大斷面淺埋軟巖隧洞快速掘進的可行性分析

李森林，王歲紅，吳曉偉，歐陽德良，宋釔橋

（1.核工業(yè)井巷建設(shè)集團有限公司，浙江 湖州 313000；2.晉能控股煤業(yè)集團永定莊煤業(yè)有限公司，山西 大同 037003）

隧洞圍巖的穩(wěn)定性是確保工程安全可靠運行的先決條件[1]。國內(nèi)外在軟巖隧洞施工中，經(jīng)常遇到拱頂失穩(wěn)塌方事故，造成人員傷亡、設(shè)備損壞、工期延誤及投資增加等不利影響[2-3]。因此，分析頂板圍巖穩(wěn)定性，確保工作面安全高效掘進，對于軟巖隧洞施工意義顯著。

大批學(xué)者和工程技術(shù)人員對軟巖隧洞進行了深入研究與工程實踐[4-7]，目前，雖然對圍巖穩(wěn)定性研究較多，但對不同地質(zhì)條件和施工工藝下的大斷面軟巖隧洞圍巖穩(wěn)定性的研究仍有著很大的必要性，本文基于拱頂圍巖穩(wěn)定性進行分析，提出了“掘進機-破碎錘-銑挖機”協(xié)調(diào)配合的全斷面掘進施工工藝。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

據(jù)卡拉奇核電廠巖土工程勘察報告，排水隧洞埋深僅10.7～29.4 m，圍巖為泥巖和泥質(zhì)砂巖，巖層屬于軟巖或極軟巖類別，基本圍巖分級為Ⅳ、Ⅴ級。微風(fēng)化泥巖單軸飽和抗壓強度Rc=2.85 MPa，完整性系數(shù)Kv=0.66；中風(fēng)化泥巖單軸飽和抗壓強度Rc=5.01 MPa，完整性系數(shù)Kv=0.58。圍巖為微風(fēng)化泥巖時洞壁較為穩(wěn)定，圍巖為中風(fēng)化泥巖和泥質(zhì)砂巖時洞壁存在坍塌風(fēng)險。

1.2 排水隧洞概況

卡拉奇核電廠共有2 臺機組，每臺核電機組采用“1 機1 洞”的排水方式，通過2 條馬蹄形隧洞將核島內(nèi)廢水排出。排水隧洞開挖斷面面積為65.8 m2，斷面尺寸為8.86 m（寬）×8.86 m（高），其中1 號排水隧洞暗挖段長1 940.9 m，2 號排水隧洞暗挖段長2 002.9 m，采用雙向掘進，每條隧洞各布置2 個工作面。

1.3 施工工藝

根據(jù)該排水隧洞的圍巖水文地質(zhì)類型及隧洞開挖斷面尺寸、形狀，經(jīng)過對掘進設(shè)備組合的綜合經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)比選，確定了該隧洞開挖施工方案為以“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合為主的掘進機械設(shè)備配置，即掘進機開挖下導(dǎo)洞，“炮頭機＋銑挖機”開挖上導(dǎo)洞，側(cè)卸式裝載機配出渣車轉(zhuǎn)運工作面渣土。開挖完成后，架立間距1 m 的鋼拱架，鋪設(shè)網(wǎng)格間距20 cm×20 cm 的內(nèi)外兩層鋼筋網(wǎng)片，打安鎖腳錨桿，并噴射厚度為25 cm 的C25 混凝土，以此進行聯(lián)合初期支護。

2 圍巖變形特征分析

2.1 圍巖位移規(guī)律分析

隧洞頂板圍巖因掌子面開挖后形成空洞改變了巖體內(nèi)部自穩(wěn)平衡應(yīng)力結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)位移變形，頂板巖層位移曲線呈S 形的規(guī)律變化，如下頁圖1 所示。軟巖隧洞斷面每循環(huán)開挖完成后，需先施工初期支護，后及時布點觀測圍巖變形。因此圍巖監(jiān)測相對滯后，實際監(jiān)測開始時，圍巖已經(jīng)發(fā)生了一定的位移變形。總體而言，隨著時間的變化，圍巖變形量不斷增加，圍巖變形速率不斷增大。直至初期支護受力，圍巖受襯砌支護結(jié)構(gòu)約束，圍巖變形才趨于收斂平穩(wěn)。

圖1 隧洞開挖過程圍巖位移曲線

2.2 極限位移分析

該排水隧洞巖層條件復(fù)雜多變，部分圍巖自穩(wěn)能力較差，隧洞開挖勢必會造成頂板變形下沉。尤其在巖層交界面處，圍巖較為破碎，表現(xiàn)出巖石的彈塑性、塑性及流變性的軟化特性。因此，可運用彈塑性理論分析圍巖的理論極限位移。主要的分析思路為：先求出彈、塑性交界面上的徑向位移，再根據(jù)塑性圈體積不變的條件求出隧洞的徑向位移。由隧洞斷面開挖尺寸等代圓半徑，若a、b 分別為隧道的高度和跨度，則R0=（a+b）/4=（8.46+6.36）/4=4.2 m。

若以圍巖近似為理想的彈塑性體，由魯賓涅特方程可求出隧洞周圍的位移為：

根據(jù)實際分析，隧洞圍巖滿足卡斯特納方程基本假設(shè)，則可得出在Morh-Coulomb 屈服準(zhǔn)則下的塑性區(qū)半徑為：

式中：σ 為原巖應(yīng)力，隨著隧洞埋深不斷變化，可由σ=γh 來確定，γ 為容重，取值26 kN/m3，h 為隧洞埋深，取h=30 m；剪切模量G=0.57 GPa；C 為凝聚力，取值為0.33 MPa；θ 為內(nèi)摩擦角，取值為26°。

聯(lián)立公式（1）（2）得出該隧道斷面圍巖變形的極限位移為0.15 m。因此，當(dāng)拱頂變形量超過此極限位移值時，則隧洞圍巖變形失穩(wěn)。

3 圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

為了分析隧洞在“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合相協(xié)調(diào)的掘進工藝下圍巖的穩(wěn)定性，根據(jù)隧洞設(shè)計斷面尺寸和根據(jù)圍巖設(shè)計勘察地質(zhì)條件，利用Ansys 建立模型，模擬圍巖開挖后應(yīng)力分布情況。模型尺寸取50 m×50 m×30 m，在模型下邊界施加豎直方向的約束，左右邊界施加水平方向的約束。圍巖的物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)

3.2 模擬結(jié)果及分析

本次計算僅考慮馬蹄形隧洞施工掘進斷面的情況，即上覆巖層以自重應(yīng)力場為主，水平應(yīng)力場為輔。以1 號隧洞洞身樁號K1+400 處出水口端為例，對隧洞模型進行有限元分析，其為Ⅳ類圍巖。分析所得隧洞結(jié)構(gòu)彎矩圖如圖2 所示。

圖2 結(jié)構(gòu)彎矩圖（N·m）

由圖2 可知，隧洞開挖后，在圍巖掘進邊界會產(chǎn)生切向應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨著距離開挖邊界越遠，應(yīng)力集中越不明顯，越趨近于原始應(yīng)力。因此，不同區(qū)域隧洞開挖后圍巖的應(yīng)力有明顯的差異，在拱頂一定范圍內(nèi)和兩側(cè)拱腳處應(yīng)力集中較為明顯，拱頂壓應(yīng)力最大值為10.65 MPa，隧洞斷面拱頂圍巖易失穩(wěn)、脫落，安全威脅較大。因此在拱頂中心位置一定區(qū)域內(nèi)應(yīng)加強監(jiān)測，避免因應(yīng)力集中帶來圍巖變形失穩(wěn)、坍塌的風(fēng)險。初期支護期間，應(yīng)縮短掌子面拱頂懸空時間，減小圍巖擾動，確保拱頂在圍巖破斷失穩(wěn)前完成初期支護，保證施工安全。

4 圍巖變形監(jiān)測分析

4.1 監(jiān)測方法

排水隧洞開挖以“掘進機-破碎錘-銑挖機組合”為主要開挖設(shè)備，每循環(huán)進尺4 m。對掌子面圍巖進行超前監(jiān)測，以獲得早期圍巖收斂變形數(shù)據(jù)。掌子面開挖完后立即布置測點、測線，監(jiān)測圍巖變形特征，收集數(shù)據(jù)分析。在圍巖結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)選擇具有代表性的斷面作為觀測點，其觀測點的斷面測點及測線布置如下頁圖3 所示。文中選取1 號排水隧洞K1+400 作為代表性觀測斷面進行監(jiān)測分析。工作面開挖完畢后，盡快結(jié)束排險工作，立即安設(shè)測點測線并量測，每隔0.5 h 監(jiān)測一次，收集整理并分析數(shù)據(jù)。

圖3 斷面測點布置圖

4.2 圍巖變形監(jiān)測分析

拱頂測點和測線收斂變形規(guī)律如下頁圖4、圖5所示。由測點變形累計位移曲線（圖4）分析可知，隧洞開挖結(jié)束后，在測點監(jiān)測初期，圍巖收斂變形較為遲緩，變形曲線上升平緩，變形量不大。隨著時間累積，變形趨勢有所增大，在開挖完成后第12 h 后，圍巖收斂速率明顯增加，此后每2 h 內(nèi)圍巖變形量均大于3 mm，在監(jiān)測范圍內(nèi)顯示的圍巖變形量不斷增加，這與巖層位移曲線“S”形早期的變化相一致。初期支護前頂板最大變形量為31 mm，遠小于圍巖理論極限位移值。此外在頂板圍巖不同位置拱部圍巖變形位移也存在明顯區(qū)別，但不同測點的整體變化趨勢保持一致。

圖4 測點累計位移值曲線

由圖5 可知，圍巖變形與掌子面懸空時間有直接關(guān)系，在相同條件下不同測線收斂規(guī)律基本一致。在斷面開始監(jiān)測初期，圍巖收斂變形相對滯后。在圍巖開挖4 h 后，圍巖出現(xiàn)變形，收斂速率不大。在隧洞開挖完成10 h 后，收斂速率增大，之后的收斂速率均大于1 mm/h。在監(jiān)測范圍內(nèi)，圍巖收斂變形為2.5～25.6 mm。監(jiān)測的圍巖收斂變形量遠小于圍巖的理論極限位移。

圖5 測線收斂變形曲線

綜合以上分析表明，在進尺4 m 的循環(huán)條件下，頂板圍巖變形較兩幫變形嚴(yán)重，因此對掌子面拱頂位置應(yīng)加強監(jiān)測，并采用圍巖擾動性較小的開挖方式，從而避免開挖對拱頂圍巖造成破壞及發(fā)生圍巖離層失穩(wěn)，威脅施工安全。此外，掌子面圍巖應(yīng)該在變形速率增大之前完成初期支護，即在開挖后10 h 內(nèi)完成初期支護，這將有利于確保工作面的安全性。工作面每循環(huán)所用時間短，工作效率高，能夠較好保證拱頂圍巖失穩(wěn)變形前完成初襯，使施工更安全可靠。

5 工程應(yīng)用

基于以上隧洞圍巖穩(wěn)定性分析，采用“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合協(xié)調(diào)掘進工藝，對工作面圍巖擾動性小，且開挖效率更高，每循環(huán)用時有大幅縮短，開挖完成后，圍巖能夠在10 h 內(nèi)完成初期襯砌，工作面安全更能得到有效保證。通過在1 號、2 號施工排水隧洞，共計4 個掘進工作面，均采用“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合協(xié)調(diào)掘進工藝，單工作面每月累計洞挖進尺增至125 m，較之前的采用掘進機掘進的方式每月進尺可增加20 m，4 個工作面同時施工，每月進尺多掘進80 m。根據(jù)現(xiàn)有工程成本計算，每米工程量耗費31 129 元，企業(yè)每月可增加產(chǎn)值約249 萬元。

6 結(jié)論

1）通過對隧洞圍巖變形特征分析，依據(jù)彈塑性理論，將圍巖的極限位移值作為圍巖變形失穩(wěn)的依據(jù)。

2）分析了在“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合協(xié)調(diào)掘進工藝下，拱頂和兩側(cè)拱腳處的應(yīng)力比較集中，拱部壓應(yīng)力最大，拱頂區(qū)域范圍圍巖應(yīng)加強監(jiān)測。

3）監(jiān)測分析表明，“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合協(xié)調(diào)開挖，圍巖擾動小，變形相對滯后，開挖完10 h 后圍巖變形速率加快，應(yīng)在此之前完成初期支護。

4）工程應(yīng)用表明，“掘進機-破碎錘-銑挖機”組合協(xié)調(diào)掘進施工工藝效率高、圍巖擾動小、施工安全可靠，單個工作面月進尺可增加20 m，月工程產(chǎn)值可增加3.11 萬元。