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1、TBM施工條件下的隧洞圍巖分級方法的研究章元愛，梅志榮，張軍偉中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都市西月城街118號，610031摘要：TBM的設(shè)計制造關(guān)鍵詞：TBM圍巖分級TBM的設(shè)計制造及使用效率(工作條件或稱工作效率)與隧洞圍巖的地質(zhì)因素密切相關(guān)，這是國內(nèi)外同行的共識。TBM施工能否盡可能高地發(fā)揮其應(yīng)有的作用，并達(dá)到安全、快速掘進(jìn)的目標(biāo)，主要取決于TBM的工作條件，即取決于TBM的工作對象——隧洞工程巖體(隧洞圍巖)工程地質(zhì)條件的好壞，人們對隧洞圍巖和TBM開挖特性的認(rèn)識，以及在此基礎(chǔ)上所進(jìn)行的與地質(zhì)條件相適應(yīng)的TBM配套機(jī)具的準(zhǔn)備是否充分。當(dāng)今流行的隧洞圍巖
2、分級(或稱分類)方法，大多數(shù)是針對隧洞圍巖穩(wěn)定性評價和支護(hù)設(shè)計而提出的，難以滿足TBM施工條件下的隧洞施工需要已是不爭的事實。TBM施工條件下的隧洞圍巖分級主要針對工程巖體的可掘進(jìn)性，即根據(jù)圍巖的主要地質(zhì)因素與TBM工作效率的關(guān)系來劃分。因此，純粹套用以評估圍巖穩(wěn)定性為主的隧洞圍巖分級方法來進(jìn)行TBM施工條件下的隧洞圍巖等級劃分顯然是不恰當(dāng)?shù)摹Ｄ壳?，國?nèi)外尚未有一個公認(rèn)的TBM施工條件下的隧洞圍巖分級方法，開展TBM施工條件下的隧洞圍巖分級方法的研究無論是對隧洞圍巖分級方法的進(jìn)一步拓展，還是對指導(dǎo)以后的TBM隧洞工程施工，均將具有重要的科學(xué)技術(shù)價值和實用價值。3
3、.2.1TBM工作條件（工作效率）與隧洞圍巖地質(zhì)因素間的關(guān)系在圍巖穩(wěn)定性等級劃分的基礎(chǔ)上，影響TBM工作條件的主要地質(zhì)因素有4個：巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）、巖體的完整程度(裂隙化程度)、巖石的耐磨性和巖石的硬度。根據(jù)這四個地質(zhì)因素進(jìn)行TBM施工條件下的隧洞圍巖分級，符合TBM施工條件下隧洞圍巖分級主要應(yīng)針對工程巖體可掘進(jìn)性的原則要求。（1）巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）眾所周知，TBM是利用巖石的抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度明顯小于其抗壓強(qiáng)度這一特征而設(shè)計的。一般采用巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）來判斷TBM工作條件下隧洞圍巖開挖的難易程度。圖3-1是巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）
4、與TBM掘進(jìn)速度間的相關(guān)關(guān)系。13圖3-1巖石的單軸抗壓強(qiáng)度（Rc）與TBM掘進(jìn)速度間的相關(guān)關(guān)系顯然，Rc越低，TBM的掘進(jìn)速度越高，則掘進(jìn)越快；Rc越高，TBM的掘進(jìn)速度越低，則掘進(jìn)越慢。但是，Rc太低，TBM掘進(jìn)后圍巖的自穩(wěn)時間極短，甚至不能自穩(wěn)。Rc值在一定范圍內(nèi)時，TBM的掘進(jìn)既能保持一定的速度，又能使隧洞圍巖在一定時間內(nèi)保持自穩(wěn)，這就是當(dāng)前大多數(shù)TBM適用于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc值為30～150MPa的中等堅硬巖石和堅硬巖石的主要原因。（2）巖石的硬度和耐磨性一般來說，巖石的硬度越高，其耐磨性越好，對TBM刀具的磨損就越大。圖3-2揭示了TBM刀具磨損
5、與NCB錐體硬度計指數(shù)間的關(guān)系。（3）巖體結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度（完整程度）巖體中結(jié)構(gòu)面(節(jié)理、層理、片理、大小斷層)的發(fā)育程度，即巖體的裂隙化程度或巖體的完整程度是影響TBM工作效率的又一重要地質(zhì)因素?？v觀各表征巖體完整程度的指標(biāo)，較普遍選用的有巖體完整性系數(shù)KⅤ、巖體體積節(jié)理數(shù)JⅤ、節(jié)理平均間距dp等。圖3-2TBM刀具磨損與NCB錐體硬度計指數(shù)間的關(guān)系13巖體結(jié)構(gòu)面越發(fā)育，密度越大，節(jié)理間距越小則巖體完整性系數(shù)越小，TBM掘進(jìn)速度就越高。但當(dāng)巖體結(jié)構(gòu)面特別發(fā)育，結(jié)構(gòu)面密度極大，也即結(jié)構(gòu)面間距極小，巖體完整性系數(shù)很小時，巖體已呈碎裂狀或松散狀，巖體強(qiáng)度極低，作為隧洞
6、工程巖體已不具自穩(wěn)能力，在此類圍巖中進(jìn)行TBM的施工，其掘進(jìn)速度非但不會提高，反會因?qū)Σ环€(wěn)定圍巖進(jìn)行的大量加固處理而大大降低(如圖3-3所示)。圖3-3巖體完整性系數(shù)KⅤ與TBM純掘進(jìn)速度的關(guān)系（4）其他因素除上述影響TBM工作效率的主要地質(zhì)因素外，巖體主要結(jié)構(gòu)面或稱優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧洞軸線間的組合關(guān)系、圍巖的初始地應(yīng)力狀態(tài)、巖體的含水、出水狀態(tài)等對TBM工作效率也有一定的影響。巖體主要結(jié)構(gòu)面或稱優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面的產(chǎn)狀與隧洞軸線間的組合關(guān)系對TBM工作效率的影響，主要表現(xiàn)為組合關(guān)系對圍巖穩(wěn)定性的影響，進(jìn)而影響TBM的工作效率。當(dāng)圍巖處于高地應(yīng)力狀態(tài)下，且圍巖為堅硬、
7、脆性、較完整或完整巖體時，極有可能發(fā)生巖爆災(zāi)害，災(zāi)害嚴(yán)重時，將危及TBM和施工人員的安全。若圍巖為軟巖，則圍巖將產(chǎn)生較大的變形。二者均將給TBM的掘進(jìn)施工帶來極大的困難。巖體的含水、出水狀態(tài)對TBM工作效率的影響視含水量和出水量的大小及含、出水圍巖的范圍和含、出水圍巖是硬質(zhì)巖還是軟質(zhì)巖而定。一般來說，富含水和涌漏水地段的圍巖強(qiáng)度會有不同程度的降低，特別是軟質(zhì)巖的強(qiáng)度要降低很多，致使圍巖的穩(wěn)定性降低，影響TBM的工作效率。此外，大量的隧洞涌漏水，必將惡化TBM的工作環(huán)境，降低TBM的工作效率。3.2.2TBM隧洞的圍巖分級TBM施工條件下隧洞圍巖等級的劃分，目前在
8、國內(nèi)外尚未有較為成熟和統(tǒng)
