陸 亮，王成華

(山東潤泰水利工程有限公司，山東 泰安 271000)

0 引言

受施工過程圍巖應(yīng)力重分布的影響，隧道掘進過程中其圍巖會產(chǎn)生一定的變形，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，圍巖的受力及變形特性對引水隧洞施工過程的穩(wěn)定性及安全性影響顯著，近年來，許多專家學(xué)者針對TBM掘進隧道的圍巖變形及穩(wěn)定性開展相關(guān)研究。

楊延棟[1]建立盾構(gòu)隧道圍巖穩(wěn)定性評價模型，對盾構(gòu)開挖過程中的隧道圍巖穩(wěn)定性進行分析，結(jié)果表明，該方法的識別準(zhǔn)確性較高、應(yīng)用范圍較廣。劉遠程等人[2]以某盾構(gòu)隧道工程為研究對象，開展回彈試驗，分析施工過程中圍巖的變形及強度特性，結(jié)果表明，盾構(gòu)施工的前期，圍巖的變形量較大。孫文君等人[3]以某隧道工程為研究對象，分析掘進方向?qū)鷰r水平變形的影響規(guī)律，結(jié)果表明，圍巖變形與土石交界的傾角呈正相關(guān)關(guān)系。白偉等人[4]以某盾構(gòu)隧道為研究對象，基于修正Peck公式，對隧道掘進施工過程中的地表沉降進行計算，結(jié)果表明，地表沉降與拱頂埋深間呈正相關(guān)關(guān)系。楊平等人[5]以某地鐵工程為研究對象，建立其隧道三維數(shù)值分析模型，分析掘進過程中的變形規(guī)律，結(jié)果表明，隧道埋深為3D時，地表沉降有最小值。

本研究以某引水隧洞施工為研究對象，對施工過程的圍巖變形進行監(jiān)測，分析圍巖變形規(guī)律及變形速度，提出具有針對性的隧洞圍巖支護建議。

1 工程概況

以某引水隧洞為研究對象，工程建設(shè)內(nèi)容包括引水、加壓、輸水等，工程輸水線路總長34.97km，主要由取水口、引水隧洞、加壓泵站、高位水池、輸水隧洞、出水池、輸水明渠和涵管、出口防洪閘等建筑物組成，輸水隧洞施工難度最大、技術(shù)要求高，所穿地區(qū)破碎帶多、多處低矮沖溝部位圍巖風(fēng)化程度高，巖體破碎，巖石強度低，成洞條件差，洞身極不穩(wěn)定，掘進過程中多次遭遇較大破碎帶，施工進度緩慢。取水口設(shè)計引水規(guī)模為20m3/s，引水管道長度約2.9km，加壓泵站最大揚程43m，設(shè)計總裝機10800kW，輸水隧洞總長約27.58km，輸水明渠總長3.67km，線路總長約34.15km。

2 引水隧洞圍巖監(jiān)測點布設(shè)

圍巖的受力及變形特性對引水隧洞施工過程的穩(wěn)定性及安全性影響顯著，為分析引水隧洞掘進過程中圍巖的變形規(guī)律，在隧洞頂部布設(shè)3個監(jiān)測點，如圖1所示。

圖1 圍巖監(jiān)測點布設(shè)

選取該引水隧洞的K54+534～K45+702段進行監(jiān)測，此段隧洞圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)

隧道的圍巖支護為Ⅳ類圍巖支護體系，支護參數(shù)見表2。施工掘進過程中，隧道上部的圍巖變形有最大值，對于拱頂變形監(jiān)測(H點)，監(jiān)測點布設(shè)間距為5m，圍巖兩側(cè)的變形較小(A點、B點)，監(jiān)測點布設(shè)間距為20m。

表2 支護參數(shù)

3 圍巖變形規(guī)律

根據(jù)引水隧洞圍巖監(jiān)測點的布設(shè)情況，選取4個斷面(K45+701.92、K45+681.48、K45+669.74、K45+638.50)對A點、B點的圍巖變形進行監(jiān)測，斷面1的圍巖變形曲線如圖2所示。

圖2 A點、B點斷面1的圍巖變形曲線

由圖2可知，隨著施工過程的進行，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，說明施工過程會影響隧道圍巖的變形情況，其中，A點的累計變形量大于B點，在施工的前期，二者間的累計變形差距較小，隨著施工過程的進行，二者間的差距逐漸增大，累計時間為70h時，A點、B點的圍巖累計變形差距為5.5mm，隨后二者間的圍巖累計變形差距逐漸趨于穩(wěn)定，說明引水隧洞的圍巖變形具有不對稱性，變形以隧洞右側(cè)為主。分析監(jiān)測點的圍巖變形速度可得，引水隧洞的圍巖變形主要分為3個階段，當(dāng)時間為0～30h時，A點、B點的圍巖變形速度較快，與累計時間呈正相關(guān)關(guān)系，時間為30h時，A點、B點變形速度有最大值，分別為24.7、12.9mm/d；累計時間為30～70h時，A點、B點的變形速度與累計時間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，此時引水隧洞的圍巖變形速度逐漸減緩；時間大于70h時，A點、B點的變形速度差距較小，變形速度的變化趨勢較為平緩，保持在2～2.5mm/d，說明施工的前期，施工過程對于引水隧洞圍巖變形的影響較大，隨著施工過程的進行，圍巖變形逐漸趨于平緩。綜合分析可得，引水隧洞的圍巖變形主要分為3個階段，分別為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段。

斷面2的A點、B點圍巖變形曲線如圖3所示。

圖3 A點、B點斷面2的圍巖變形曲線

由圖3可知，該斷面的圍巖變形規(guī)律與斷面1具有一致性，引水隧洞的圍巖變形主要分為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段；隨著累計時間的增大，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，施工前期，圍巖變形增長較快，隨著施工過程的進行，圍巖變形增長趨勢逐漸趨于平緩，A點的圍巖累計變形小于B點，該斷面的圍巖變形以右側(cè)為主。對比兩個斷面的最大累計變形可得，斷面1的最大圍巖累計變形小于斷面2，說明不同斷面位置的圍巖變形情況存在一定的差異性。

斷面3的A點、B點圍巖變形曲線如圖4所示。

圖4 A點、B點斷面3的圍巖變形曲線

由圖4可知，隨著累計時間的增大，A點、B點的累計變形存在一定的波動性，累計時間大于70h時，引水隧洞的累計變形變化趨勢較為平緩，變形波動范圍在1mm以內(nèi)。在施工前期，A點、B點的累計變形速度增長顯著，二者間的差異較為明顯，累計時間為30h，二者間的變形速度差值有最大值，為1.2mm/d，隨著時間的增大，二者間的變形差異逐漸減小。累計時間為270mm時，B點的累計變形有最大值，為7mm，遠小于截面1與截面2的最大累計變形，說明此處的圍巖受力及變形情況與其余斷面存在差異性[6-7]。

斷面4的A點、B點圍巖變形曲線如圖5所示。

圖5 A點、B點斷面4的圍巖變形曲線

由圖5可知，該斷面的圍巖變形規(guī)律與其余斷面具有一致性，隨著累計時間的增大，A點、B點的圍巖累計變形逐漸增大，施工前期，變形增長速度較快，隨著時間的增大，當(dāng)時間大于70d時，A點、B點的圍巖累計變形逐漸趨于平緩，二者間的圍巖變形差值約為5.2mm。綜合以上分析可得，不同斷面的圍巖變形規(guī)律具有一致性，在施工過程中，A點、B點的圍巖變形主要分別為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段。處于急劇變形階段時，引水隧洞圍巖的變形增長趨勢顯著，該階段的累計時間較短，這一階段為引水隧洞施工的前期，此時隧洞開挖導(dǎo)致其圍巖受力情況發(fā)生變化，導(dǎo)致引水隧洞的變形較為劇烈，為減少該階段的變形，可采用錨桿、鋼筋掛網(wǎng)等支護措施。處于快速變形階段時，引水隧洞的變形速率逐漸減小，此時，隨著施工過程的進行，圍巖的受力情況逐漸穩(wěn)定，施工前期所采用的支護措施效果良好，可有效抑制圍巖變形的發(fā)展情況，此階段，可采取噴射混凝土層的方案，進一步控制引水隧洞施工過程中的圍巖變形。處于緩慢變形階段時，引水隧洞圍巖的變形逐漸趨于平緩，為圍巖變形的末期，此階段應(yīng)持續(xù)對圍巖變形進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)變形異常立即采用噴射混凝土措施進行加固。

根據(jù)引水隧洞圍巖監(jiān)測點的布設(shè)情況，選取8個截面(K45+585.9、K45+579.8、K45+573.2、K45+567.1、K45+561.3、K45+555.8、K45+551.3、K45+547.8)對H點的圍巖變形進行監(jiān)測，圍巖變形曲線如圖6所示。

由圖6可知，除斷面1外，各斷面的圍巖變形規(guī)律具有一致性，累計變形與時間呈正相關(guān)關(guān)系，其中，截面8的圍巖累計變形有最大值，截面3的圍巖累計變形有最小值；而截面1的圍巖累計變形呈先增大后減小再增大的趨勢。對比A點、B點與H點的圍巖累計變形可得，H點的圍巖變形與A點、B點的變形具有一致性，施工的前期，其圍巖變形增長趨勢顯著，隨著時間的增大，圍巖累計變形逐漸趨于平緩，H點的圍巖變形也可分為急劇變形階段、快速變形階段、緩慢變形階段，可根據(jù)不同階段的圍巖變形特征，采取不同的圍巖支護方案，以控制引水隧洞施工過程中的圍巖變形。

4 結(jié)論

本文以某引水隧洞TBM施工為研究對象，對隧洞施工過程中圍巖變形進行監(jiān)測，分析圍巖變形規(guī)律。結(jié)果表明本隧洞圍巖變形總體分急劇變形階段、快速變形階段和緩慢變形3個階段。急劇變形階段時圍巖變形增長趨勢顯著，隧洞開挖導(dǎo)致圍巖受力情況發(fā)生變化，可采用錨桿、鋼筋掛網(wǎng)等支護措施；快速變形階段時圍巖變形速率逐漸減小，施工前期所采用的支護措施效果良好，可采取噴射混凝土措施控制圍巖變形；緩慢變形階段時圍巖變形速率逐漸趨于平緩，應(yīng)持續(xù)對引水隧洞的圍巖變形進行監(jiān)測，對于變形異常的部位，及時采取加固措施。受監(jiān)測斷面及監(jiān)測點數(shù)量限制，研究結(jié)果尚需要更多監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證。