勘察篇

TBM施工隧洞地质适宜性研究及工程应用

李清波，杨继华 齐三红 杨风威

（黄河勘测规划设计有限公司，河南郑州 450003）

关键词：隧洞　TBM　地质适宜性　指标体系　模糊综合评价　隶属函数

1 引言

TBM隧洞施工具有掘进速度快、安全性高、环境保护好的优点，已在国内外的隧洞工程中得到了广泛的应用。影响TBM掘进效率的因素主要有三个方面：设备因素、人员因素及地质因素。其中，前两个因素是主观因素，可以通过设备改造、人员培训、施工组织优化等做到最优；地质因素是客观因素，隧洞线路一经确定，地质条件就客观存在，施工过程中只有适应地质条件。

地质条件对TBM掘进效率影响较大，国内外的TBM施工实践表明，在适宜的地质条件下，TBM可以获得较高的掘进速度，当地质条件不适宜时，TBM掘进缓慢，严重时，TBM受困，造成投资增加、工期延误等严重后果。因此，研究TBM的地质适宜性对TBM选型、TBM设备设计、施工组织设计、投资、工期等具有重要的意义。

国内的TBM隧洞施工已有30余年的历史，针对TBM 的地质适宜性及掘进效率问题，较多学者开展了相关的研究。王旭等通过岩体分类预测了TBM 的掘进效率；何发亮、吴煜宇等研究了岩石的单轴抗压强度、岩体完整性及岩石耐磨性等因素对TBM掘进效率的影响，并以此为根据，进行了基于TBM掘进效率的围岩分类；闫长斌等研究了岩石中石英含量变化对TBM 施工的影响；廖建明等以锦屏二级水电站引水隧洞开敞式TBM施工为背景，针对涌水对TBM施工的影响，提出了高压大流量地下涌水的施工方案。国内的相关规范亦对TBM的地质适宜性提出了判定标准，如SL629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》附录C中采用岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、围岩强度应力比3个指标，将TBM的地质适宜性分为适宜、基本适宜、适宜性差3个级别。由以上的研究可以看出，目前的研究多集中在单个或几个地质因素方面，实际上TBM的地质适宜性受多种地质因素的影响，TBM的掘进效率是多种地质因素综合作用的结果，因此目前的研究和相关规范并不能对TBM的地质适宜性进行全面的评价。

针对此问题，本文以SL 629—2014附录C的TBM地质适宜性判定所选的指标为基础，参考国内外的相关研究成果及工程，补充相关指标，建立TBM地质适宜性评价的指标体系，采用模糊综合评价方法，研究各评价指标不同取值条件下的地质适宜性等级，最后应用到兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM地质适宜性评价中。

2 TBM地质适宜性评价指标体系

影响TBM隧洞地质适宜性的因素较多，根据SL 629—2014附录C的规定，并参考国内外的研究成果及相关工程经验，选择岩石单轴抗压强度、岩体完整性、围岩强度应力比、岩石的石英含量及地下水渗流量5个指标。

2.1 岩石单轴抗压强度

TBM掘进过程中，TBM的掘进速度等于滚刀贯入度与刀盘转速的乘积，而滚刀的贯入度与岩石单轴抗压强度（R_c）直接相关，理论上R_c值越低，在推力一定的条件下TBM滚刀贯入度越高，其掘进速度也越高；反之，R_c值越高，TBM滚刀贯入度越低，掘进速度就越低。但实际上如果R_c值太低，TBM掘进后围岩的自稳时间极短，甚至不能自稳引起塌方或围岩快速收敛变形等灾害，导致停机处理，从而降低掘进速度。因此当R_c值在一定范围内时，TBM既能保持一定的掘进速度，又能使隧洞围岩在一定时间内保持自稳。目前大多数TBM在R_c=50～80MPa的岩石中掘进具有较高的效率；当R_c＞80MPa时，掘进效率随着R_c值的增加而降低；当R_c＜50MPa时，掘进效率随着R_c值的降低而降低。

2.2 岩体完整性

TBM盘形滚刀压入岩石，在岩石中形成微裂纹，当相邻滚刀间的裂纹贯通时，就会形成岩片剥落。一般情况下，裂纹的扩展速度随着滚刀贯入度的增加而增加，为获得较大的滚刀贯入度就需要提高刀盘推力。如果围岩中本身存在一些结构面（节理、层理、片理等），则岩片会沿着结构面剥落，此时TBM不需要较大的推力即可有较高的破岩效率，因此岩体中结构面越发育，TBM的破岩效率越高。但如果岩体中结构面特别发育，此时TBM虽然能获得很高的破岩效率，但围岩自稳能力差，往往需要停机对围岩进行支护加固，反而会降低TBM的掘进效率。当岩体结构面不发育时，此时TBM破岩完全依赖于滚刀的作用，掘进效率也会降低。岩体的结构面发育程度一般用岩体的完整性系数K_v来表示，岩体的完整性系数过高或过低都会影响TBM掘进，其在一定范围内时才有利于TBM的掘进。实践表明，岩体完整性系数在0.5～0.6时TBM具有较高的掘进效率。当大于0.6时，掘进效率随完整性系数的增加而降低；当小于0.5时，随着完整性系数的增加而提高。

2.3 围岩强度应力比

围岩的强度应力比可用式(1)表示：

式中 R_c——岩石饱和单轴抗压强度,MPa；

K_v——岩体完整性系数；

σ_m——围岩的最大主应力,MPa，当无实测资料时可以自重应力代替。

围岩强度应力比对TBM掘进有一定的影响，当强度应力比较低时，对于硬岩，易发生岩爆，对于软岩，易发生收敛变形。岩爆直接威胁到施工人员的人身安全、设备安全，导致TBM掘进速度降低，初期支护难度、工程量、时间、成本大幅度增加，极强岩爆可能会造成机毁人亡的严重后果。软岩收敛变形会侵占隧洞断面，造成初期支护破坏，当采用护盾式TBM施工时，收敛变形的围岩会抱死护盾，造成卡机事故，处理起来十分困难。因此围岩的强度应力比越高对TBM的掘进越有利。

2.4 岩石的石英含量

岩石中的石英矿物硬度高，耐磨性强，石英的维氏硬度HV为800～1100，而TBM滚刀刀圈钢质材料的维氏硬度HV仅为500～700，其对TBM掘进的影响在于增大滚刀的磨损量。当滚刀更换量大时，会造成两个方面的后果：一是占用掘进时间，降低了设备利用率，影响施工速度；二是滚刀及刀圈价格高，大量换刀会增加施工成本。因此岩石中的石英含量越低对TBM掘进越有利。

2.5 地下水渗流量

地下水的渗流量和渗水范围对TBM掘进效率有一定程度的影响。地下水对TBM掘进的影响主要有以下几个方面：软化岩石，降低岩石的强度及围岩的稳定性，对遇水崩解的岩石影响最为严重；在大涌水量的情况下，地下水会携带岩渣涌入洞内，影响支护和衬砌工作的进行，TBM必须停机进行排、堵水处理；当隧洞无法自流排水时，需要人工排水，增加施工成本；TBM设备受地下水的冲淋或浸泡，会造成TBM施工条件和工作环境能会变得恶劣，设备故障率增加，进而降低TBM的掘进效率；TBM有被地下水淹没的风险。因此，地下水涌流量越小对TBM掘进越有利。

2.6 指标体系的建立

影响TBM适宜性的地质因素主要有岩石单轴抗压强度、岩体完整性、围岩强度应力比、岩石的石英含量及地下水涌流量等，根据相关研究成果及规范，并参考国内外的工程实践，将TBM的地质适宜性分为4个等级，即适宜、基本适宜、适宜性差及不适宜。TBM在各适宜性条件下的评价如下。适宜：TBM可获得很高的掘进速度，平均日进尺在30m以上，不会因为地质条件的原因停机。基本适宜：TBM掘进速度一般，平均日进尺10～30m，需要停机进行围岩支护或不良地质条件处理。适宜性差：TBM掘进速度低，平均日进尺2～10m，停机支护或不良地质条件处理的时间超过掘进时间。不适宜：TBM掘进速度极低，平均日进尺低于2m，即使进行超前处理，TBM也难以通过。TBM地质适宜性各等级对应不同地质因素的指标见表1。

3 TBM地质适宜性的模糊综合评价

3.1 TBM地质适宜评价的模糊性

由表1可以看出，TBM地质适宜各等级均对应不同地质因素的量值，但由于岩体的复杂性，各指标变化较大，可能存在不同指标对应不同适宜性等级的情况，如某种岩体的岩石单轴抗压强度为80MPa、岩体完整性系数为0.8、地下水渗流量为大于125L/（min·10m），则其对应的TBM地质适宜性等级分别为适宜、适宜性差、不适宜，这就造成了无法直接进行TBM地质适宜性综合评价的情况，亦即说明TBM地质适宜性评价具有“模糊性”的特点。

为解决上述问题，本文采用以模糊数学为基础的综合评价的方法对TBM的地质适宜性进行综合评价。模糊数学是研究和处理具有模糊性现象的数学理论和方法，在近年来应用越来越广泛。

TBM地质适宜性的模糊综合评价方法如下：建立评价因素集，构建各因素重要性程度的判断矩阵，确定各因素的权重系数，最后确定待评价目标的隶属函数。

3.2 评价因素集的建立

按照表1，评价TBM地质适宜性的地质因素有5个，可以用集合表示为

式中 u₁——岩石单轴抗压强度;

u₂——岩体完整性系数;

u₃——围岩强度应力比;

u₄——岩石的石英含量;

u₅——地下水渗流量。

3.3 确定各因素的权重

因素权重的确定采用层次分析法，其原理是先把n个评价因素排列成一个n阶矩阵，然后对各因素的重要程度进行两两比较，矩阵中元素值由各因素的重要程度来确定，再计算出判断矩阵的最大特征根和其对应的特征向量，其特征向量即为所求的权重值。两因素之间的重要程度比较和对应值由层次分析法确定，见表2。

本文根据国内外相关研究成果及工程经验，得出判断矩阵,见式（3）

3.4 判断矩阵特征根及特征向量计算

（1）计算判断矩阵每行元素的乘积W_i：

则W₁=525，W₂=4，W₃=0.1，W₄=0.0357，W₅=0.0667。

（2）计算W_i的n次方根M_i：

M_i=，M₁=3.450，M₂=1.320，M₃=0.631，M₄=0.514，M₅=0.582。（3）归一化处理向量：

特征向量A为

最大特征根

（4）一致性检验计算：

查随机性指标C_R数值表可知，当n=5时，C_R=1.12，则

上式表明判断矩阵的一致性达到了要求，因此向量A的各个分量可以作为相应评价因素的权重系数。

3.5 隶属函数的确定

根据所要解决问题的实际特征，参照文献［21］的研究方法，采用菱形隶属函数按照式（7）建立代表评价因素隶属度的函数。

式中 a₁，a₂，a₃——参数，表示各子集的区间边界。

以岩石的石英含量为例，建立其隶属函数，如下式所示。其余因素的隶属函数与其类似，限于篇幅有限，本文略去。

子集1——“适宜”。

子集2——“基本适宜”。

子集3——“适宜性差”。

子集4——“不适宜”。

4 工程应用

4.1 工程概况

兰州市水源地建设工程输水隧洞全长31.27km，设计开挖洞径5.46m，采用钻爆法和TBM联合施工，其中TBM施工段长约22.5km。输水隧洞埋深120～920m，平均埋深约400m，隧洞沿线的主要地层岩性依次为：前震旦系马衔山群（AnZmx⁴）黑云石英片岩、角闪片岩，奥陶系上中统雾宿山群（O_2-3wx²）变质安山岩、玄武岩，白垩系下统河口群（K₁hk¹）泥质砂岩。隧洞沿线横穿F₃、F₄及F₈三条断层，断层规模较大，宽度大于30m，断层与洞线正交或者斜交，倾角较陡，主断层带一般由断层角砾岩及碎裂岩组成，围岩稳定性差。隧洞沿线地下水发育，局部破碎围岩洞段发生涌水的可能性较大。典型洞段的围岩地质因素指标见表3。

4.2 TBM地质适宜性的模糊综合评价

（1）评价因素集合：

式中 u₁,u₂,u₃,u₄,u₅——各包含一个指标。

（2）选择评语集：

式中 v₁——“适宜”;

v₂——“基本适宜”;

v₃——“适宜性差”;

v₄——“不适宜”。

（3）单因素评价：以表3中序号1洞段为例，将评价因素值代入式（7）隶属函数中，可得各因素对应不同稳定状态的隶属度矩阵M。

（4）各因素的权重向量：

（5）综合评价：

计算其结果并对结果进行归一化处理，则

可以看出，表3中序号1洞段对应TBM地质适宜性评价等级中的 “适宜”的隶属度最大，因此可判定本段隧洞的TBM地质适宜性评价为适宜。参照以上计算方法，对表3中序号2～10洞段分别进行计算，并通过实际TBM掘进情况进行验证，计算结果及验证情况见表4。由表4可知，兰州市水源地建设工程输水隧洞的典型洞段TBM地质适宜性的模糊综合评价结果与开挖实际吻合较好，说明本文所采用的评价方法是合适的。

5 结语

（1）TBM的地质适宜性受多种地质因素的影响，其中岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、围岩强度应力比、岩石的石英含量及地下水渗流量5个因素对其影响最大，在TBM地质适宜性评价中应对这5个因素加以重视。

（2）隧洞围岩具有复杂多变性，各地质因素的指标变化较大，存在不同指标对应不同TBM地质适宜性等级的情况，地质因素与地质适宜性具有一定的模糊性质，无法采用精确的关系式来表达。采用模糊综合评价方法，建立地质适宜性的多因素评价模型，通过最大隶属度计算，对地质适宜性进行定量评价，可以得到较为合理的结果。

（3）本文通过相关研究成果及工程实践，建立了TBM地质适宜性评价的地质因素指标体系，但所参考的数据不多，在下一步的研究中，可广泛收集国内外的TBM隧洞的实践数据，进一步完善各指标的取值，以使评价结果更为准确。

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