【正文】 道掘進機的破巖過程分為 兩個 階段 ： 掘進機滾刀侵入巖體 ； 兩滾刀之間巖石碎片形成。 這些巖石粉碎之后由于受到侵入器的正壓力及側(cè)向壓力的限制又被重新壓實。與此同時 ， 貯存在巖石中的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化成巖石碎片的動能。 當一條或更多的裂紋達到自由表面或擴展到鄰近滾刀造成的裂紋時 ， 都會形成巖石碎片 ， 這 反映了相鄰兩滾刀的相互作用。 圖 TBM刀盤 破巖 示意 圖 兩滾刀之間巖石碎片形成 影響 TBM進尺的主要因素 TBM的掘進速度主要受到三方面影響，一是 TBM的 設(shè)備 參數(shù)，包括 TBM直徑、滾刀直徑、滾刀間距、刀刃寬度、滾刀數(shù)；二是 TBM的運行參數(shù)，包括 RPM、單刀推力和扭矩；三是巖體條 件，包括巖體自身條件與巖體所處的環(huán)境條件，巖體自身條件包括巖石的單軸抗壓強度、巖石硬度及磨擦性、巖石的脆性、節(jié)理間距和節(jié)理方向等，巖體所處的條件主要有地應(yīng)力及地下水條件。周向布置主要考慮各滾刀相位角的確定，力求使每把滾刀所擔(dān)負的破巖量大致平衡，以減少震動，改善刀盤結(jié)構(gòu)件受力和延長刀具 的使用壽命。 需要指出的是，貫入度指標不僅與巖石類別、單軸強度等有關(guān) ，裂隙發(fā)育程度也對貫入度有重要影響。 (2) JPHC 分類是在 HC 分類的基礎(chǔ)上建立起來的，引入了地應(yīng)力修正系數(shù)以反映高地應(yīng)力對圍巖類別的影響。 (5) JPF 圍巖分類方法的結(jié)果與實際圍巖類別的吻合率均有大幅度的提高， JPHC、JPQ、 JPRMR 在長探洞內(nèi)的分類結(jié)果與實際圍巖類別的相同洞段分別為 85%、 %、%，有較好的適用性，可滿足錦屏深埋隧洞的圍巖分類要求。 對于沒有輔助洞資料可借助的引水隧洞洞段， 只能根據(jù)現(xiàn)有的引水隧洞資料和巖爆預(yù)測資料，先對這些洞段進行工程地質(zhì)分段，然后在此基礎(chǔ)上進行初步圍巖分類。說明引水隧洞具有較好的成洞圍巖條件。 錦屏砂巖的單軸抗壓強度為 80～ 180MPa，對應(yīng) DRI =45～ 65；大理巖單軸抗壓強度為 70～ 160MPa，對應(yīng) DRI = 60～ 80，根據(jù) TBM施工經(jīng)驗屬可鉆性好～較好的巖石，適于 TBM施工。 圍巖變形適應(yīng)性 在深埋隧洞施工中，隨著新開挖面的出現(xiàn)，在高地應(yīng)力作用下圍巖都會發(fā)生不同程度的變形，包括初期的卸荷回彈、塑性變形，甚至?xí)霈F(xiàn)圍巖流變，表現(xiàn)出底板鼓脹、邊墻縮徑及巖爆等現(xiàn)象，其程度將直接對 TBM掘進產(chǎn)生影響。收斂監(jiān)測結(jié)果表明圍巖變形趨于穩(wěn)定時，其測線 DE的收斂變形累計量一般為 15～ 30mm，部分斷面最大值為 。 圖 A8+750斷面開挖后 42d位移等值線圖 圖 A8+750斷面數(shù)值計算位移與監(jiān)測位移對 比圖 圍巖 分類及巖體完整性 如上文所述，引水隧洞圍巖以 III、 II 類為主，因巖爆引起圍巖類別降級 IIb、 IIIb、IVb、 Vb所占的比例 約為 %，圍巖穩(wěn)定性較好，有利于 TBM施工。 TBM施工 基本參數(shù)確定 可研階段確定四條引水隧洞均采用鉆爆法施工，進入招標階段后 ，圍繞深埋長大隧洞的施工技術(shù)、施工方案、施工排水等關(guān)鍵問題，設(shè)計 根據(jù) 可研審查意見和項目核準評估意見，結(jié)合輔助洞開挖進展情況，針對引水隧洞特長、深埋、地質(zhì)條件，特別是地下突涌水條件復(fù)雜的特點，本著盡可能化解施工風(fēng)險、工期可靠性高的原則，對引水隧洞施工方案進行了進一步比較論證。招標階段確定 3引水隧洞東端采用 TBM 向西端掘進開挖，引水隧洞西端和 TBM 設(shè)備沒有到場之前的東端 隧洞 部分，仍采用鉆爆法施工。所有可能的洞徑組合方案均應(yīng)確保引水發(fā)電系統(tǒng)的總水頭損失值在可研審定的基礎(chǔ)上不發(fā)生大的變化，并符合可研設(shè)計的原則和成果要求。由于電站水頭高且變幅較小，水頭變幅主要由水頭損失引起。 因此，從電站系統(tǒng)小波動穩(wěn)定性要求和電站最優(yōu)運行條件來看，引水隧洞各 TBM直徑方案的引水系統(tǒng)總水頭損失最 好控制在 ～ 22m 之間。 引水隧洞 TBM直徑比選方案 表 方案 編號 開挖 方式 洞段 長度 （ m） 斷面 形式 （ m） 開挖 直徑 （ m） 襯砌型式 襯后直徑 (m) TBM 直徑（ m） 1 西端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 3 西端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 5 西端 Damp。B 3400 圓形 全斷面砼襯砌 引水隧洞混凝土襯砌厚度比較表 表 方案 編號 組號 襯砌形式及厚度 開挖洞徑 （ m） 襯后洞徑 （ m） 單位洞長水頭損失 (Q2) 水頭損失差值 4 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅲ 60cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 2 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅲ 60cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 5 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅲ 60cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 6 (TBM直徑） Ⅰ 45cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅱ 50cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 Ⅲ 60cm 混凝土襯砌 109 109 15cm 噴混凝土襯砌 109 TBM分標方案 及 開挖洞段長度 招標階段， 基于 對 發(fā)電工期、 各洞 發(fā)電順序 、工程區(qū)地下水發(fā)育情況預(yù)測、 TBM的施工能力預(yù)測、施工風(fēng)險分析等各方面的綜合考慮 ，確定 以引水隧洞樁號引(4)4+ 處為界（動態(tài)界面） ， 東端 2引水隧洞 往廠房方向的施工 為 C4 標 ，東端 4引水隧洞 為 C5 標 。目前世界上還沒有一種支護設(shè)計方法能很合理在工程開挖之前設(shè)計出一套“定身”的支護方案，支護設(shè)計中最常用的工作思路是先利用某種經(jīng)驗設(shè)計 (如 Q 系統(tǒng) )獲得支護類型和方式以及基本支護參數(shù)的認識，然后再考慮到實際工程的具體特點對這些支護類型和參數(shù)進行調(diào)整和完善，使其更符合現(xiàn)實條件。 可行性研究報告工程地質(zhì)專題 6—— 引水隧洞圍巖分類研究專題報告，列出了 1993年 Q 系統(tǒng)修正后幾種常用圍巖分類方法巖體質(zhì)量類別對應(yīng)表，參見表 ，其中的 Ⅱ 類和 Ⅲ 類圍巖的 Q 值 范圍分別是 4~100 和 ~4。 根據(jù) Q 系統(tǒng)的推薦，白山組 Ⅱ類圍巖可以用系統(tǒng)錨桿及普通砂漿混凝土進行支護、綠泥石片巖 Ⅲ 類 巖體可能 需要采用混凝土襯砌，其他Ⅲ類巖體 可以采用錨固及噴射摻硅粉的鋼纖維混凝土作為永久支護 。前一種方式的支護參數(shù)可依據(jù)需要的支護壓力確定，采用后一種方式時的錨桿間距離為 ，噴層厚度 9~12cm； (4) Q 系統(tǒng)建 議的錨桿長度為 4m。 由此可見，在引用 Q 系統(tǒng)進行引水隧洞加固設(shè)計時，至少需要解決這三個方面的問題。但是在高應(yīng)力條件下，錨桿長度設(shè)計一般都超過了上述的經(jīng)驗值，達到 1/3 甚至 40%以上的隧洞開挖尺寸。 0204060801001201400 5 10 15 20 25 30應(yīng)力 M P a? 1深度 M 圖 幾種條件下圍巖剛完成開挖 (粗線 )和變形穩(wěn)定時最大主應(yīng)力隨洞深的分布 不同條件下圍巖起始屈服深度和穩(wěn)定屈服深度統(tǒng)計表 表 圍巖條件 屈服圍 巖應(yīng)力松弛區(qū)深度 m 巖組 埋深 m 類別 起始深度 穩(wěn)定深度 白山組 2021 Ⅱ Ⅲ 2500 Ⅱ Ⅲ 鹽塘組 1500 Ⅲ 2021 Ⅲ 砂板巖 2021 Ⅲ 圖 和表 同時表達了一個信息，即及時支護對限制圍巖屈服區(qū)應(yīng)力松弛范圍的發(fā)展非常必要，由于這種條件下的圍巖變形主要是屈服巖體的塑性變形引起的，因此，限制屈服圍巖應(yīng)力松弛區(qū)的發(fā)展對限制控制圍巖變形起到重 要作用。因此，其作用主要是給圍巖提供強大的支護力，但要求錨桿安裝時圍巖變形量已經(jīng)得到控制或者是可以通過支護系統(tǒng)得到控制，相關(guān)試驗結(jié)果表明，在錨桿主動受力條件下，其最大變形量不超過 3cm，一般在 2cm 以內(nèi)。 0 . 0 50 . 1 00 . 1 50 . 2 00 . 2 50 . 3 00 . 3 50 . 4 00 . 8 1 1 . 2 1 . 4 1 . 6 1 . 8 2支護壓力 M P a間距 M 圖 不同間距的 Φ32中空注漿錨桿提供的設(shè)計支護壓力 (2) 硅粉鋼纖維混凝土性能和支護力 在噴混凝土技術(shù)發(fā)展中，近年來兩個最重要的發(fā)展是硅粉作為水泥添加劑和鋼纖維加固技術(shù)的引入。在硅粉噴混凝土中常常配套摻加鋼纖維來控制噴層 可能的收縮裂縫。 噴鋼纖維混凝土力學(xué)性能指標設(shè)計值 表 噴 層 強 度 等 級 CF30 CF35 容重γ（ kN/m3） 彈模 E（ MPa） 104 104 剪變模量（ MPa） 104 104 泊松比μ 軸心抗壓強度（ MPa） 15 彎曲抗壓強度（ MPa） 抗拉強度（ MPa） 2 抗彎強度（ MPa） 6 7 與圍巖粘結(jié)強度（ MPa） 噴層給圍巖提供的支護力除取決于噴層的強度特征以外，還與開挖洞徑大小及噴層的厚度有關(guān)。 小結(jié) 綜上所述，根據(jù)設(shè)計統(tǒng)計經(jīng)驗， 白山組 Ⅱ 類圍巖 大約需要支護 壓力在 以下 ，白山組 Ⅲ 類 、鹽塘組 Ⅱ 、 Ⅲ 類 以及砂板巖 Ⅲ 類圍巖 大約需要壓力在 ~ 之間 ，素砂漿混凝土 1%(體積比 )加纖砂漿混凝土 %(體積比 )加纖砂漿混凝土 6 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 KN 位移 cm 綠泥石片巖 Ⅲ 類圍巖大約需要支護壓力在 ~ 之間。 招標設(shè)計階段 引水隧洞圍巖系統(tǒng)支護參數(shù)表 表 圍巖條件 變形控制標準 中空注漿錨桿 初期噴護混凝土 (邊頂拱 ) 掛網(wǎng) (φ81515cm) 超前自鉆式中空錨桿 /小導(dǎo)管 鋼拱架 漲殼式預(yù)應(yīng)力 錨桿 (T=120kN) (防巖爆臨時支護 ) 支護型式編號 巖組 隧洞埋深(m) 圍巖 類別 應(yīng)變率(%) 范圍 直徑(mm) 長度 (m) 間距(m) 材料 厚度(cm) 范圍 /直徑(mm) 外插角 (176。 28 CF30 硅粉鋼纖維混凝土 10 局部 ／ ／ ／ ／ ／ ／ 頂拱180176。 28 ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ S2 III 1 頂拱 270176。/32~40 10~30176。/32~40 10~30176。/32~40 10~30176。 28 CF30 硅粉鋼纖維混凝土 (初次支護 ) 10 有 ／ ／ ／ ／ ／ ／ 頂拱180176。 32 S11 C25 掛網(wǎng)混凝土 (二次噴護防巖爆 ) 10 Vb 2 頂拱 270176。 10 I20 或 I30型鋼拱架 ／ ／ ／ ／ S131 T2y 鹽塘組大理巖 1500~2021 II/IIb 1 頂拱 270176。 28 隨機 S15 C25 掛網(wǎng)混凝土 (二次噴護防巖爆 ) 10 IVb 2 頂拱 270176。 10 I20 或 I30型鋼拱架 ／ ／ ／ ／ S132 T2y 鹽塘組大理巖 ＜ 1500 II/IIb 1 頂拱 270176。 28 隨機 S3 IV 2 全 斷 面 32 +10 無 頂拱 120176。 TBM與鉆爆法的圍巖穩(wěn)定性分析 根據(jù)資料調(diào)研，目前世界上還缺乏足夠的工程記錄資料說明這兩種施工方法對深埋地下工程造成的影響。并且，當圍巖應(yīng)力相對較高時，爆破損傷相對嚴重的巖體因為強度下降使應(yīng)力破壞更容易體現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)為片幫破壞。 但是，當圍巖應(yīng)力特別高、 圍巖中出現(xiàn)強烈的高應(yīng)力破壞現(xiàn)象時， TBM 施工對圍巖擾動小的特點反而使圍巖釋放能量少而更容易積累更高的能量，使得出現(xiàn)巖爆性質(zhì)破壞的可能性和影響程度加大，但是這種情況出現(xiàn)的條件必須是： (1) 巖體完整強度高，開挖后的破壞方式以巖爆形式占主導(dǎo)地位； (2) 圍巖應(yīng)力水平高，可以導(dǎo)致這種圍巖條件產(chǎn)生嚴重的巖爆型破壞。因此，就錦屏的工程條件而言， TBM 施工會展現(xiàn)出其有利的