硬巖地段盾構(gòu)工程地質(zhì)勘察的建議

摘　要　隨著地鐵線路的延伸及建設(shè)力度的加大,穿越硬巖段的盾構(gòu)隧道長度也日益增多。但從目前工程實踐來看,盾構(gòu)機(jī)在通過該段時施工進(jìn)度及難度與預(yù)想有一定差距。從當(dāng)前地質(zhì)勘察現(xiàn)狀及硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具設(shè)計原理出發(fā),對硬巖段盾構(gòu)工程地質(zhì)勘察提出建議。
關(guān)鍵詞　盾構(gòu)　硬巖　勘察　滾刀
　　盾構(gòu)法隧道是利用盾構(gòu)機(jī)連續(xù)進(jìn)行開挖面支護(hù)、土方挖掘、管片拼裝等循環(huán)步驟修建而成的隧道。和傳統(tǒng)的礦山法隧道相比,具有自動化程度高、安全快速等優(yōu)點,已被廣泛地應(yīng)用到城市地鐵及其他市政工程中。
盾構(gòu)機(jī)刀具在盾構(gòu)設(shè)計、施工中有十分重要意義。其直接關(guān)系到工程能否安全、按時、順利地進(jìn)行。根據(jù)目前正在施工的廣州及深圳地鐵建設(shè)經(jīng)驗,隨著城市軌道路網(wǎng)的延伸及建設(shè)力度的加大,盾構(gòu)區(qū)間不僅需穿越常見的軟弱地層,同時還需在部分硬巖地段中通過。因此在刀具選擇上既要考慮在軟巖中開挖的需要,也要考慮在硬巖中的要求。
在刀具布置上一般認(rèn)為刮刀適用于土層及部分軟巖,盤形滾刀(圖1c 、1d) 適用于硬巖,其中單刃滾刀能用在強(qiáng)度很高的巖石中,國外曾有在抗壓強(qiáng)度超過200 MPa 巖石中應(yīng)用的工程記錄。但從目前國內(nèi)施工中所遇到的單軸抗壓強(qiáng)度為120 MPa 巖體所反映的情況來看,此段土壓平衡盾構(gòu)(圖1a) 即使采用了單刃滾刀,其效果與預(yù)想也有一定距離。
土壓平衡盾構(gòu)雖然和硬巖掘進(jìn)機(jī)(圖1b) 在掘進(jìn)方式、機(jī)械總體設(shè)計思路上有較大區(qū)別,但在硬巖段對刀具要求是類似的。本文從當(dāng)前地質(zhì)勘察現(xiàn)狀及硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具設(shè)計原理出發(fā),結(jié)合國外硬巖TBM 工程勘察要求及試驗項目,提出了硬巖地段地質(zhì)勘察建議。

圖1 　盾構(gòu)機(jī)及其刀具
段盾構(gòu)工程的地質(zhì)勘察,有其獨特之處:
1 　盾構(gòu)工程地質(zhì)勘察特點(1) 地質(zhì)勘察報告不僅被設(shè)計部門使用(結(jié)構(gòu)與其他土木工程相比,盾構(gòu)工程,尤其是硬巖地設(shè)計),更重要的是要被工程承包商使用(盾構(gòu)機(jī)選型及詳細(xì)設(shè)計、工期籌劃等) 。(2) 地質(zhì)勘察報告中不僅包括常規(guī)力學(xué)實驗, 還需包括針對盾構(gòu)工法的特殊實驗。甚至不同的盾構(gòu)機(jī)、刀具設(shè)計模型所要求的實驗項目及程序有所不同。(3) 常規(guī)力學(xué)實驗中有效數(shù)據(jù)的判別標(biāo)準(zhǔn)與常見土木工程不同。

2 　硬巖滾刀破巖原理
2. 1 　硬巖滾刀破巖原理　　
硬巖滾刀破巖主要分為以下幾個步驟(圖2) :
(1) 擠壓階段:滾刀在高推力作用下,切入巖石表面(切入深度1～10/15 mm , 取決于巖體強(qiáng)度), 同時巖面產(chǎn)生局部變形及很高的接觸應(yīng)力。并在此應(yīng)力作用下,刀刃與巖石接觸部分的巖體產(chǎn)生粉碎區(qū),即應(yīng)力核心區(qū)(pressure core) 。此核心區(qū)深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。
(2) 起裂階段:沿粉碎區(qū)周邊應(yīng)力大于巖體的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度時,便產(chǎn)生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先決條件。在應(yīng)力核心區(qū)下層是應(yīng)力過渡區(qū)(transition zone) ,該區(qū)為應(yīng)力衰減區(qū),對巖體裂縫的產(chǎn)生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂縫,由于其方向與破巖方向一致,因此也不能顯著地提高破巖效率,但能加大下個循環(huán)中壓入階段應(yīng)力范圍。
(3) 破碎階段:當(dāng)相鄰滾刀的間距使起裂階段產(chǎn)生的裂縫相互連通時,表面部分巖體便被裂縫分割,形成碎片并脫離開挖面。

圖2 　硬巖滾刀破巖過程
2. 2 　破巖影響參數(shù)分析從滾刀破巖全過程分析,有以下因素直接影響裂縫能否形成: 1) 巖石硬度:在刀具擠壓階段,必須保證刀具硬度要高于巖石硬度,才能切入巖石表面,形成必要深度的應(yīng)力核心區(qū)。2) 抗壓強(qiáng)度:刀具切入巖石表面后,當(dāng)應(yīng)力大于巖石抗壓強(qiáng)度(單向應(yīng)力條件) 或抗壓強(qiáng)度與地層主應(yīng)力組合值(三向應(yīng)力條件) 時才能形成粉碎區(qū),以保證裂縫產(chǎn)生位置具有一定深度。3) 抗拉強(qiáng)度:是裂縫形成的力學(xué)原因。
同時根據(jù)以往工程實踐及試驗數(shù)據(jù),以下因素影響破巖效率:1) 脆性/ 塑性:是對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度的綜合評價,適用于抗壓強(qiáng)度較大(小),而抗拉強(qiáng)度較小(大) 巖石。有關(guān)文獻(xiàn)資料顯示在同樣條件下,脆性巖體在擠壓階段所需時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性巖體(約八分之一) 。2) 耐磨性: 本指標(biāo)直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率,是承包商進(jìn)行刀具壽命及備品估算、工期籌劃的主要依據(jù)。根據(jù)國外資料統(tǒng)計在耐磨性小的巖石中,更換刀具時間占總停工時間的3 % , 而在高耐磨 性巖石中有20 % 之多;以每掘進(jìn)1 米時間計算,耐磨性小的巖石為0. 02～0. 05 hr/m , 而高耐磨性巖石則可高達(dá)0. 2 hr/m。
3 　國內(nèi)外TBM 工程勘察
由于國外TBM 工程數(shù)量較多,硬巖強(qiáng)度及特性變化較大,同時在基礎(chǔ)研究上投入較大,因此其水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國內(nèi)。在目前條件下,對其設(shè)備、工藝及技術(shù)進(jìn)行深入研究是減少差距的有效途徑。
3. 1 　國外TBM 工程勘察要求及項目
國外TBM 工程勘察工作一般要為以下幾個方面服務(wù):
(1) 工程總體布置,包括線路及土建的設(shè)計優(yōu)化;
(2) 圍巖穩(wěn)定性分析及襯砌支護(hù)要求;
(3) 不同開挖方式的比選、掘進(jìn)設(shè)備的選擇、施工進(jìn)度、設(shè)備性能預(yù)測;
(4) 環(huán)境影響評估及渣土的處置;
(5) 工程造價及進(jìn)度的估算。
因此其勘察工作主要分兩個方面:
(1) 區(qū)域地質(zhì)調(diào)查:區(qū)域地質(zhì)調(diào)查重點進(jìn)行區(qū)域巖體類別、節(jié)理、裂隙的調(diào)查,包括寬度、傾角、走向(圖3) 。既有工程經(jīng)驗及試驗均驗證了節(jié)理、裂隙等軟弱面對巖體的貫入度(PRev) 及刀具破巖效率有很大影響。

圖3 　隧道與節(jié)理關(guān)系圖
在硬巖TBM 設(shè)計中主要有兩種模型:挪威科學(xué)及技術(shù)大學(xué)模型(N TH) 及美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)校模型(CSM) 。雖然兩種模型在輸入?yún)?shù)、經(jīng)驗公式上有一定差別,但預(yù)測結(jié)果(貫入度、刀具數(shù)量及壽命、掘進(jìn)推力、掘進(jìn)扭矩、掘進(jìn)能耗) 具有較好對比性。在這兩個模型中貫入度都是一個極其重要參數(shù),它直接約束了其他預(yù)測結(jié)果,也是評價所設(shè)計的TBM 是否滿足承包商工期要求的主要指標(biāo)。其中在NTH 模型中,貫入度與滾刀直徑影響系數(shù)Kd 、刀距影響系數(shù)Ka 、節(jié)理、裂隙影響系數(shù)Ks 有關(guān),而節(jié)理、裂隙間距直接制約影響系數(shù)Ks 取值(表1) 。因此國外TBM 工程普遍要求在區(qū)域地質(zhì)圖中反映軟弱面分布的狀況。
表1 　節(jié)理、裂隙間距與影響系數(shù)Ks 對照表

(2) 室內(nèi)試驗:國外室內(nèi)試驗是在總結(jié)多年工程實踐基礎(chǔ)上,經(jīng)過不斷修正、完善而成,內(nèi)容遠(yuǎn)比國內(nèi)齊全,也部分反映了其對破巖機(jī)理認(rèn)識及刀具設(shè)計的思路(表2) 。
表2 　室內(nèi)試驗明細(xì)表

　　說明: ISRM : 國際巖石力學(xué)協(xié)會(International Society for Rock Mechanics) ASTM : 美國實驗及材料協(xié)會(American Society for Testing and Materials) N TH : 挪威科學(xué)及技術(shù)大學(xué)(Norwegian University of Science and Technology) CSM : 美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)校(Colorado School of Mines) DRI : 巖石可鉆性指標(biāo)(Drilling Rate Index) ,根據(jù)S20 值求得CL I : 刀具壽命指標(biāo)(Cutter Life Index) ,由SJ 、AVS 求得國外室內(nèi)試驗特別強(qiáng)調(diào)樣品的真實性,一般通過鉆孔數(shù)量、位置及試驗項目相互校核。硬巖段鉆孔間距一般為15～ 60 m(地層復(fù)雜) ,150～ 300 m (地層簡單) 。在軟巖段為15～30 m(地層復(fù)雜) ,90 ～150 m(地層簡單) 。對于預(yù)測模型中敏感參數(shù)-抗壓強(qiáng)度要與抗拉強(qiáng)度均要通過其內(nèi)在關(guān)系互檢
(見圖4 、5) 。

圖4 　單軸抗壓試驗破壞類型

圖5 　抗拉試驗破壞類型
3. 2 　國內(nèi)盾構(gòu)工程勘察現(xiàn)狀國內(nèi)盾構(gòu)工程特別是硬巖地段盾構(gòu)工程數(shù)量不是很多,而且僅僅在近幾年才出現(xiàn)。目前暫時無專門針對硬巖的勘察規(guī)范。同時由于從事盾構(gòu)工程的勘察單位一般長期開展非盾構(gòu)工程勘察,因此在實驗項目的選擇、實驗數(shù)據(jù)的選取、勘察報告的撰寫與國際常規(guī)做法有一定差距。往往套用一般土建工程的勘察模式,不能對后期施工進(jìn)度、施工安全、施工管理給出可靠參考依據(jù)。甚至由于在某些參數(shù)對工程影響認(rèn)識上的偏差,報告中給出錯誤或相反的數(shù)據(jù)。目前勘察報告對巖石開展的項目主要有密度、凝聚力、內(nèi)摩擦角及抗壓強(qiáng)度。暫時還未開展抗拉試驗,而在抗壓強(qiáng)度取值上存在一些偏差。具體表現(xiàn)在:
(1) 試驗時沒有區(qū)分破壞類型(節(jié)理/ 裂隙破壞,巖石破壞。見圖4) ,剔除無代表性數(shù)據(jù),導(dǎo)致統(tǒng)計基礎(chǔ)不可靠;
(2) 受一般土建工程影響,在試驗時認(rèn)為低值對工程更安全,使勘察報告中數(shù)據(jù)代表性不強(qiáng)。
4 　對當(dāng)前勘察工作的建議
隨著各大城市軌道交通網(wǎng)的逐步完善,線路埋深日益加大;而內(nèi)地城市軌道交通建設(shè)條件也逐漸成熟,硬巖段比例會穩(wěn)定上升。但從上面分析中,我們可以看到在硬巖段盾構(gòu)工程上國內(nèi)外無論是認(rèn)識還是具體實施,均存在較大差別,如對刀具破巖機(jī)理的認(rèn)識差異、對盾構(gòu)機(jī)施工工藝上的理解程度、對巖體不同特性的掌握程度等。如何減少工程造價及工期上風(fēng)險是一個新的課題。作者僅從自己工作體會中提出以下建議:
(1) 根據(jù)盾構(gòu)工程特點及勘察工作目的,盡快組織國內(nèi)科研院校與承包商緊密配合,在實踐中,認(rèn)識、理解國外盾構(gòu)機(jī)、刀具設(shè)計思路及模型,并找出各相關(guān)參數(shù)內(nèi)在關(guān)系,為確定室內(nèi)試驗項目、目的及試驗程序提供理論依據(jù)。
(2) 仔細(xì)分析國外試驗程序,收集試驗數(shù)據(jù),在考慮試驗手段通用性、數(shù)據(jù)可對比性及盾構(gòu)設(shè)計模型要求的前提下,確定可直接引用結(jié)果的試驗項目、需重新試驗項目及操作程序。
(3) 硬巖段增加抗拉強(qiáng)度試驗項目,同時加強(qiáng)抗壓、抗拉試驗過程及數(shù)據(jù)處理監(jiān)督。
(4) 在地質(zhì)柱狀圖中,對裂隙、節(jié)理應(yīng)描述其寬度、傾角;條件允許時,在區(qū)域地質(zhì)圖中增加區(qū)域軟弱面分布內(nèi)容。
(5) 對于目前工程中異常地段應(yīng)在事后進(jìn)行補(bǔ)充勘察,適當(dāng)擴(kuò)大試驗內(nèi)容,分析原因,為今后工程提供參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)
[1 ]　Levent Ozdemir , Bjorn Nilsen. Recommend Laboratory Rock Testing For TBM Projects.
[ 2 ] 　Jamal Rostami , Levent Ozdemir ,Bjorn Nilsen. Comparison Between CSM and NTH Hard Rock TBM Performance Prediction Models.