硬岩地段盾构工程地质勘察的建议
摘 要 随着地铁线路的延伸及建设力度的加大,穿越硬岩段的盾构隧道长度也日益增多。但从目前工程实践来看,盾构机在通过该段时施工进度及难度与预想有一定差距。从当前地质勘察现状及硬岩掘进机刀具设计原理出发,对硬岩段盾构工程地质勘察提出建议。
关键词 盾构 硬岩 勘察 滚刀
盾构法隧道是利用盾构机连续进行开挖面支护、土方挖掘、管片拼装等循环步骤修建而成的隧道。和传统的矿山法隧道相比,具有自动化程度高、安全快速等优点,已被广泛地应用到城市地铁及其他市政工程中。
盾构机刀具在盾构设计、施工中有十分重要意义。其直接关系到工程能否安全、按时、顺利地进行。根据目前正在施工的广州及深圳地铁建设经验,随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大,盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层,同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要,也要考虑在硬岩中的要求。
在刀具布置上一般认为刮刀适用于土层及部分软岩,盘形滚刀(图1c 、1d) 适用于硬岩,其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中,国外曾有在抗压强度超过200 MPa 岩石中应用的工程记录。但从目前国内施工中所遇到的单轴抗压强度为120 MPa 岩体所反映的情况来看,此段土压平衡盾构(图1a) 即使采用了单刃滚刀,其效果与预想也有一定距离。
土压平衡盾构虽然和硬岩掘进机(图1b) 在掘进方式、机械总体设计思路上有较大区别,但在硬岩段对刀具要求是类似的。本文从当前地质勘察现状及硬岩掘进机刀具设计原理出发,结合国外硬岩TBM 工程勘察要求及试验项目,提出了硬岩地段地质勘察建议。
图1 盾构机及其刀具
段盾构工程的地质勘察,有其独特之处:
1 盾构工程地质勘察特点(1) 地质勘察报告不仅被设计部门使用(结构与其他土木工程相比,盾构工程,尤其是硬岩地设计),更重要的是要被工程承包商使用(盾构机选型及详细设计、工期筹划等) 。(2) 地质勘察报告中不仅包括常规力学实验, 还需包括针对盾构工法的特殊实验。甚至不同的盾构机、刀具设计模型所要求的实验项目及程序有所不同。(3) 常规力学实验中有效数据的判别标准与常见土木工程不同。
2 硬岩滚刀破岩原理
2. 1 硬岩滚刀破岩原理
硬岩滚刀破岩主要分为以下几个步骤(图2) :
(1) 挤压阶段:滚刀在高推力作用下,切入岩石表面(切入深度1～10/15 mm , 取决于岩体强度), 同时岩面产生局部变形及很高的接触应力。并在此应力作用下,刀刃与岩石接触部分的岩体产生粉碎区,即应力核心区(pressure core) 。此核心区深度越深、范围越大对提高破岩效率越明显。
(2) 起裂阶段:沿粉碎区周边应力大于岩体的抗拉强度或抗剪强度时,便产生张拉裂缝。该裂缝是滚刀能否破岩的先决条件。在应力核心区下层是应力过渡区(transition zone) ,该区为应力衰减区,对岩体裂缝的产生不起控制性作用。在刀刃正下方分布有主裂缝,由于其方向与破岩方向一致,因此也不能显著地提高破岩效率,但能加大下个循环中压入阶段应力范围。
(3) 破碎阶段:当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时,表面部分岩体便被裂缝分割,形成碎片并脱离开挖面。
图2 硬岩滚刀破岩过程
2. 2 破岩影响参数分析从滚刀破岩全过程分析,有以下因素直接影响裂缝能否形成: 1) 岩石硬度:在刀具挤压阶段,必须保证刀具硬度要高于岩石硬度,才能切入岩石表面,形成必要深度的应力核心区。2) 抗压强度:刀具切入岩石表面后,当应力大于岩石抗压强度(单向应力条件) 或抗压强度与地层主应力组合值(三向应力条件) 时才能形成粉碎区,以保证裂缝产生位置具有一定深度。3) 抗拉强度:是裂缝形成的力学原因。
同时根据以往工程实践及试验数据,以下因素影响破岩效率:1) 脆性/ 塑性:是对抗压强度、抗拉强度的综合评价,适用于抗压强度较大(小),而抗拉强度较小(大) 岩石。有关文献资料显示在同样条件下,脆性岩体在挤压阶段所需时间远远小于塑性岩体(约八分之一) 。2) 耐磨性: 本指标直接关系到盾构机掘进效率,是承包商进行刀具寿命及备品估算、工期筹划的主要依据。根据国外资料统计在耐磨性小的岩石中,更换刀具时间占总停工时间的3 % , 而在高耐磨 性岩石中有20 % 之多;以每掘进1 米时间计算,耐磨性小的岩石为0. 02～0. 05 hr/m , 而高耐磨性岩石则可高达0. 2 hr/m。
3 国内外TBM 工程勘察
由于国外TBM 工程数量较多,硬岩强度及特性变化较大,同时在基础研究上投入较大,因此其水平远远高于国内。在目前条件下,对其设备、工艺及技术进行深入研究是减少差距的有效途径。
3. 1 国外TBM 工程勘察要求及项目
国外TBM 工程勘察工作一般要为以下几个方面服务:
(1) 工程总体布置,包括线路及土建的设计优化;
(2) 围岩稳定性分析及衬砌支护要求;
(3) 不同开挖方式的比选、掘进设备的选择、施工进度、设备性能预测;
(4) 环境影响评估及渣土的处置;
(5) 工程造价及进度的估算。
因此其勘察工作主要分两个方面:
(1) 区域地质调查:区域地质调查重点进行区域岩体类别、节理、裂隙的调查,包括宽度、倾角、走向(图3) 。既有工程经验及试验均验证了节理、裂隙等软弱面对岩体的贯入度(PRev) 及刀具破岩效率有很大影响。
图3 隧道与节理关系图
在硬岩TBM 设计中主要有两种模型:挪威科学及技术大学模型(N TH) 及美国科罗拉多矿业学校模型(CSM) 。虽然两种模型在输入参数、经验公式上有一定差别,但预测结果(贯入度、刀具数量及寿命、掘进推力、掘进扭矩、掘进能耗) 具有较好对比性。在这两个模型中贯入度都是一个极其重要参数,它直接约束了其他预测结果,也是评价所设计的TBM 是否满足承包商工期要求的主要指标。其中在NTH 模型中,贯入度与滚刀直径影响系数Kd 、刀距影响系数Ka 、节理、裂隙影响系数Ks 有关,而节理、裂隙间距直接制约影响系数Ks 取值(表1) 。因此国外TBM 工程普遍要求在区域地质图中反映软弱面分布的状况。
表1 节理、裂隙间距与影响系数Ks 对照表
(2) 室内试验:国外室内试验是在总结多年工程实践基础上,经过不断修正、完善而成,内容远比国内齐全,也部分反映了其对破岩机理认识及刀具设计的思路(表2) 。
表2 室内试验明细表
说明: ISRM : 国际岩石力学协会(International Society for Rock Mechanics) ASTM : 美国实验及材料协会(American Society for Testing and Materials) N TH : 挪威科学及技术大学(Norwegian University of Science and Technology) CSM : 美国科罗拉多矿业学校(Colorado School of Mines) DRI : 岩石可钻性指标(Drilling Rate Index) ,根据S20 值求得CL I : 刀具寿命指标(Cutter Life Index) ,由SJ 、AVS 求得国外室内试验特别强调样品的真实性,一般通过钻孔数量、位置及试验项目相互校核。硬岩段钻孔间距一般为15～ 60 m(地层复杂) ,150～ 300 m (地层简单) 。在软岩段为15～30 m(地层复杂) ,90 ～150 m(地层简单) 。对于预测模型中敏感参数-抗压强度要与抗拉强度均要通过其内在关系互检
(见图4 、5) 。
图4 单轴抗压试验破坏类型
图5 抗拉试验破坏类型
3. 2 国内盾构工程勘察现状国内盾构工程特别是硬岩地段盾构工程数量不是很多,而且仅仅在近几年才出现。目前暂时无专门针对硬岩的勘察规范。同时由于从事盾构工程的勘察单位一般长期开展非盾构工程勘察,因此在实验项目的选择、实验数据的选取、勘察报告的撰写与国际常规做法有一定差距。往往套用一般土建工程的勘察模式,不能对后期施工进度、施工安全、施工管理给出可靠参考依据。甚至由于在某些参数对工程影响认识上的偏差,报告中给出错误或相反的数据。目前勘察报告对岩石开展的项目主要有密度、凝聚力、内摩擦角及抗压强度。暂时还未开展抗拉试验,而在抗压强度取值上存在一些偏差。具体表现在:
(1) 试验时没有区分破坏类型(节理/ 裂隙破坏,岩石破坏。见图4) ,剔除无代表性数据,导致统计基础不可靠;
(2) 受一般土建工程影响,在试验时认为低值对工程更安全,使勘察报告中数据代表性不强。
4 对当前勘察工作的建议
随着各大城市轨道交通网的逐步完善,线路埋深日益加大;而内地城市轨道交通建设条件也逐渐成熟,硬岩段比例会稳定上升。但从上面分析中,我们可以看到在硬岩段盾构工程上国内外无论是认识还是具体实施,均存在较大差别,如对刀具破岩机理的认识差异、对盾构机施工工艺上的理解程度、对岩体不同特性的掌握程度等。如何减少工程造价及工期上风险是一个新的课题。作者仅从自己工作体会中提出以下建议:
(1) 根据盾构工程特点及勘察工作目的,尽快组织国内科研院校与承包商紧密配合,在实践中,认识、理解国外盾构机、刀具设计思路及模型,并找出各相关参数内在关系,为确定室内试验项目、目的及试验程序提供理论依据。
(2) 仔细分析国外试验程序,收集试验数据,在考虑试验手段通用性、数据可对比性及盾构设计模型要求的前提下,确定可直接引用结果的试验项目、需重新试验项目及操作程序。
(3) 硬岩段增加抗拉强度试验项目,同时加强抗压、抗拉试验过程及数据处理监督。
(4) 在地质柱状图中,对裂隙、节理应描述其宽度、倾角;条件允许时,在区域地质图中增加区域软弱面分布内容。
(5) 对于目前工程中异常地段应在事后进行补充勘察,适当扩大试验内容,分析原因,为今后工程提供参考依据。
参考文献
[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.
