TBM施工蝕變巖隧洞連續(xù)侵限洞段處理方案

中圖分類號(hào)：TV554文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

工程實(shí)踐表明，在隧洞開(kāi)挖過(guò)程中遭遇軟巖地層時(shí)，圍巖變形通常呈現(xiàn)以下顯著特征：變形量大、變形速率快且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[1-2]。在隧洞二襯施作之前，如果圍巖變形量超出預(yù)留變形量，圍巖和初期支護(hù)將會(huì)侵占二襯施作空間，即出現(xiàn)侵限現(xiàn)象。為保證軟巖隧洞襯砌結(jié)構(gòu)厚度及隧洞的凈空洞徑，需要對(duì)侵限洞段進(jìn)行拆換拱處理。李文輝等[3]深入分析了白馬軟巖隧道初期支護(hù)的侵限機(jī)理，提出了針對(duì)軟巖大變形隧道的初支結(jié)構(gòu)侵限專項(xiàng)施工方案。

張勇勇等[研究了316國(guó)道炭質(zhì)千枚巖破碎帶隧道開(kāi)挖施工過(guò)程中侵限及塌方處置方案。胡堅(jiān)等[5針對(duì)凝灰?guī)r隧道侵限洞段提出了“整環(huán)立架、分段鑿除和及時(shí)加固”的換拱加固措施。陸宏成等采用數(shù)值模擬手段確定淺埋軟弱破碎圍巖隧道侵限洞段換拱最優(yōu)方案。在處理軟巖隧洞侵限問(wèn)題時(shí)，傳統(tǒng)的拆換拱處理往往遵循“每次只拆除一榀鋼架，拆除一榀，支護(hù)一榀”的原則[7-9]。然而對(duì)于軟巖隧洞連續(xù)侵限洞段（隧洞上百米甚至幾千米范圍內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)侵限現(xiàn)象），采用傳統(tǒng)拆換拱技術(shù)會(huì)導(dǎo)致拆換拱施工周期較長(zhǎng)，無(wú)法保證工期。本文針對(duì)新疆蝕變巖隧洞連續(xù)侵限問(wèn)題，開(kāi)展侵限成因分析，并采用數(shù)值模擬手段研究拆換拱間距對(duì)連續(xù)侵限洞段圍巖穩(wěn)定及相鄰鋼拱架受力的影響，研究提出兼顧換拱期間圍巖安全穩(wěn)定和現(xiàn)場(chǎng)施工效率的連續(xù)侵限洞段處理方案。

1 工程概況

新疆深埋輸水隧洞長(zhǎng) 41.8km ，最大埋深超2200m ，成洞洞徑 5.3m 。隧洞樁號(hào)29+782—39+593段采用TBM施工，刀盤(pán)直徑為 6.53m 。該洞段埋深為 423～1404m ，圍巖巖性以二長(zhǎng)花崗巖為主，巖體內(nèi)間隔分布有蝕度程度不一的蝕變巖帶。蝕變巖屬特殊不良地質(zhì)，巖石強(qiáng)度較低，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部存在鑲嵌及散體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1）。蝕變巖遇水后物理力學(xué)參數(shù)劣化明顯，強(qiáng)蝕變巖在水中可快速崩解，工程地質(zhì)性狀差[10]。隧洞穿越蝕變巖洞段，一次支護(hù)采用超前注漿加固、密排HW150型鋼拱架結(jié)合鋼筋排、噴射納米纖維混凝土的支護(hù)方式。由于蝕變巖圍巖性狀差，在TBM施工過(guò)程中存在塌方、涌突水、入人口及護(hù)盾后溜渣、拱架變形（見(jiàn)圖2）、撐靴部位承載力不足等工程地質(zhì)問(wèn)題[11]。

圖1隧洞開(kāi)挖后揭示的強(qiáng)蝕變巖

圖2蝕變巖洞段拱架變形

2 隧洞侵限情況及成因分析

2.1 隧洞侵限情況

部分已施工的蝕變巖洞段圍巖變形嚴(yán)重，雖然一次支護(hù)作用下隧洞圍巖已達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，但侵占了二次襯砌施作空間，進(jìn)而會(huì)影響隧洞凈斷面大小和隧洞輸水能力。圖3為隧洞典型斷面侵限情況，圖中負(fù)值表示侵限，正值表示超挖。根據(jù)隧洞斷面測(cè)量數(shù)據(jù)，連續(xù)侵限洞段長(zhǎng) 5620m ，最大侵限值達(dá)40cm ，隧洞侵限斷面情況見(jiàn)表1。從表1可以看出，蝕變巖洞段圍巖侵限值在5個(gè)區(qū)間均有分布，其中多數(shù)集中在 5～15cm 區(qū)間。

圖3圍巖典型斷面侵限實(shí)測(cè)值（單位：cm）

表1蝕變巖侵限洞段情況統(tǒng)計(jì)

2.2隧洞侵限成因分析

通過(guò)對(duì)室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得出蝕變巖洞段發(fā)生侵限現(xiàn)象主要有以下3個(gè)方面的原因。

（1）蝕變巖強(qiáng)度低，隧洞開(kāi)挖后產(chǎn)生極嚴(yán)重?cái)D壓變形。室內(nèi)試驗(yàn)成果顯示蝕變作用使得花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著變化，具體表現(xiàn)為：隨著巖體蝕變程度的加深，巖石的天然密度減小，孔隙率增大，力學(xué)強(qiáng)度顯著降低[12]。具體而言，強(qiáng)蝕變巖孔隙率高達(dá) 11.98% ，蝕變巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度僅有0.63

MPa，變形模量為 0.14GPa 。現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示，該洞段地應(yīng)力最大值為 34.5MPa ，相對(duì)應(yīng)的強(qiáng)蝕變巖強(qiáng)度應(yīng)力比為0.02，遠(yuǎn)小于4，隧洞開(kāi)挖后極易產(chǎn)生圍巖大變形。

（2）蝕變巖洞段地下水發(fā)育，圍巖遇水軟化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低。隧洞沿線地下水系統(tǒng)復(fù)雜，其中斷層與其他含水構(gòu)造（如裂隙帶等）組合形成的復(fù)合含水帶是隧洞工程最具危險(xiǎn)性的含水（富水）構(gòu)造，地下水水頭較高，且部分洞段存在承壓水。隧洞開(kāi)挖會(huì)導(dǎo)致周邊滲流場(chǎng)發(fā)生變化，促使地下水從隧洞臨空面方向流出，已施工段隧洞最大涌水量為 772.6m³/h 蝕變巖遇水軟化，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，加劇了圍巖的變形。

（3）預(yù)留變形量不足。隧洞未設(shè)置足夠的預(yù)留變形量，導(dǎo)致隧洞圍巖變形侵占支護(hù)措施凈空。

3 隧洞連續(xù)侵限洞段處理方案

為確保隧洞輸水功能的有效發(fā)揮，擬對(duì)蝕變巖連續(xù)侵限洞段采取鋼拱架更換處理措施。監(jiān)測(cè)資料顯示，蝕變巖洞段部分鋼拱架應(yīng)力已超設(shè)計(jì)充許值，在目前條件下，如何保證換拱期間隧洞圍巖的安全穩(wěn)定，并兼顧現(xiàn)場(chǎng)施工效率，提出切實(shí)可行的侵限處理方案值得研究。本文選取隧洞蝕變巖洞段典型斷面，開(kāi)展特殊巖體的力學(xué)參數(shù)反演分析，研究拆換拱間距對(duì)圍巖穩(wěn)定和周邊鋼拱架受力的影響，以期提出針對(duì)蝕變巖連續(xù)侵限洞段的處理方案。

3.1 圍巖力學(xué)參數(shù)反演

蝕變巖洞段地質(zhì)情況復(fù)雜，且具有不確定性，

需結(jié)合隧洞施工中的圍巖變形等實(shí)際情況，對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析。

3.1.1 計(jì)算斷面選取

結(jié)合隧洞蝕變巖侵限洞段開(kāi)挖揭露的圍巖蝕變程度、水文地質(zhì)情況以及向洞內(nèi)變形情況，選取5個(gè)典型侵限斷面進(jìn)行計(jì)算分析（見(jiàn)表2）。表2給出了5個(gè)計(jì)算斷面變形穩(wěn)定后的圍巖變形最大值。以各計(jì)算斷面向洞內(nèi)變形最大值作為反演目標(biāo)，對(duì)圍巖力學(xué)參數(shù)進(jìn)行位移反分析。

3.1.2 計(jì)算模型

圍巖力學(xué)參數(shù)反演的數(shù)值模型見(jiàn)圖4（a）。模型左右邊界和上下邊界距隧洞中心距離均為 50m 。模型邊界距隧洞的距離均在 3～5 倍洞徑以上，基本覆蓋了隧洞開(kāi)挖的影響范圍。采用通用巖土工程計(jì)算分析軟件FLAC3D開(kāi)展隧洞開(kāi)挖支護(hù)計(jì)算分析。超前支護(hù)采用PILE單元模擬；鋼拱架采用BEAM單元模擬，見(jiàn)圖4（b）；噴混凝土采用基于彈塑性損傷本構(gòu)的實(shí)體單元模擬。

圖4數(shù)值計(jì)算分析模型及鋼拱架BEAM單元

3.1.3 圍巖力學(xué)參數(shù)及地應(yīng)力場(chǎng)初始值

根據(jù)勘察資料，不同圍巖類別地質(zhì)參數(shù)建議值見(jiàn)表3。初始地應(yīng)力場(chǎng)擬定原則： ① 鉛直向應(yīng)力可根據(jù)所分析洞段位置的上覆地層分布，計(jì)算自重應(yīng)力確定； ② 水平向應(yīng)力考慮一定的構(gòu)造應(yīng)力作用，擬定水平向大主應(yīng)力側(cè)壓力系數(shù)為 1.1～1.2 。

表2蝕變巖侵限洞段典型計(jì)算斷面情況

表3不同圍巖類別地質(zhì)參數(shù)建議值

3.1.4圍巖力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

表4為各計(jì)算斷面圍巖參數(shù)的反演結(jié)果。

表4各計(jì)算斷面力學(xué)參數(shù)反演結(jié)果

3.2拆換拱間距對(duì)圍巖穩(wěn)定及相鄰鋼拱架受力的影響分析

在隧洞侵限洞段拆換拱作業(yè)中，拆換拱間距越大，隧洞安全性保障程度越高，但可同時(shí)作業(yè)的工作面較少會(huì)導(dǎo)致施工效率降低；反之，間距較小時(shí)，雖能有效提升施工效率，但安全保障程度會(huì)相應(yīng)降低。如圖5所示，拆換拱間距 （L_c ）為同時(shí)拆除的兩榀鋼拱架之間的距離，根據(jù)各計(jì)算斷面所在洞段開(kāi)挖施工期施作的鋼拱架間距 （D ）確定。

相鄰鋼拱架受力的影響。以斷面3為例，該斷面所在洞段隧洞施工過(guò)程中鋼拱架榀距為 0.5m ，將拆換拱間距分別擬定為1、2、3、4、 5m 進(jìn)行分析。不同拆換拱間距下，相鄰鋼拱架受力見(jiàn)圖6，圍巖增量變形見(jiàn)圖7。可知，隨著拆換拱間距的增大，相鄰鋼拱架受力和圍巖變形均逐漸減小，當(dāng)拆換拱間距增大至 3～5m 后，相鄰鋼拱架受力和圍巖增量變形基本趨于收斂。綜合鋼拱架受力和圍巖增量變形結(jié)果，斷面3所在洞段拆換拱間距可設(shè)置為 3m 。圖8為拆換拱間距設(shè)為 3m 時(shí)的鋼拱架拆除前后受力對(duì)比，可知，鋼拱架拆除后，相鄰鋼拱架應(yīng)力有明顯的提升，因此，應(yīng)在一次支護(hù)拆除前對(duì)相鄰鋼拱架采取加固措施，并在拆除過(guò)程中加強(qiáng)對(duì)相鄰鋼拱架受力及周邊圍巖變形的監(jiān)測(cè)。

圖6不同拆換拱間距下鋼拱架受力變化

圖7不同拆換拱間距下圍巖增量變形

圖8拆除前后鋼拱架壓應(yīng)力

3.3連續(xù)侵限洞段圍巖及鋼拱架加固方案

由上述分析可知，侵限洞段一次支護(hù)的拆除會(huì)引起周邊鋼拱架受力的增加。當(dāng)鋼拱架支護(hù)結(jié)構(gòu)上承擔(dān)的開(kāi)挖荷載超限時(shí)，可能發(fā)生拱架屈曲彎折破壞，削弱隧洞穩(wěn)定性。此外蝕變巖侵限洞段為V、V類圍巖，巖石強(qiáng)度低，以碎裂結(jié)構(gòu)為主，局部存在鑲嵌及散體結(jié)構(gòu)，換拱過(guò)程中易出現(xiàn)掉塊、坍塌風(fēng)險(xiǎn)。為防止侵限處理作業(yè)時(shí)拆除拱架造成圍巖松動(dòng)失穩(wěn)，確保作業(yè)安全，需提高圍巖自身強(qiáng)度及整體性。結(jié)合工程施工過(guò)程中的支護(hù)效果以及類似隧洞施工經(jīng)驗(yàn)，在隧洞頂拱范圍施作徑向長(zhǎng)且直徑大的鋼花管注漿加固圍巖，增強(qiáng)圍巖的整體性及穩(wěn)定性，鋼花管設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表5。同時(shí)，對(duì)待拆除拱架前后相鄰鋼拱架采用HW125型鋼布設(shè)臨時(shí)支撐，每榀拱架下方布設(shè)兩根，縱向采用斜撐固定。在相鄰鋼拱架臨近部位圍巖頂拱及邊墻兩側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在隧洞換拱至二襯施工前進(jìn)行頂拱沉降及邊墻變形觀測(cè)。

表5鋼花管注漿參數(shù)

4結(jié)論

（1）圍巖蝕變洞段出現(xiàn)連續(xù)侵限現(xiàn)象主要受以下三個(gè)方面因素影響：一是圍巖強(qiáng)度低，隧洞開(kāi)挖后產(chǎn)生極嚴(yán)重?cái)D壓變形。二是蝕變巖洞段地下水發(fā)育，圍巖遇水軟化，進(jìn)一步加劇圍巖變形。三是預(yù)

留變形量不足。

（2）通過(guò)典型斷面的換拱間距敏感性分析，確定了5個(gè)典型斷面洞段的最小拆換拱間距為1.5～3.6m 。

（3）拆換拱過(guò)程將引起圍巖變形和相鄰鋼拱架應(yīng)力增加，在侵限處理過(guò)程中應(yīng)對(duì)圍巖和相鄰鋼拱架采取加固措施。

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Treatment Schemes for Continuous Intrusion Sections ofAltered Rock Tunnel by TBM Construction

YANG Fan1，WU Shuai2，LIUDengxue3 （1.Beifang Investiation，Design，and Research Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.General Instituteof Water Conservancy and Hydropower Planningand Design of Ministryof Water Resources，Beijing 100120，China； 3.KeyLaboratoryofGeotechnical Mechanicsand Engineering of Ministryof Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Abstract：During the excavationofadeep buried TBMconstruction tunnel through altered rock formations in Xinjiang Province，due to poor stability of the underground chamber and severe deformation of surrounding rock， the surounding rockand primary support encroachedon the tunnel’scros-sectionand afected the water conveyance capacityof the tunnel.To ensure the safetyand stabilityof the surrounding rock in continuous intrusion sections of tunnel duringarch replacement period，while taking into account the eficiencyofon-site construction，it is significant to propose practicaland feasible intrusiontreatment schemes.Basedon theresults ofindoor experiments， on-site investigations，and on-site monitoring，this article analyzed thecauses of intrusion in the sections of altered rock tunnel，andutilized numerical analysis methods toexplore the influenceofarch spacingdemolition and replacement onthe stabilityof surrounding rock in continuous intrusion sectionsof tunnel and the stresson adjacent steelarch frames.On this basis，we proposed the suggested minimum spacing for arch demolitionand replacement for five typical cross-section of tunnel sections，as well as reinforcement schemes for surrounding rock and steel archframes during thedemolitionand replacement ofarches.The research methods and results provide references for similar projects to deal with intrusion issues.

Key words：TBM construction tunnel；altered rock；primary support intrusion；arch spacing demolition and replacement；reinforcement plan