2～149MPa）适宜TBM施工岩石强度值占69.7%；软岩组（R_b=3.92～27.1MPa）占23.7%；极坚硬岩组（R_b=158～174MPa）占6.6%。总体上，隧洞区拟采用TBM施工隧洞段岩石强度有利于TBM快速施工。

4.2 岩石硬度与摩擦性（CAI值）研究

隧洞区TBM施工段主要硬质岩矿物鉴定结果（图1）：灰岩主要矿物成分为方解石（摩氏硬度=3），少量灰岩中含石英（硬度=7）；白云岩主要矿物成分为白云石（硬度=3.5～4）；玄武岩主要矿物成分为斜长岩（硬度=6～6.5）及玻璃质；砂泥岩主要矿物成分为长石和泥质。从岩石矿物组成及胶结物成分看，岩石总体硬度不大，适宜TBM快速高效掘进。

岩石的摩擦性与矿物含量、硬度、岩石结构、颗粒尺寸、形状及颗粒间的连接情况密切相关。矿物组成及硬矿物的含量是影响滚刀磨损的一个重要因素。岩石中高硬度矿物的含量越高，摩擦性就越强。为了测定岩石的摩擦性，取代表性岩样开展Cerchar试验，试验针为一定硬度的合金钢针［合金钢抗拉强度为2GPa，硬度（HRC）54～56，尖锥角度90°］，并在试验针上加上7kg的重量，在1min内移动控制手柄使试验针在试样上移动10mm，然后在显微镜下测量试验针端部的磨损。Cerchar摩擦性指数为被磨损的钢针针尖的平均直径（mm）的10倍。在工程实践中，Cerchar试验结果CAI值可以直接反应岩石的摩擦性。

国际上通用Cerchar摩擦性指数分级见表5，根据试验结果对实验岩石摩擦性分级见表6。

试验结果表明，5组试验岩石样本CAI值0.36～1.54，属于低—具摩擦性，适宜TBM快速掘进。

4.3 岩体完整性与围岩类别

TBM施工隧洞段均位于微新岩带，结合钻孔岩芯RQD值，主要地层岩体完整性北衙组（T₂b）、中窝组（T₃z）灰岩、白云岩等总体较完整；玄武岩（Pβ、Nβ）总体较破碎局部较完整，黑泥哨组（P₂h）、青天堡组（T₁q）等砂泥页岩总体较破碎，断裂带较破碎至破碎。

采用XLSF深埋隧洞围岩分类法进行隧洞围岩详细分类，其中TBM施工段总长35.52km，其围岩分类结果：Ⅲ₁类累计洞段长5.47km，占比15.4%；Ⅲ₂类累计洞段长11.19km，占比31.52%；Ⅳ类累计洞段长14.47km，占比41.34%；Ⅴ类累计洞段长4.17km，占比11.74%。Ⅳ类、Ⅴ类围岩合计占比53.08%。

5 TBM掘进段地质条件适宜性初步评价

5.1 初步评价标准

前述香炉山隧洞TBM施工洞段岩体强度、硬度与摩擦性等岩体性状研究结果表明其总体适宜TBM快速掘进，TBM掘进洞段地质条件适宜性初步评价主要针对所处地质环境（高地应力与地下水环境）与围岩类别建立适宜性评价便捷对应性标准，本隧洞围岩分类采用的XLSF法围岩详细分类法是以水利水电工程围岩分类标准HC法为基础，并考虑对高地应力和高外水压力（含隧洞涌水量）的修正，因而，结合SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》“隧洞TBM施工适宜性分级表”，可初步建立本隧洞围岩类别与TBM掘进适宜性分级的对应性评价标准（表7）。TBM适宜性分适宜（A）、基本适宜（B）、适宜性差（C）、不适宜（D）四级，Ⅴ类围岩及Ⅲ₁类围岩强烈岩爆段为不适宜（D），与SL 629—2014提出的隧洞TBM施工适宜性判定标准基本一致。

5.2 评价结果

依据前述标准，各TBM掘进洞段适宜性评价（图2和表8），适宜性分级评价汇总结果：适宜（A）至基本适宜（B）洞段占比70%，适宜性差（C）洞段占比17.3%，不适宜（D）洞段占比12.7%。总体情况较好，但适宜性差和不适宜洞段的软岩和断裂破碎带的挤压大变形、高外水压力及可能的涌突水、硬岩中强岩爆等不良地质条件危害大，易造成TBM卡机及设备损失等事故，需研究并采取针对性工程应对措施。

6 结语

（1） 香炉山深埋长隧洞拟定进、出口洞段、四条宽厚区域性断裂带及不控制总工期洞段采用钻爆法开挖，其余地质条件较好洞段或无施工支洞布置条件段采用两台TBM掘进的施工布置基本合适，符合TBM掘进对地质条件的基本要求。TBM施工洞段地质条件适宜性评价适宜至基本适宜洞段长共占70%，总体情况较好。

（2） 桩号28+800～53+700段（TBMa-2、TBMb-2施工洞段）由于隧洞埋深大，中间不具备设置施工支洞条件，该洞段高应力与硬岩岩爆、软岩大变形及高外水压力等不良地质条件相对更突出，TBM掘进适宜性差和不适宜的主要位于此洞段。建议在TBM选型上应重点考虑有利于实施隧洞超前地质预报和不良地质条件的超前预处理，以尽可能规避施工风险。

（3） 应注意少量极坚硬岩石对TBM掘进效率的不利影响。

参考文献

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