于茂 章躍林 隋世軍 池建軍

1 研究背景

在富水蝕變地層中進(jìn)行隧洞等地下工程施工時(shí)，水-巖軟化損傷、滲流沖刷裹挾作用導(dǎo)致地層部分礦物流失或變質(zhì)，顯著地影響巖體的工程地質(zhì)性狀。在我國隧洞及其它巖土工程的建設(shè)中，已在蝕變巖對工程安全的影響等方面開展了一些研究工作，例如在大崗山高拱壩壩區(qū)[1]、二灘拱壩右岸基巖[2]、小灣水電站拱壩及壩肩[3]、廣州抽水蓄能電站地下洞群[4]等水電工程中均針對蝕變巖的力學(xué)特性及其對工程安全的影響開展了相關(guān)研究工作。近年來，隨著長距離隧洞等地下工程的陸續(xù)開工建設(shè)，也遇到蝕變巖相關(guān)問題，沈樂[5]、聶林[6]等相關(guān)學(xué)者也對此開展了一系列研究工作。盡管目前已有不少學(xué)者針對蝕變巖開展了一些研究工作，但蝕變巖體成因復(fù)雜，且在深埋長隧洞敞開式TBM支護(hù)結(jié)構(gòu)及其承載性能等方面開展的研究較少，對敞開式TBM穿越深埋中強(qiáng)蝕變巖的適應(yīng)性認(rèn)識有限，有關(guān)研究亟待深入。

本文依托某TBM深埋長隧洞工程穿越二長花崗巖蝕變區(qū)域，開挖過程中洞壁大范圍塌方，塌落高度多大于1 m，局部塌方高度達(dá)15 m，塌落物為碎塊和巖屑，碎塊塊徑多小于5 cm，拱架出現(xiàn)較大變形，少數(shù)連接槽鋼焊接點(diǎn)斷裂，嚴(yán)重影響了TBM的正常施工。為提高敞開式TBM對中強(qiáng)蝕變巖地層的適應(yīng)性，本文采用有限元法對復(fù)合鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的承載能力進(jìn)行分析，為隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，保障敞開式TBM在蝕變巖區(qū)的順利掘進(jìn)及洞室安全。

2 蝕變巖特征

某深埋敞開式TBM隧洞工程全長超過40 km，開挖洞徑6.5m，凈洞徑5.3m，最大埋深超過2200 m。隧洞出口TBM自出口逆坡向上游掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)里程約18 km，在進(jìn)尺約3.3 km處進(jìn)入華力西中期侵入的二長花崗巖蝕變帶，從隧洞揭露的蝕變巖看，蝕變巖具有范圍大、性狀差、分布不規(guī)則的特點(diǎn)，蝕變巖洞段存在變形、塌方掉塊、承載力低、泥化、塌方等工程地質(zhì)問題。敞開式TBM穿越中強(qiáng)蝕變巖區(qū)時(shí)，洞周圍巖蝕變程度不均一，以強(qiáng)蝕變巖夾中等蝕變巖為主，洞壁大范圍塌方，拱架變形，少數(shù)連接槽鋼焊接點(diǎn)斷裂，左壁下部巖體破碎，巖石強(qiáng)度低。右壁下部巖石較破碎，細(xì)小裂隙較發(fā)育，結(jié)構(gòu)面附近巖石屬強(qiáng)蝕變巖，巖石強(qiáng)度極低，手捏即碎。如圖1所示，強(qiáng)蝕變巖為潮濕-濕狀態(tài)時(shí)，在頂拱位置表現(xiàn)出明顯的塑性變形，出現(xiàn)巖石將鋼筋排包圍的現(xiàn)象。如圖2所示，強(qiáng)蝕變巖塊浸水后，邊緣細(xì)小顆粒迅速與巖塊脫離，巖塊周圍出現(xiàn)類似“煙霧”狀的渾濁；浸水20 s后，巖塊出現(xiàn)明顯開裂；浸水45 s后，巖塊體積殘余量不到一半，殘余巖塊軟化；浸水1 min后，輕輕晃動(dòng)，巖塊基本完全消失。強(qiáng)蝕變花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

3 鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)系統(tǒng)模型建立

圖1 潮濕狀強(qiáng)蝕變巖頂拱變形情況

計(jì)算采用MIDAS GTS/NX軟件的結(jié)構(gòu)-彈簧方法，計(jì)算模型主要由鋼拱架、鋼筋排及被覆鋼板三部分組成，鋼結(jié)構(gòu)每一段的鋼殼采用殼單元模擬，殼體之間采用全耦合方式連接，可以傳遞剪力及彎矩，鋼筋排采用全聯(lián)接梁單元進(jìn)行模擬。側(cè)拱→底拱區(qū)域圍巖簡化為僅受壓的地基彈簧支撐，地基彈抗采用50 MPa/m和100 MPa/m兩種條件進(jìn)行敏度分析。計(jì)算中鋼拱架采用HW150 mm×150 mm，榀距0.15～0.5 m。頂拱140°鋼板厚為2 mm，焊接鋼筋為Φ16@0.2 m。建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 強(qiáng)蝕變巖遇水軟化崩解過程

表1 強(qiáng)蝕變花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

圖3 蝕變巖段鋼結(jié)構(gòu)承載力分析模型

計(jì)算荷載主要包括自重、圍巖塌落荷載、圍巖初始地應(yīng)力釋放、外水壓力、施工荷載等。本次計(jì)算主要分析施工期穩(wěn)定性，因此，考慮荷載為自重、圍巖壓力（主要包括洞頂塌落荷載及側(cè)拱、拱底區(qū)域的地應(yīng)力釋放荷載）及外水。隧洞頂部塌落荷載的作用范圍考慮為頂部180°。洞頂區(qū)域的塌落壓重采用γH來計(jì)算，側(cè)拱處的圍巖壓力采用KγH來計(jì)算，得洞頂壓重為300 kPa，側(cè)拱壓重為159 kPa。洞頂與側(cè)拱之間塌落體壓重按照線性變化施加。隧洞底部180°范圍施加圍巖變形壓力荷載，應(yīng)力釋放率分別考慮為0.5%和1%。隧洞埋深為663 m。根據(jù)蝕變巖完整性及富水情況，計(jì)算方案共計(jì)5個(gè)，匯總見表2。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，花崗巖蝕變程度強(qiáng)時(shí)，細(xì)顆粒多，洞壁往往無水，巖體性能差，彈性抗力取50 MPa/m；花崗巖蝕變程度中等-輕微時(shí)，細(xì)顆粒相對較少，往往伴隨滲滴水，巖體性能稍好，彈性抗力取100 MPa/m。因此，針對洞壁出水情況，分別設(shè)計(jì)一次支護(hù)方案。其中，方案1—方案3為洞壁無水時(shí)的一次支護(hù)方案，方案4—方案5為洞壁有水時(shí)的一次支護(hù)方案。

表2 計(jì)算方案匯總

4 鋼結(jié)構(gòu)承載能力分析

圖4 方案3鋼結(jié)構(gòu)典型變形分布

圖5 方案3鋼結(jié)構(gòu)典型應(yīng)力分布圖

圖4及圖5展示了敞開式TBM采用的鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)在方案3計(jì)算條件下的變形及應(yīng)力分布情況，可以看出，鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在塌落荷載及圍巖變形荷載或水荷載的綜合作用下，主要表現(xiàn)為“扁圓”的變形模式，結(jié)構(gòu)最大變形位置均位于拱頂，以豎向向下變形為主；相應(yīng)的，鋼結(jié)構(gòu)的受力特征表現(xiàn)為：拱頂及拱底處的拱架外翼緣受壓、內(nèi)翼緣受拉，拱架兩側(cè)則為外翼緣受拉、內(nèi)翼緣受壓，拱架的最大應(yīng)力位于拱架側(cè)上部的內(nèi)翼緣處，與鋼板計(jì)及頂拱土壓力計(jì)的監(jiān)測數(shù)據(jù)吻合，為壓應(yīng)力。綜合不同計(jì)算方案下圍巖支撐條件（圍巖彈抗）、荷載分布條件（塌落荷載及圍巖變形釋放壓力）及鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特征（主要是鋼拱架間距）等因素的影響，可以實(shí)現(xiàn)對鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)在各種條件下的承載能力進(jìn)行的綜合對比分析，對比結(jié)果見表3。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出：

表3 不同方案下鋼結(jié)構(gòu)承載特性匯總

（1）方案1條件下，鋼拱架間距最小，為0.15 m，此時(shí)鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)的承載能力最好，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為103.8 MPa，遠(yuǎn)小于屈服強(qiáng)度235 MPa，鋼結(jié)構(gòu)承載能力滿足要求。

（2）方案2和方案3條件下，鋼結(jié)構(gòu)的間距為0.3～0.4 m，鋼結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力為163.7～179.1 MPa，鋼結(jié)構(gòu)無塑性區(qū)出現(xiàn)，均能滿足承載能力要求。

（3）方案5條件下，鋼拱架間距最大，為0.5 m，此時(shí)鋼板及鋼拱架均不能承受外荷載作用，且出現(xiàn)大面積塑性區(qū)，有失穩(wěn)可能。建議減小鋼拱架間距并采用Φ25 mm中空注漿錨桿加固圍巖和塌方體。

（4）綜合分析，當(dāng)蝕變巖洞段蝕變程度高、洞壁無水時(shí)，設(shè)計(jì)條件可按照方案3控制，方案4下（鋼拱架間距0.35 m）鋼結(jié)構(gòu)的受力情況良好，且鋼結(jié)構(gòu)基本滿足承載能力要求，為推薦方案；當(dāng)蝕變巖洞段蝕變程度輕微-中等、洞壁有水時(shí)，設(shè)計(jì)條件可按照方案4控制，方案4下（鋼拱架間距0.4 m）鋼結(jié)構(gòu)受力情況良好，拱架間鋼板變形稍大，但鋼結(jié)構(gòu)基本滿足承載能力要求。同時(shí)，在深埋花崗蝕變巖洞段，建議采用Φ25 mm中空注漿錨桿加固圍巖和塌方體，保證周邊圍巖形成整體承載結(jié)構(gòu)。

5結(jié)語

針對穿越深埋中強(qiáng)蝕變巖的敞開式TBM隧洞，通過采用殼-彈簧方法對初期鋼結(jié)構(gòu)承載性能進(jìn)行了分析，研究結(jié)果表明“鋼拱架+鋼筋排+被覆鋼板”聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)的傳力特征明確，承載性能較優(yōu)，對蝕變巖洞段破碎巖體的適應(yīng)性強(qiáng)。

實(shí)際工程施工中，初期支護(hù)在敞開式TBM尾部通過拱架安裝器安裝，鋼筋排通過McNally支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行支護(hù)，鋼板置于鋼筋排與圍巖之間，支護(hù)范圍一般為頂部約140°。鋼結(jié)構(gòu)支護(hù)系統(tǒng)承載性能的保障，大大降低了敞開式TBM過蝕變巖區(qū)時(shí)“抄后路”的風(fēng)險(xiǎn)。為避免TBM長時(shí)間停滯造成卡機(jī)等現(xiàn)象，應(yīng)同時(shí)注意地下水的封堵、圍巖加固及撐靴部位承載性能提升等問題，從而為TBM的連續(xù)掘進(jìn)創(chuàng)造條件，保障敞開式高效通過深埋蝕變巖區(qū)，為敞開式TBM施工類似地質(zhì)工程提供借鑒。