硬巖地段盾構工程地質勘察的建議

摘　要　隨著地鐵線路的延伸及建設力度的加大,穿越硬巖段的盾構隧道長度也日益增多。但從目前工程實踐來看,盾構機在通過該段時施工進度及難度與預想有一定差距。從當前地質勘察現狀及硬巖掘進機刀具設計原理出發,對硬巖段盾構工程地質勘察提出建議。
關鍵詞　盾構　硬巖　勘察　滾刀
　　盾構法隧道是利用盾構機連續進行開挖面支護、土方挖掘、管片拼裝等循環步驟修建而成的隧道。和傳統的礦山法隧道相比,具有自動化程度高、安全快速等優點,已被廣泛地應用到城市地鐵及其他市政工程中。
盾構機刀具在盾構設計、施工中有十分重要意義。其直接關系到工程能否安全、按時、順利地進行。根據目前正在施工的廣州及深圳地鐵建設經驗,隨著城市軌道路網的延伸及建設力度的加大,盾構區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度很高的巖石中,國外曾有在抗壓強度超過200 MPa 巖石中應用的工程記錄。但從目前國內施工中所遇到的單軸抗壓強度為120 MPa 巖體所反映的情況來看,此段土壓平衡盾構(圖1a) 即使采用了單刃滾刀,其效果與預想也有一定距離。
土壓平衡盾構雖然和硬巖掘進機(圖1b) 在掘進方式、機械總體設計思路上有較大區別,但在硬巖段對刀具要求是類似的。本文從當前地質勘察現狀及硬巖掘進機刀具設計原理出發,結合國外硬巖TBM 工程勘察要求及試驗項目,提出了硬巖地段地質勘察建議。

圖1 　盾構機及其刀具
段盾構工程的地質勘察,有其獨特之處:
1 　盾構工程地質勘察特點(1) 地質勘察報告不僅被設計部門使用(結構與其他土木工程相比,盾構工程,尤其是硬巖地設計),更重要的是要被工程承包商使用(盾構機選型及詳細設計、工期籌劃等) 。(2) 地質勘察報告中不僅包括常規力學實驗, 還需包括針對盾構工法的特殊實驗。甚至不同的盾構機、刀具設計模型所要求的實驗項目及程序有所不同。(3) 常規力學實驗中有效數據的判別標準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 , 取決于巖體強度), 同時巖面產生局部變形及很高的接觸應力。并在此應力作用下,刀刃與巖石接觸部分的巖體產生粉碎區,即應力核心區(pressure core) 。此核心區深度越深、范圍越大對提高破巖效率越明顯。
(2) 起裂階段:沿粉碎區周邊應力大于巖體的抗拉強度或抗剪強度時,便產生張拉裂縫。該裂縫是滾刀能否破巖的先決條件。在應力核心區下層是應力過渡區(transition zone) ,該區為應力衰減區,對巖體裂縫的產生不起控制性作用。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,但能加大下個循環中壓入階段應力范圍。
(3) 破碎階段:當相鄰滾刀的間距使起裂階段產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,形成必要深度的應力核心區。2) 抗壓強度:刀具切入巖石表面后,當應力大于巖石抗壓強度(單向應力條件) 或抗壓強度與地層主應力組合值(三向應力條件) 時才能形成粉碎區,以保證裂縫產生位置具有一定深度。3) 抗拉強度:是裂縫形成的力學原因。
同時根據以往工程實踐及試驗數據,以下因素影響破巖效率:1) 脆性/ 塑性:是對抗壓強度、抗拉強度的綜合評價,適用于抗壓強度較大(小),而抗拉強度較小(大) 巖石。有關文獻資料顯示在同樣條件下,脆性巖體在擠壓階段所需時間遠遠小于塑性巖體(約八分之一) 。2) 耐磨性: 本指標直接關系到盾構機掘進效率,是承包商進行刀具壽命及備品估算、工期籌劃的主要依據。根據國外資料統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0. 2 hr/m。
3 　國內外TBM 工程勘察
由于國外TBM 工程數量較多,硬巖強度及特性變化較大,同時在基礎研究上投入較大,因此其水平遠遠高于國內。在目前條件下,對其設備、工藝及技術進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:
(1) 工程總體布置,包括線路及土建的設計優化;
(2) 圍巖穩定性分析及襯砌支護要求;
(3) 不同開挖方式的比選、掘進設備的選擇、施工進度、設備性能預測;
(4) 環境影響評估及渣土的處置;
(5) 工程造價及進度的估算。
因此其勘察工作主要分兩個方面:
(1) 區域地質調查:區域地質調查重點進行區域巖體類別、節理、裂隙的調查,包括寬度、傾角、走向(圖3) 。既有工程經驗及試驗均驗證了節理、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 　隧道與節理關系圖
在硬巖TBM 設計中主要有兩種模型:挪威科學及技術大學模型(N TH) 及美國科羅拉多礦業學校模型(CSM) 。雖然兩種模型在輸入參數、經驗公式上有一定差別,但預測結果(貫入度、刀具數量及壽命、掘進推力、掘進扭矩、掘進能耗) 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,它直接約束了其他預測結果,也是評價所設計的TBM 是否滿足承包商工期要求的主要指標。其中在NTH 模型中,貫入度與滾刀直徑影響系數Kd 、刀距影響系數Ka 、節理、裂隙影響系數Ks 有關,而節理、裂隙間距直接制約影響系數Ks 取值(表1) 。因此國外TBM 工程普遍要求在區域地質圖中反映軟弱面分布的狀況。
表1 　節理、裂隙間距與影響系數Ks 對照表

(2) 室內試驗:國外室內試驗是在總結多年工程實踐基礎上,經過不斷修正、完善而成,內容遠比國內齊全,也部分反映了其對破巖機理認識及刀具設計的思路(表2) 。
表2 　室內試驗明細表

　　說明: ISRM : 國際巖石力學協會(International Society for Rock Mechanics) ASTM : 美國實驗及材料協會(American Society for Testing and Materials) N TH : 挪威科學及技術大學(Norwegian University of Science and Technology) CSM : 美國科羅拉多礦業學校(Colorado School of Mines) DRI : 巖石可鉆性指標(Drilling Rate Index) ,根據S20 值求得CL I : 刀具壽命指標(Cutter Life Index) ,由SJ 、AVS 求得國外室內試驗特別強調樣品的真實性,一般通過鉆孔數量、位置及試驗項目相互校核。硬巖段鉆孔間距一般為15～ 60 m(地層復雜) ,150～ 300 m (地層簡單) 。在軟巖段為15～30 m(地層復雜) ,90 ～150 m(地層簡單) 。對于預測模型中敏感參數-抗壓強度要與抗拉強度均要通過其內在關系互檢
(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 　國內盾構工程勘察現狀國內盾構工程特別是硬巖地段盾構工程數量不是很多,而且僅僅在近幾年才出現。目前暫時無專門針對硬巖的勘察規范。同時由于從事盾構工程的勘察單位一般長期開展非盾構工程勘察,因此在實驗項目的選擇、實驗數據的選取、勘察報告的撰寫與國際常規做法有一定差距。往往套用一般土建工程的勘察模式,不能對后期施工進度、施工安全、施工管理給出可靠參考依據。甚至由于在某些參數對工程影響認識上的偏差,報告中給出錯誤或相反的數據。目前勘察報告對巖石開展的項目主要有密度、凝聚力、內摩擦角及抗壓強度。暫時還未開展抗拉試驗,而在抗壓強度取值上存在一些偏差。具體表現在:
(1) 試驗時沒有區分破壞類型(節理/ 裂隙破壞,巖石破壞。見圖4) ,剔除無代表性數據,導致統計基礎不可靠;
(2) 受一般土建工程影響,在試驗時認為低值對工程更安全,使勘察報告中數據代表性不強。
4 　對當前勘察工作的建議
隨著各大城市軌道交通網的逐步完善,線路埋深日益加大;而內地城市軌道交通建設條件也逐漸成熟,硬巖段比例會穩定上升。但從上面分析中,我們可以看到在硬巖段盾構工程上國內外無論是認識還是具體實施,均存在較大差別,如對刀具破巖機理的認識差異、對盾構機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) 根據盾構工程特點及勘察工作目的,盡快組織國內科研院校與承包商緊密配合,在實踐中,認識、理解國外盾構機、刀具設計思路及模型,并找出各相關參數內在關系,為確定室內試驗項目、目的及試驗程序提供理論依據。
(2) 仔細分析國外試驗程序,收集試驗數據,在考慮試驗手段通用性、數據可對比性及盾構設計模型要求的前提下,確定可直接引用結果的試驗項目、需重新試驗項目及操作程序。
(3) 硬巖段增加抗拉強度試驗項目,同時加強抗壓、抗拉試驗過程及數據處理監督。
(4) 在地質柱狀圖中,對裂隙、節理應描述其寬度、傾角;條件允許時,在區域地質圖中增加區域軟弱面分布內容。
(5) 對于目前工程中異常地段應在事后進行補充勘察,適當擴大試驗內容,分析原因,為今后工程提供參考依據。

參考文獻
[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.