tbm施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究

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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

2、分级(或称分类)方法，大多数是针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

3、.2.1TBM工作条件（工作效率）与隧洞围岩地质因素间的关系在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）

4、与TBM掘进速度间的相关关系。13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30～150MPa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

5、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KⅤ、岩体体积节理数JⅤ、节理平均间距dp等。图3-2TBM刀具磨损与NCB锥体硬度计指数间的关系13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

6、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KⅤ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、

7、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。3.2.2TBM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

8、国内外尚未有较为成熟和统