TBM施工条件下深埋隧洞围岩分类研究——以锦屏二级水电站为例

摘要

二十一世纪,在水利水电建设中,往往需要开挖地下隧洞,与围岩稳定密切相关的重要依据是及时而准确的围岩类别。合理的围岩类别划分模式不仅能保证施工过程安全顺利进行,同时也能提高效益、降低成本,所以围岩分类研究具有重要的意义。本文的工程实例锦屏二级水电站引水隧洞长约17km,开挖洞径13m,最大埋深为2525m,地应力值达70MPa以上,外水压力大于10MPa,具有埋深大、洞线长、洞径大及高地应力、高外水压力的特征。此外,锦屏电站4条引水隧洞与相邻钻爆法施工的长探洞、辅助洞不同,其中1＃和3#引水隧洞采用TBM施工,一次成洞,断面为圆形；2#和4#引水隧洞采用钻爆法施工,分两步开挖,断面为四心圆马蹄形。引水隧洞跨度大,现场量测、观察难度较大,尤其是TBM施工掘进速度快,支护跟进迅速。本文的研究重点便是施工迅速的TBM洞段。TBM在硬岩隧洞中的掘进迅速,成洞断面光滑,非常规钻爆法可以比拟,此外在TBM施工过程中掌子面与刀盘护盾之间5.5m的距离未能观测,这就失去了围岩类别划分的及时性。在锦屏二级水电站引水隧洞设计和施工阶段,准确评价隧洞围岩类别进行围岩支护加固设计是引水隧洞安全运营必不可少的条件,在这种复杂地质条件下,这一问题更为突出。因此,针对TBM开挖过程遇到的各种问题、影响因素进行分析,尽快建立适合于工程区TBM开挖隧洞的围岩分类体系十分重要。
　　 进行TBM施工隧洞围岩分类研究,本文主要采用常用地质因素分析、数据采集相关性分析、回归拟合分析等三种方法。首先对引水隧洞线路区工程地质条件进行详细的介绍；其次对引水隧洞钻爆法、TBM施工法已揭露的围岩进行统计分析,为论文后续章节TBM掘进参数与地质因素的动态研究提供参考；最后收集大量的TBM每一进程的掘进参数进行筛选分析,找出影响工程地质因素明显的掘进参数来建立地质因素与掘进参数的过渡模式。按照前述的步骤,为了建立灵活适用的分类体系,论文的研究采取掘进参数本身、地质因素与参数结合两种模式来分析,采用反分析及趋势分析等手段选出最佳的分类模型。
　　 综上所述,本文通过地质因素分析、数据采集相关性分析、回归拟合分析三种方法,对锦屏二级水电站TBM施工条件下深埋隧洞围岩分类进行分析研究,主要得出以下结论:
　　 首先,地质因素的采集对比表明,TBM施工的隧洞与相同地质条件下钻爆法施工的洞室在成洞形态上差别很大,其中包括围岩面的光滑度,节理的揭露、延伸、张开状况等,那么常规的围岩分类方法在TBM施工的洞室不适合。
　　 其次,通过长时间对TBM施工的隧洞进行跟踪,机器每一回次掘进都会产生大量的参数(在此称之为掘进参数),主要有刀盘转速、刀盘推力、滚刀贯入度、扭矩、后备套拉力等。这些参数随着地质因素的变化而动态的变化,其中机器操作手有微小的影响。以TBM每一进程为围岩段来分析地质因素得到刀盘转速、刀盘推力、滚刀贯入度、扭矩这几个参数与地质因素(岩石单轴抗压强度、岩体完整程度)关系密切,可以作为研究的重点。
　　 最后,通过对现有数据的分析采用相关性分析和回归分析分别建立了掘进参数本身、参数与地质因素结合两种围岩分类模型。建立模型的核心思想首先考虑快速做出判断。其次,模型具有可预测性以满足掌子面与护盾间5.5m隐藏围岩段的判断。所以依据已经贯穿的辅助洞的资料在后面的评判模型中加入了岩石单轴抗压强度这一因素来提高模型的准确性,岩石强度的引入首先是可获得且数值准确,其次岩石强度对洞室的稳定影响较大,与TBM的掘进也密切相关。
　　 综上,在工程实践和长时间跟踪观测基础上,综合分析TBM法隧洞的围岩地质条件对TBM掘进过程的影响,提出一种基于TBM掘进参数为主的围岩类别判别方法。目前研究思路确立的模型:一是单纯TBM掘进参数的模型,二是依据工程特点岩石单轴抗压强度与掘进参数结合的判别模型。这种思想模型的建立可将TBM的实时工作参数输入到回归公式中,实现岩体类别的判别,从而达到了硬岩中TBM掘进快速围岩类别判别及时的效果