王智陽 王浩杰 張曉平

(①陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，西安 710011，中國)(②武漢大學土木建筑工程學院，巖土與結構工程安全湖北省重點實驗室，武漢 430072，中國)(③武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室，武漢 430072，中國)

0 引 言

進入21世紀以來，在國家“深海、深地、深空”3大戰(zhàn)略的指導下，我國的隧道工程逐漸朝著“超大埋深、特長距離”等困難領域進軍(何滿朝等，2005；錢七虎等，2008；陳鏡丞，2014；唐少輝等，2021)。一系列世界知名的“大埋深、高地應力”隧道工程逐步投入建設：如錦屏二級水電站隧洞群(吳世勇等，2008)(最大埋深2525m，最大地應力70MPa)、某隧道群(最大埋深2080m，最大水平地應力47.7MPa(格聶山隧道)，最大垂直地應力66MPa(拉月隧道))、引漢濟渭引水隧洞(杜小洲，2020；王志強等，2020)(最大埋深2012m，最大地應力60MPa)、新疆ABH引水隧洞(最大埋深2260m)等重大工程。大埋深、高地應力使得巖體處于復雜的應力狀態(tài)，如閃長巖、大理巖等硬脆性巖體開挖破壞時結構面的作用顯著降低，巖體主要響應由變形轉化為破裂(劉寧等，2020)，進而表現(xiàn)出片幫、潰屈、板裂、巖爆等現(xiàn)象，引發(fā)隧道塌落、TBM卡機、鋼拱架屈服斷裂等工程事故，這極大增加了工程時間與經(jīng)濟成本，也給施工人員及施工機械安全帶來極大威脅。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)就大埋深高地應力硬巖隧洞圍巖破壞模式及變形機理展開了大量研究。吳文平等(2011)基于錦屏二級水電站隧洞群實際情況將深埋硬巖圍巖破壞模式分為3個大類、9種典型模式，并對其發(fā)生機制、形態(tài)特征、支護策略進行了總結。劉寧等(2020)對錦屏二級水電站隧道群圍巖破裂特征進行總結，將高地應力深埋硬脆圍巖破裂分為“片幫、應力節(jié)理、應力破損”3種類型，并結合變形、應力監(jiān)測及聲波測試結果開展數(shù)值模擬，論證破裂是深埋硬巖開挖主要響應形式。賴天文等(2020)、常剛等(2021)針對深埋硬巖組合隧道開挖過程中的圍巖損傷進行模擬分析，獲得了不同硬巖組合開挖時圍巖二次應力場分布特征、圍巖變形特點及破壞模式。李曉靜(2007)、周輝等(2015)對板裂的形成機制及影響因素進行了系統(tǒng)性的分析與總結，并對巖爆與板裂的關系進行了揭示。谷明成等(2002)對秦嶺隧道巖爆的表現(xiàn)特征、內(nèi)在機理及形成過程進行了較為詳盡的總結。成曉峰(2019)對深埋硬巖隧道圍巖破壞機制進行了揭示，認為材料破壞與失穩(wěn)破壞均是圍巖破壞必不可少的組成部分。

結合大埋深高地應力條件下圍巖破裂變形機理，國內(nèi)外學者結合實際工程對圍巖變形規(guī)律及支護措施展開了大量的研究與分析。郭波前(2017)結合工程監(jiān)測結果，分析了極高地應力隧道圍巖開挖變形機理及變形規(guī)律。李守剛(2015)、陳秀義(2017)對關山隧道大埋深高地應力區(qū)間硬質碎裂圍巖大變形展開研究，獲取了圍巖變形規(guī)律及應力分布規(guī)律，揭示了圍巖變形破壞特征與機理，并提出相應圍巖大變形綜合防控理論。汪波等(2018)系統(tǒng)總結了我國高地應力隧道巖爆、大變形的支護措施及技術特點。李元海等(2021)利用模型試驗，對深部復合地層開挖圍巖受力特征、變形機理及規(guī)律、支護-圍巖相互作用進行了研究總結。陳國慶等(2008)對硬巖脆性破壞能量釋放過程進行分析，從支護及掘進施工兩方面提出巖爆預防措施及圍巖支護體系。劉杰等(2019)圍繞引水隧洞不同洞形及開挖間距時圍巖變形進行模擬，得到了最優(yōu)洞形、相鄰隧洞的極限安全距離及最佳支護時機。趙星光等(2010)根據(jù)加拿大Minc-by試驗隧道數(shù)據(jù)結合數(shù)值模擬，分析了圍巖剪脹對隧道脆性破壞深度、范圍及圍巖破壞形式的影響進行分析。然而，目前關于高地應力硬巖變形現(xiàn)場監(jiān)測研究集中表現(xiàn)在埋深1000m以內(nèi)的工程，對于大埋深硬巖地層圍巖變形規(guī)律大多通過數(shù)值模擬或模型試驗的方法取得，且內(nèi)容多是針對巖爆控制措施研究，尚欠缺大埋深高地應力地層圍巖變形規(guī)律及機理研究。

圖1 隧洞縱剖面示意圖Fig.1 Longitudinal section of tunnel

從目前國內(nèi)外研究而言，對于大埋深高地應力圍巖破裂特征研究主要集中于巖爆與板裂兩個方面，對于圍巖靜態(tài)脆性破壞規(guī)律及機理、圍巖變形規(guī)律及支護措施的研究尚有所不足。因此，本文以引漢濟渭引水隧洞嶺北段K45+534.70～K45+701.92區(qū)間為背景，對典型高地應力完整硬巖破裂特征及變形規(guī)律進行系統(tǒng)性分析，并結合巖爆孕育過程及產(chǎn)生機理對圍巖變形機理進行了討論，并提出具有針對性的高地應力深埋硬巖地層圍巖支護措施，為后續(xù)高地應力深埋硬巖隧道圍巖破裂變形機理研究及相似地層TBM隧洞安全高效掘進施工提供了借鑒和參考。

1 工程概況

本文研究區(qū)間為嶺北段K45+534.70～K45+701.92區(qū)間，隧洞埋深約1200m，K46+190樁號處地應力測試結果顯示：區(qū)間以水平主應力為主(34.34～63.80MPa)，鉛直應力為49.66MPa，最大主應力為64.05MPa。對樁號K45+585位置圍巖進行取樣并開展物理力學試驗，結果顯示，區(qū)間隧洞圍巖為變余黑云角閃二長花崗巖，干燥強度為158.97MPa(巖石力學參數(shù)如表 1所示)，巖體完整性系數(shù)為0.65～0.90，屬于完整-極完整塊狀結構，節(jié)理裂隙不發(fā)育，為Ⅱ類圍巖。但開挖后巖體破碎嚴重，為應對高地應力條件下產(chǎn)生的巖爆、圍巖大變形事故，隧道采用了“鋼拱架+鋼筋網(wǎng)+錨桿+噴射混凝土”的Ⅳ類圍巖支護體系(表 2)。

表 1 圍巖物理力學參數(shù)Table1 Physical and mechanical parameters of surrounding rock

表 2 隧洞初期支護參數(shù)Table2 Initial supporting parameters of tunnel

2 完整硬質圍巖破裂特征

在高地應力條件下，圍巖內(nèi)部積聚了大量的彈性應變能。隧洞在開挖過程中，圍巖將由三向應力狀態(tài)迅速轉變?yōu)槎驊顟B(tài)，圍巖內(nèi)部微裂隙不斷發(fā)展、貫通，最終表現(xiàn)為規(guī)律性的圍巖脆性破壞。經(jīng)過現(xiàn)場觀察、分析及總結，本區(qū)間圍巖主要表現(xiàn)為巖爆破壞及靜態(tài)脆性破壞兩類，而隨裂縫發(fā)育模式的不同靜態(tài)脆性破壞又表現(xiàn)為板裂、潰屈與片幫3種形式(表 3)，圍巖破裂形態(tài)如圖2。

表 3 隧洞圍巖破裂模式統(tǒng)計Table3 Summarization of failure mode of collapse cavities

圖2 圍巖破裂形態(tài)圖Fig.2 Diagram of fracture morphology of surrounding rock

2.1 巖 爆

隧洞開挖后，圍巖由三向應力狀態(tài)變?yōu)槎驊顟B(tài)，在圍巖內(nèi)部切向應力作用下，巖體內(nèi)切向微裂隙、微節(jié)理不斷擴展、貫通，將圍巖劈裂為平行于洞壁方向的板狀結構。隨著巖體內(nèi)裂縫不斷發(fā)育及板間裂隙逐漸增加，部分薄層巖板發(fā)生斷裂形成巖塊，并在應變能作用下彈射出去，即產(chǎn)生巖爆現(xiàn)象。

巖爆主要發(fā)生在高地應力硬巖地層中，巖爆強度與巖體完整性、脆性及地應力大小有關。當出現(xiàn)層狀交錯節(jié)理時常因層間應力較小而出現(xiàn)較強巖爆，且?guī)r體脆性越大、地應力越大，發(fā)生大規(guī)模巖爆的可能性也顯著增加。本區(qū)間為典型的完整硬質圍巖地層，巖爆等級多為中等。巖爆常發(fā)生在掌子面1.5倍洞徑范圍以內(nèi)，且出現(xiàn)于拱頂及左、右拱肩處。爆坑多呈現(xiàn)U型或Ⅴ型，塌腔內(nèi)巖體呈現(xiàn)層狀或洋蔥狀結構，層厚差異較大，為5～70cm，爆坑尺寸多大于1×1.5m(部分可達4.5～5m)，深度為0.65～1.2m。

2.2 靜態(tài)脆性破壞

與巖爆有所不同，圍巖靜態(tài)脆性破壞時圍巖能量釋放較為緩慢，巖塊無彈射現(xiàn)象。本區(qū)間圍巖靜態(tài)脆性破壞主要包括片幫、潰屈及板裂3種形式。

片幫、潰屈及板裂3種破壞模式較為相似，完整巖體在切向應力作用下發(fā)生劈裂，呈現(xiàn)不同厚度的板狀結構，巖板厚度和其與洞壁的距離有關。受洞壁邊界效應影響，若裂隙沿較小夾角以張性破裂形式發(fā)展、連通，進而形成中間厚、邊緣薄的片狀結構，并在自重作用下脫離巖體掉落，則表現(xiàn)為片幫破壞。若劈裂成板后裂隙沿與切向應力斜交方向發(fā)展，發(fā)生剪切破壞，形成兩側厚度近似相等的塊狀結構，或者圍巖劈裂成板后在切向應力作用下裂隙不斷張開，巖板因撓屈而發(fā)生折斷，形成斷面平直的板狀結構，則稱之為潰屈破壞。若巖板距洞壁較遠，微觀裂隙無法進一步發(fā)展將巖板分割成片狀或塊狀，且?guī)r板厚度較大，無法因撓屈而發(fā)生斷裂，因而表現(xiàn)為與巖體相連的厚板狀結構，即板裂破壞。

本區(qū)間圍巖整體呈現(xiàn)洋蔥狀剝落現(xiàn)象，且3種形式沿隧洞圍巖呈現(xiàn)沿由表層到深層、由拱頂?shù)焦把?guī)律分布，呈現(xiàn)“片-塊-體”的過渡(圖2)。片幫剝落常出現(xiàn)在隧洞拱頂及拱肩處圍巖表層，片幫剝落巖塊表現(xiàn)多為中間厚邊緣薄，尺寸多為10cm×5cm以內(nèi)，厚度一般小于3cm。巖石潰屈主要集中出現(xiàn)在拱頂及拱肩圍巖的表層及淺層中，多表現(xiàn)為板狀或巖塊狀，潰屈形成的巖石薄板厚度一般為3～5cm，而巖塊尺寸多為(20～40)cm×(10～20)cm(部分可達90cm×35cm)。潰屈破壞主要受到地應力大小及方向影響，本區(qū)間板狀潰屈巖體與隧洞呈現(xiàn)約37°夾角的洋蔥層狀剝落(表 2)。巖石板裂主要發(fā)生在圍巖及爆坑深處，位置集中在拱肩及拱腰處，結果呈現(xiàn)為厚層狀結構(一般為>5cm，部分可達15～20cm)，巖板方向近似與洞壁平行，巖板間存在較為明顯的張開裂隙。值得注意的是，塌腔內(nèi)部完整巖體表面與片幫剝落巖體表面相似，均會呈現(xiàn)魚鱗層狀結構，此結構巖層極薄(多<1cm)且質脆，用手觸摸即會掉落巖屑。

圖3 監(jiān)測點結構示意圖Fig.3 Structure diagram of monitoring point

3 圍巖變形規(guī)律

3.1 監(jiān)測點布設

為了監(jiān)測隧洞圍巖及支護體系的穩(wěn)定狀態(tài)，及時修正支護參數(shù)，確定支護施作時機，同時對TBM掘進施工參數(shù)進行修正，引漢濟渭隧洞施工人員對各階段圍巖及支護變形情況進行監(jiān)測。為準確監(jiān)測到圍巖變形，監(jiān)測前需要施作監(jiān)測點。監(jiān)測點采用φ22mm螺紋鋼筋，端部焊接直徑為6mm的閉合三角形狀鋼筋掛鉤(圖3)，鋼筋埋入圍巖深度應大于20cm，如果圍巖破損松軟，應適當增加埋入深度。根據(jù)工程現(xiàn)場實際情況，拱頂沉降變形(H點)平均每5m設置一個斷面，由于K46+140處出現(xiàn)大變形卡機現(xiàn)象，拱頂沉降極值達31.6cm，因此對K45+600～K46+500區(qū)間每20m距離設置斷面對拱肩變形進行加密監(jiān)測(A、B點)，拱頂沉降監(jiān)測點A、B、H相對位置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點布置示意圖Fig.4 Layout diagram of deformation monitoring points

3.2 變形監(jiān)測結果分析

選取里程K45+701.92～K45+638.50區(qū)間中的4個斷面(間隔約20m)拱肩沉降變形及K45+585.9～K45+534.7區(qū)間中的10個斷面(間隔約5m)拱頂沉降作為典型斷面進行隧洞變形分析，拱肩沉降及拱頂沉降監(jiān)測結果如圖5及圖6所示，規(guī)定拱頂、拱肩沉降為正。圍巖脫離洞尾鋼拱架架設完成后開始進行讀測，其變形存在著諸多規(guī)律。

圖5 加密段拱肩沉降時程曲線圖Fig.5 Settlement time curve of infill shouldera.K45+701.92；b.K45+681.48;c.K45+669.74;d.K45+638.50

圖6 拱頂沉降時程曲線圖Fig.6 Vault settlement time history curvea.H點累計變形；b.H點變形速度

3.2.1 拱肩沉降變形

(3)70～400h，圍巖處于緩慢變形時期，圍巖變形速率穩(wěn)定下降，最終趨近于0。此階段產(chǎn)生的累計變形可占總變形量的20%～40%，該時段圍巖應力逐步穩(wěn)定，殘余應力導致巖板進一步碎裂成巖塊或小塊巖板，巖塊間相互作用、調(diào)和，最終在圍巖表面形成碎裂錯落的巖塊或小尺寸巖板(圖2c)，發(fā)生殘余碎脹變形。

表 4 隧洞圍巖變形破裂特征與支護調(diào)控策略Table4 Deformation and fracture characteristics of tunnel surrounding rock and support control strategy

3.2.2 拱頂沉降變形

3.2.3 拱頂異常變形分析

在K45+585.9～K45+534.7區(qū)間中拱頂變形監(jiān)測結果中，有幾個斷面呈現(xiàn)出顯著不同：如圖7所示的K45+585.9、K45+579.8、K45+551.3 3個斷面，在初次開挖穩(wěn)定后出現(xiàn)了二次(三次)加速變形，二次加速出現(xiàn)時間較為隨機，但多位于60h后(緩慢變形時期)，如K45+585.9斷面二次加速變形峰值出現(xiàn)在盾尾脫出后250h后。

圖7 拱頂異常沉降時程曲線圖Fig.7 Abnormal settlement time history curve of the vaulta.K45+585.9;b.K45+579.8;c.K45+551.3

高地應力、大埋深硬巖隧道開挖后，裂縫在圍巖積聚彈性能作用下不斷發(fā)展、延伸，巖石發(fā)生張剪破壞，圍巖經(jīng)歷了“碎裂成板、碎裂成塊”的過程，因而圍巖主要包括幾個方面：圍巖彈性變形、張開裂隙導致巖板撓曲及彎折變形、巖板剪脹變形、巖板碎裂成塊產(chǎn)生的碎脹變形。結合二次變形、三次變形發(fā)生時間及圍巖破裂變形機理分析，第一次變形與上述急速變形階段相同，主要發(fā)生張開裂隙、巖板剪脹變形、部分巖板撓屈及彎折變形。而二次變形出現(xiàn)時間隨機，變形速率、變形值占比均小于第一次變形，極值持續(xù)時間短但變形持續(xù)時間長，因而第二次變形主要為巖板撓曲彎折變形及巖塊碎脹變形。兩次變形時間間隔與圍巖條件、地應力分布條件有關，通常情況下兩次變形會相繼發(fā)生，變形速度曲線即表現(xiàn)為“單峰為主，不斷波動”形式，而某些情況下(如中層巖板較厚，彎折所需能量較大，隨片幫及潰屈不斷發(fā)展，巖板所受巖塊荷載增大，在某時間突然斷裂，導致變形速度短時間急劇增大，而后續(xù)巖塊長時間相互作用，發(fā)生碎脹變形)巖體即會表現(xiàn)出多次加速變形的特點。

為研究初次變形與二次變形(三次變形及后續(xù)變形忽略不計)的區(qū)別，對兩次變形過程(如出現(xiàn)三次或更多波峰，因峰值相較于前兩次峰較小，故不再進行統(tǒng)計)中的變形極值、持續(xù)時間、達到峰值時間及每次變形對總變形量的貢獻占比進行統(tǒng)計，結果如表 5所示，其中持續(xù)時長取將初次或二次變形波峰包括從波峰上升到波峰下降的整個時間段，貢獻占比指某次變形量與總變形量的比值，而變形對比指的是二次變形與初次變形的對比。

由表 5可知，K45+585.9～K45+534.7區(qū)間中的10個斷面拱頂平均沉降變形12.82mm，初次變形速度極值大多出現(xiàn)在盾尾脫出后約7～12h，而持續(xù)時長約35～40h，初次變形階段可以完成拱頂約35%～40%的變形。因此，盾尾圍巖脫出盾體后0～35h是圍巖應力二次重分布的主要時間，且在7～12h即會達到變形峰值，因此在盾尾圍巖脫出后7h內(nèi)初期支護應當完成并且達到設計強度。二次變形大多在盾尾脫出后60～70h達到峰值，持續(xù)時長約80h，二次變形階段可以完成拱頂約35%～45%的變形。因此，較之于二次變形，初次變形具有變形速度快、持續(xù)時間短的特性，說明開挖后圍巖應力二次重分布、裂隙在應力作用下發(fā)生擴展連通發(fā)生張性破壞形成巖板是一個迅速的過程，而巖板彎曲斷裂成巖塊、巖塊間相互擠壓發(fā)生碎脹變形達到平衡狀態(tài)的過程較為漫長。結合兩次變形進行對比分析及圍巖正常變形階段特征及機理，可以發(fā)現(xiàn)巖板撓曲及圍巖碎脹造成的變形量略大于由于張開裂隙及巖板剪脹造成的變形量，設計支護方案時可以將兩者進行綜合考慮，綜合考慮初次變形即時性急速變形威脅的同時積極采取支護調(diào)控策略對二次變形進行治理(表 4)，防止由于圍巖變形過大而造成TBM卡機、鋼拱架屈服等事故。

4 結論與展望

本文基于引漢濟渭TBM引水隧洞嶺北段K45+534.70～K45+701.92區(qū)間，對高地應力整體塊狀硬巖圍巖破壞模式、破壞機理進行了分析研究，并根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結果對區(qū)間圍巖變形模式、變形特征、變形機理及支護調(diào)控策略進行探討，得到了如下結論：

(1)大埋深高地應力硬巖在切向應力作用下發(fā)生以劈裂破壞為主的張剪破壞，經(jīng)歷“劈裂成板-碎裂成塊-巖塊彈射”3個階段。巖體破裂整體呈現(xiàn)“洋蔥狀”剝落，根據(jù)破裂特征及發(fā)生機理不同可劃分為巖爆及靜態(tài)脆性破壞(片幫、潰屈及板裂)。

(2)隧洞圍巖變形大致可以劃分為3個階段，即急劇變形時期、快速變形時期和緩慢變形時期。前兩階段可占總變形量的60%～80%。受地應力條件影響，圍巖可能出現(xiàn)二次甚至三次加速變形，初次加速主要由張開裂隙、巖板剪脹及部分巖板撓屈彎折引起，發(fā)生速度快、持續(xù)時間短；二次加速主要由巖板撓屈彎折及巖塊碎脹引起，變形速度小但持續(xù)時間長。

表 5 拱頂沉降特征統(tǒng)計表Table5 Statistical table of vault settlement characteristics

(4)圍巖變形特征與破裂機制密切相關，變形速度張開裂隙及巖板剪脹引發(fā)變形>巖板撓屈及碎脹引發(fā)變形，變形量值兩種相近。針對兩種變形特征與變形機制，提出以吸能性元件(NPR錨桿)、鋼筋掛網(wǎng)支護及噴射混凝土層為核心的圍巖變形支護方案及其支護時機。