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1、全断面掘进机施工隧洞的围岩地质条件张之钰 侯 浩（水利部山西水利水电勘测设计研究院）文 摘：我国目前的地下工程围岩分类法，对于全断面隧洞掘进机施工都不完全适用。文中从隧洞掘进机施工的特点和总结山西引黄工程等双护盾式掘进机隧洞施工的经验入手，以GB50086等国家标准为参照，提出以岩体结构、地下水、围岩强度应力比、能否形成围岩承载圈和毛洞稳定情况等为衡量指标的掘进机施工适宜性分类方法。可供同类工程施工、衬砌设计和制订相关标准参考。关键词：掘进机 施工 岩体 围岩 分类法中图分类号：P642 文献标识码：B基于钻爆法施工的传统隧洞设计认为，隧洞支护、衬砌将承担围岩形成的压力，因此支护、衬砌体的设计
2、同围岩类别密切相关。因而在客观上形成了衬砌同围岩类别的对应关系。随着双护盾隧洞掘进机技术在引水工程中广泛应用，人们在实践中逐渐形成了这样的认识：对隧洞围岩而言，TBM的掘进过程基本上属于静态开掘，不仅根本上区别于钻爆法隧洞开挖对围岩的扰动，同时也大大小于基于新奥法施工原则的控制爆破；TBM方法施工的隧洞，支护及时，不会产生围岩的有害变形，这就更接近于新奥法的适时支护原则和现代支护理念。因此，在支护体系同围岩的相互关系上，当然可以认为围岩同支护自然成为共同的承载体系。正因为这样，促使人们不得不重新认识对应于TBM方法施工的围岩类别划分问题。从而在传统围岩划分如何适应掘进机施工的特点，以及同新奥法
3、如何相互借鉴方面寻求出路。本文试图就双护盾式掘进机施工的适宜性围岩分类方法进行探讨。1 地下洞室施工的影响因素地下洞室施工的影响因素，主要有下面四个方面：1）围岩工程地质条件2）洞室断面的大小和形状3）洞室开挖对围岩的扰动4）支护是否及时在基本相同的地质条件下，施工方法不同，各影响因素有很大的不同，如表1所述。表1 地下洞室施工的影响因素影响因素施工方法新奥法掘进机开敞式护盾式洞室的大小和形状320m甚至更大各种形状312m，圆形312m，圆形开挖对围岩的扰动较小很小很小支护是否及时比较及时初期支护及时永久支护不及时及时2 目前国内的地下工程围岩分类（级）2.1 围岩分类的意义围岩是地下工程的
4、建筑环境。围岩质量的好坏和开挖后的稳定程度，是设计施工部门重要的工作依据。因此，通过各种测试手段，得到围岩在工程力作用下反映出来的不同的应力应变特性，进行定性定量的概括，把复杂的围岩归并于几个类别的围岩之中，对每一类围岩提出符合实际的设计依据和施工措施。这就是对围岩分类的目的和意义。2.2 国内的围岩分类目前国内工程围岩分类（级）大致是两条主线：一是以锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001为代表的围岩分级。中国人民解放军总后基建营房部1983年7月军用物资洞库锚喷支护技术规定的围岩分类与之大致相同，总参工程兵1984年9月坑道工程围岩分类方法与之较接近。二是以水利水电工程地质勘察规
5、范GB50287-99为代表的围岩分类。水工建筑物地下开挖工程施工规范SL378-2007、水利水电工程锚喷支护技术规范SL377-2007和水工隧洞设计规范SL279-2002均引用了该标准。以GB50086为代表的围岩分级，是多因素定性与定量指标相结合的分类方法。它以“岩体结构”为统领，将岩体分为块状结构、层状结构、中厚层状结构、软硬岩互层结构、碎裂镶嵌结构和散块状散体状等几种结构，和层间结合情况进行组合，并根据岩石的单轴抗压强度、岩体的强度应力比等，进行级综合分级。还分别对应于各级别的围岩，以跨度510m的毛洞稳定情况进行了定性说明。各类岩体结构在“构造影响程度，结构面发育情况和组合状态
6、”一栏中进行了具体描述。以GB50287-99为代表的围岩工程地质分类是多指标定量分类方法。它以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状五项因素之和的总评分为基本判据，围岩的强度应力比为限定判据判定围岩类别。分为“稳定”、“基本稳定”、“局部稳定性差”、“不稳定”和“极不稳定”等类。并在“支护类型”栏中对大跨度毛洞的支护类型进行了说明。2.3 全断面掘进机隧洞施工的特点显然，目前国内的围岩分类方法对全断面掘进机隧洞施工的借鉴有局限性，也不利于对该种方法施工的隧洞的衬砌设计提供合理可靠的依据。就围岩的工程地质条件来说，全断面掘进机的隧洞施工有如下特点：1）全断面隧
7、道掘进机的施工速度大大快于常规钻爆法，双护盾掘进机更是集中了快速掘进、快速衬砌一次成洞的优点，正常情况下任何一个断面从开挖到衬砌基本完成，延续时间不会超过14d。因此，该方法对围岩自稳时间没有过高的要求。2）全断面隧洞掘进机对围岩的扰动小，其支护又非常及时，更符合新奥法的现代开挖支护理念。3）目前，硬岩掘进机施工的隧道大都为直径510m之间的圆形，最大直径约12m，不需要像大洞室和特大洞室那样对围岩提出更高的要求。4）护盾式掘进机施工，在时间和空间方面都对围岩的观察和地质编录的条件形成了制约，难以按照常规要求进行分项评分来判定围岩类别，从而确定支护类型。5）开敞式掘进机的防护条件、作业条件、支
8、撑条件均不同于护盾式，如在强度很低的岩体条件下将无法有效支撑，以及永久衬砌施作时间过度延后，因此二者在围岩适宜性方面有较大差别。6）任何一条隧道都不可能由均质地层或单一的围岩类别构成。现实可行的方法是，确定某一种占较大比重或对隧洞施工的工期、造价起控制作用的围岩类别作为主体围岩，兼顾其它围岩条件，对掘进机进行个性化设计，这样才能最大限度地发挥掘进机的优势和潜能，取得事半功倍的效果。因此有必要确立“主体围岩”的概念。7）特殊的地质条件往往难以避免，如塌方、大涌水、蠕变岩卡机、基底过软致使机头偏斜、下沉等，对掘进施工会造成很大困扰。一方面，应该总结和积累经验，以便更有效地应对；同时，也应当对此抱持
9、积极和宽容的心态，不能因为局部困难而否定总体的适宜性，相反应当看作是通过对特殊条件下的施工，扩大了掘进机的应用领域。基于上述，目前国内两种围岩分类法中，GB50086以岩体结构为主分类和给定围岩自稳时间这两个对全断面隧道掘进机至关重要的指标，同掘进机施工的特点比较吻合。该分级表简化和归纳后，可得出表2和表3。表2 围岩分级同岩体结构和岩石强度的关系Rb/MPa岩体结构 6060-3030-2030-10整体状、结合良好的厚层状块状、结合较好的中厚层状结合较好的薄层和软硬岩互层状软岩碎裂镶嵌结构结合不良的薄层、软硬岩互层软岩散块状碎裂状散体状表3 围岩级别同毛洞自稳时间的关系围岩级别毛洞稳定情况
10、毛洞跨度/（m）备 注长期稳定。510（812）毛洞跨度括号内数值为总后基建营房部围岩分类表数据数月至数年稳定510（812）稳定一个月以上510（812）稳定数日到一个月5（48）稳定数小时到数日5（48）3 双护盾岩石掘进机隧洞施工的地质条件分类3.1 双护盾掘进机施工的适宜条件分类表的提出为此，我们参考国内现有围岩分类（级）标准，结合双护盾式掘进机施工的特点和我国国内众多隧洞工程应用掘进机施工的丰富经验，尝试提出了以围岩对掘进机施工适宜性为标志，综合岩体结构、地下水、岩体强度应力比、围岩承载圈能否形成和毛洞稳定时间等多项指标加以界定的分类方法。见表4。在该分类表中，引进了新奥法关于衬砌同
11、围岩共同承担荷载的现代支护理念，增加了塑性流变岩等隧洞施工中可能遇到的特殊地质条件，明确了以主体围岩来判定隧洞（或隧洞施工段）总体上是否适宜于掘进机施工，因而更具有指导意义。对于塑性流变岩，由于变形和应力释放的过程相当漫长（山西引黄联接段7#隧洞蠕变岩洞段连续监测8个月未停止地应力调整；有资料介绍蠕变持续时间可长达数年），而施工期相对短暂。考虑蠕变的不均一性，以及难以判断其是否达到了新的平衡，故宜主要采取锚固等加强支护措施。表4 双护盾岩石掘进机隧洞施工的地质条件分类适宜性分类岩体结构地下水围岩强度应力比围岩承载圈毛洞稳定情况围岩类（级）别或其它条件衬砌设计建议（A）适宜整体状、块状及层间结合
12、较好的中厚层状结构影响较小2能够形成围岩承载圈毛洞跨度512m时，可长期或较长时间（一个月以上）稳定，可能有局部掉块、塌落、级（类）围岩轻型管片衬砌回填灌浆碎裂镶嵌结构、胶结的碎裂状结构层间结合较好至一般的薄层和软硬岩互层结构1级（类）围岩和部分级（类）围岩中型管片衬砌回填灌浆（B）困难或很困难塑性流变岩、膨胀岩影响较大0.5有条件形成但不可靠难以稳定，必须及时衬砌，或对围岩加固级（类），高地应力或大埋深重型管片衬砌回填灌浆，必要时采取锚固和固结灌浆散体状结构影响很大，甚至具有决定性不能依赖围岩承载级（类），未胶结的断层破碎带、断层影响带和大型溶洞等泥化岩、影响较大泥岩、页岩、泥灰岩等（C）不
13、适宜湿陷性黄土、膨涨土淤泥、淤泥质土，各种软土说 明1、（A）类作为主体围岩同少量（B）类组合时，总体为适宜；2、（B）类所占比例较大或作为主体围岩同（A）类组合时，总体为不适宜；或采用多种方法分段施工。3、 衬砌用管片的外形尺寸完全相同，表中的轻、中、重型系指其单位体积混凝土中钢筋含量的高低。3.2 山西引黄工程的实践上述分类方法，是在山西引黄工程十多年来采用双护盾式全断面隧洞掘进机施工和衬砌设计的大量实践中总结得出的。山西引黄工程先后使用6台双护盾掘进机，迄今进行了9条、约130km水工隧洞施工。在十多年的施工历程中，经历了各种各样的围岩条件，也遇到过非常复杂棘手的困难地段，从中积累了丰富
14、的经验，也有一些可资借鉴的教训。总体来说，除了蠕变岩和塌方掉块外，绝大部分隧洞段在开挖衬砌后，并没有发现围岩直接作用于衬砌顶、边拱混凝土管片的情况。这说明大多数围岩的自稳时间对于掘进机施工来说是足够的。可以认为这些隧洞段适宜掘进机施工，属于表4中的“A”类。即使是隧洞上覆岩层很薄的浅埋洞段（按照传统方法判定为类），也是可以通过的。如北干1#隧洞强风化的浅埋段，事先安装的2处多点位移计（M201处上覆岩层5.7m，M301上覆岩层10.2m，分别约为隧洞开挖直径的一倍和二倍）显示，掘进机通过时，上方18m深度范围岩体未发生松动变形。但是，也遇到过如表4-1中的“B”、“C”类围岩条件。当遇到断层
15、破碎带、特别是松散无胶结的散体状结构时，确实颇费周折。如南干7#洞通过F65断层时，由于岩体不稳定，加上不当操作，停机处理时间长达60 余天。但最后还是顺利通过了。当遇到塑性流变岩时，也曾发生过卡机事故。如联接段7#隧洞的泥灰岩蠕变洞段，采取盾外扩挖的方法，用时10天即脱困成功，当月进尺还达到了918.024m。据悉，国内其它类似工程也发生过这种情况，也都克服困难解决了。通常认为，在流变岩地段，首先，要发挥掘进机刀盘的扩挖功能（需特别设计扩挖滚刀），以防卡机；围岩流变量大时，可护盾外扩挖。极端情况下在掘进机通过之后，可以拆除衬砌重新浇筑。岩体泥化的极软地层也多次遇到。新近施工的北干1#隧洞，就
16、常常被多次出现的煤系地层中极端软弱的泥岩、碳质泥岩所困扰。此类地层同不断涌出的地下水一起，给施工造成很大的麻烦，有一次甚至因进行事故处理停止掘进三个多月。但经过分析研究，总结各方面的经验教训，以后的施工就相对顺利了。对于上述较难以通过地层的洞段，都分别采取了不同形式的衬砌加强措施，或对围岩进行了加固。正如表4中所述，当“B”类地层成为主体围岩或者占比例较大时，是否采用掘进机施工，就要慎重考虑了，但这种情况似乎并不多见。高地下水压和大涌水的情况也曾遇到过，这对软弱破碎岩体和泥化岩的影响较大，对整体性较好的围岩影响较小，但须做好施工排水。表4中列出了掘进机不适宜施工的土质隧洞。经验表明，对于位于岩
17、石隧洞进出口的土洞段，采用人工开挖和支护更为有利。多数情况下，还可以成为掘进机进入工作面之前的导引洞段。 3.3 双护盾掘进机施工的隧洞衬砌设计上述围岩分类的探索形成过程，对山西引黄工程后期的隧洞设计，也产生了积极的影响，并取得了明显效果。联接段7#隧洞的衬砌设计，借鉴了新奥法隧洞开挖支护理论，改变了以往预制混凝土管片钢筋用量同围岩类别一一对应的思路。对于类和好于类的围岩，设计认为可以充分发挥围岩的自承载能力，从而将衬砌混凝土管片限于构造配筋，并考虑施工安装荷载对管片周边予以加强，称为轻型管片。类围岩和以泥灰岩（整体性较好）为主的类围岩，考虑由衬砌结构同围岩共同承受围岩压力，按照结构力学方法计
18、算配筋，称为中型管片。当遇到断层破碎带、泥化岩段和流变岩段等特殊地质条件时，按照松散体理论，由衬砌结构承受全部山岩压力，使用加强配筋的重型管片。由于重型管片的使用量非常有限，这就大幅降低了总的钢筋用量。工程实施时，可以参考地质勘察的初步围岩分类，安排轻型和中型管片的生产计划。同时，预先生产一定数量的重型管片存放，以供不时之需。此后施工的北干1#隧洞，也大致遵循了这一原则。根据原型观察和监测仪器记录，目前尚未发现管片钢筋混凝土强度不足等异常情况。作者简介：张之钰，1943年生，1962年毕业于山西省水利学校，原副总工程师，教授级高级工程师。收稿日期：2008-06-24Geological Co
19、nditions of Surrounding Rock of Tunnel Constructed by TBMZHANG Zhi-yu HOU HaoAbstract: The classification on Surrounding rock of underground project adopted nowadays by our country is not applicable totally for the tunnel constructed by TBM.In this paper,starting from the character of constructing t
20、unnel by TBM from summarizing the tunnel construction experience obtained by using double-shield TBM in YRDP,referring to the national standard GB 50086,the authors present the suitable classification method for constructing tunnel by TBM.In this method,the judgement indexes include:rock structure,g
21、roundwater,strength-stress ratio of surrounding rock,forming or not forming loading arch of surrrounding rock and tunnel stability without lining.This method can be used as reference for similar projects construction,lining design,as well as for laying down relevant code.Key words: TBM constrction rock body surrounding rock classification