趙曉露 孫其臣 孫向東 楊凡

1 研究背景

新疆某輸水隧洞工程全長(zhǎng)超過(guò)40 km，開(kāi)挖洞徑6.5 m，凈洞徑5.3 m，最大埋深超過(guò)2 200 m，屬超長(zhǎng)深埋隧洞。目前該工程在掘進(jìn)過(guò)程中相繼出現(xiàn)了沿洞線方向隱性結(jié)構(gòu)面造成的頂部局部坍塌問(wèn)題、局部圍巖掉快問(wèn)題、花崗巖蝕變后呈松散砂狀涌出問(wèn)題等，影響了TBM快速掘進(jìn)施工甚至影響了TBM的正常掘進(jìn)。對(duì)TBM掘進(jìn)以來(lái)一次支護(hù)措施施工時(shí)間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)錨桿的施工（主要為錨桿長(zhǎng)度及施作范圍）對(duì)TBM掘進(jìn)效率影響較大[1]。對(duì)隧洞頂拱180°范圍內(nèi)2.5 m長(zhǎng)度的錨桿，錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)施工能與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)同步進(jìn)行，不影響掘進(jìn)效率；對(duì)3.5 m長(zhǎng)的錨桿，錨桿鉆機(jī)施工需要對(duì)鉆桿進(jìn)行一次接拆桿，并對(duì)鉆孔直徑進(jìn)行調(diào)整，耗時(shí)較長(zhǎng)。根據(jù)TBM施工統(tǒng)計(jì)，一根錨桿完成時(shí)間大概需要40 min，影響掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度。對(duì)隧洞拱腰以下錨桿的施工除需要接拆桿外，還要對(duì)錨桿鉆機(jī)環(huán)形梁進(jìn)行下齒圈的安裝，一則安拆的時(shí)間較長(zhǎng)；二則需要阻斷底部交通運(yùn)輸，掘進(jìn)機(jī)無(wú)法掘進(jìn)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工期[2]。

本文依托敞開(kāi)式TBM穿越斷層破碎帶，施工掘進(jìn)效率低，局部安全性差，研究分析一次支護(hù)結(jié)構(gòu)與TBM施工效率之間的關(guān)系。在確保圍巖穩(wěn)定條件下，對(duì)一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高TBM掘進(jìn)效率，保障工程安全，降低工程投資。

2 圍巖特征及參數(shù)

隧洞圍巖主要為古生界志留系及華力西中早期侵入巖。針對(duì)Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶，典型斷面選取樁號(hào)12+270—12+395，埋深800 m。該段巖性主要為花崗閃長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖、正長(zhǎng)花崗巖和鉀長(zhǎng)花崗巖等，圍巖接觸帶見(jiàn)熱接觸變質(zhì)現(xiàn)象，形成角巖和矽卡巖及硅質(zhì)巖帶。主要分布于北坡基普克中山區(qū)，南坡分布相對(duì)稍少。天山北麓華力西中期侵入的二長(zhǎng)花崗巖中分布有一系列擠壓蝕變破碎帶，破碎帶厚度變化大，厚度一般為幾十厘米，分布形狀不規(guī)則，其分布規(guī)律性差。

根據(jù)中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)，隧洞樁號(hào)12+270—12+395最大主應(yīng)力方位為NW337°，主洞走向?yàn)镹E12°。將地應(yīng)力成果換算至隧洞軸線方向，換算后鉛垂向地應(yīng)力σv=22.9 MPa，洞軸線方向水平地應(yīng)力σH=33.2 MPa，橫水流向水平地應(yīng)力σh=22.8 MPa。該段為Ⅳ類(lèi)圍巖典型斷層破碎帶，彈性模量E=8 GPa，變形模量E0=4 GPa，泊松比μ=0.31，抗剪斷強(qiáng)度凝聚力C′=0.5 MPa，摩擦角φ′=35°，殘余強(qiáng)度摩擦角φ=28°。

3 圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果分析

圍巖穩(wěn)定三維數(shù)值模擬選用MIDASGTSNX軟件，計(jì)算一次支護(hù)后的圍巖變形和塑性區(qū)范圍。Ⅳ類(lèi)圍巖典型斷面埋深為800 m，采用植入式桁架單元模擬錨桿，采用梁?jiǎn)卧M鋼拱架和噴混，進(jìn)行一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計(jì)算。在保證圍巖穩(wěn)定條件下，對(duì)一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要涉及鋼拱架、腰部以下錨桿、鋼筋網(wǎng)以及頂部鋼筋排的變化。考慮鋼拱架、鋼筋網(wǎng)均由TBM自帶拱架安裝器完成，其完成效率與拱架類(lèi)型基本無(wú)關(guān)系，故影響隧洞施工效率的主要一次支護(hù)措施為腰部以下錨桿以及頂部鋼筋排。Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，優(yōu)化前后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，優(yōu)化前后一次支護(hù)結(jié)構(gòu)單元如圖1所示，優(yōu)化后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

表1 ⅠⅤ類(lèi)圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 優(yōu)化前后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

圖1 優(yōu)化前后一次支護(hù)結(jié)構(gòu)單元

圖2 優(yōu)化后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

從以上計(jì)算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）對(duì)于Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶洞段，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后隧洞圍巖變形、塑性區(qū)范圍基本相當(dāng)，錨桿和鋼拱架未超過(guò)各自屈服強(qiáng)度，一次噴混凝土拉應(yīng)力、壓應(yīng)力未超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化前后隧洞均能滿足穩(wěn)定要求。

1.1.5 心律失常 心律失常是最常見(jiàn)的并發(fā)癥之一，據(jù)袁巖等［8］對(duì)456例永久心臟起搏器植入術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)致命性心律失常發(fā)生率為3%。

（2）提高鋼拱架型號(hào)可以抵消由于降低錨桿實(shí)施范圍引起圍巖變形和塑性區(qū)的擴(kuò)大，鋼拱架復(fù)合支護(hù)能夠迅速向洞室周邊圍巖提供徑向壓力，并有效提高圍巖自承能力，抑制圍巖的繼續(xù)松弛和塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，使隧洞初期變形及圍巖塑性區(qū)范圍得到控制，并使圍巖變形減小。

（3）Ⅳ類(lèi)圍巖常規(guī)洞段一次支護(hù)措施在頂拱120°范圍內(nèi)增設(shè)Φ20鋼筋排，可以起到防止洞頂?shù)粼?、掉塊的作用，保護(hù)作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

從現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，優(yōu)化前后各監(jiān)測(cè)斷面隧洞收斂變形規(guī)律基本相似，隧洞變形在30 d以后基本穩(wěn)定，Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶洞段在當(dāng)前一次支護(hù)措施條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過(guò)程中，對(duì)Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，增加鋼筋排、取消鋼筋網(wǎng)，并將錨桿實(shí)施范圍由270°減小為180°后，可有效避免腰部以下齒圈安拆帶來(lái)的停機(jī)（單次約1.5 d），鋼拱架由HW125型改為HW150型，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后隧洞圍巖變形及塑性區(qū)范圍基本相當(dāng)，優(yōu)化前后隧洞均能滿足穩(wěn)定要求。從施工效率和工程效益分析，敞開(kāi)式TBM穿越Ⅳ類(lèi)圍巖斷層破碎帶，進(jìn)行一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要且合理的。