鄧銘江,譚忠盛

(1.新疆水利發(fā)展投資(集團)有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

0 引言

隨著綜合國力不斷提升,我國在水利、鐵路、公路交通等領域的基礎設施建設規(guī)模也在不斷增大,深埋超特長隧洞是工程建設的重點環(huán)節(jié)之一。TBM工法以其安全高效、高度機械化、節(jié)約人力資源等優(yōu)勢,正廣泛應用于長距離巖質(zhì)隧洞施工中,特別在深埋超特長隧洞施工領域,具有不可替代的地位和作用[1-3]。

目前TBM隧洞設計所采用的圍巖分級主要參考GB 50487—2008《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》[4]、GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[5]等國家標準和規(guī)范[4-5]。其中,《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強度、巖體完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀5項因素為基本判據(jù),圍巖強度應力比為限定判據(jù)進行圍巖分級[4];《工程巖體分級標準》則以修正圍巖基本質(zhì)量指標[BQ]為判據(jù)進行圍巖分級[5]。上述標準和規(guī)范大多數(shù)基于礦山法隧洞施工,以反映圍巖穩(wěn)定性的因素為評價指標,并未考慮圍巖的可掘性,而TBM施工不僅與圍巖穩(wěn)定性相關(guān),還與圍巖可掘性有關(guān),特別在圍巖完整性較好時,圍巖可掘性是影響施工進度和成本的主要因素。針對TBM隧洞圍巖可掘性分級,王玉杰等[6]在隧洞圍巖基本分類的基礎上,重點分析了TBM掘進效率和不良地質(zhì)條件,構(gòu)建了TBM施工適宜性圍巖分類方法;劉佳偉等[7]以日掘進速度為判斷指標,進行巖體可掘性和巖層適應性評估,建立了一套基于TBM施工性能的圍巖綜合分級方法;吳志軍等[8]建立了一套適用于TBM施工的巖體可掘性分級系統(tǒng),并實現(xiàn)了可掘性等級的準確感知識別。現(xiàn)有關(guān)于TBM隧洞圍巖分級的研究或針對圍巖穩(wěn)定性,或針對圍巖可掘性(設備適應性),缺乏對圍巖穩(wěn)定性和圍巖可掘性的綜合考慮,且大都基于少量工程數(shù)據(jù),缺乏代表性。

TBM隧洞施工時刀盤全斷面掘進,因此掘進過程中地應力釋放量較大且釋放速率較快,同時受機械設備限制,難以做到及時支護,但另一方面隧洞斷面為圓形,洞周應力分布均勻。礦山法隧洞施工一般分臺階開挖并及時施作初期支護,圍巖壓力逐步釋放,但爆破振動對圍巖的擾動較大,常用的非圓形斷面形式也容易導致局部應力集中。由于TBM工法與礦山法施工存在很大差異,實際工程中支護過度與支護不足的情況也時有發(fā)生[9],因此有必要在TBM隧洞圍巖分級的基礎上,研究相對應的支護體系及支護參數(shù)。

本文依托北疆供水二期工程,通過數(shù)值分析、現(xiàn)場試驗等方法,結(jié)合大量施工揭露的地質(zhì)情況及掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析,提出TBM隧洞的圍巖分級及相應的支護體系。依托工程覆蓋的地質(zhì)種類多、范圍廣,具有較強的代表性,以期研究成果為類似工程的設計施工提供參考。

1 TBM隧洞圍巖分級方法

1.1 依托工程概況

北疆供水二期工程隧洞全長540 km,分為XE隧洞(洞徑7.83 m)、KS隧洞(洞徑7.03 m)和SS隧洞(洞徑5.53 m)3段,采用18臺敞開式TBM分段掘進,其中單機掘進最長26 km,最大埋深700 m,隧洞巖性以華力西晚期侵入巖為主,巖石單軸飽和抗壓強度最大215 MPa,石英質(zhì)量分數(shù)最高達56%,隧洞圍巖條件總體較好。

1)XE隧洞主要穿越華力西期侵入的片麻花崗巖地層,主要巖性包括泥盆系黑云母片麻巖、石炭系凝灰質(zhì)砂巖、奧陶系黑云母石英片巖等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為38%、46%、12%、4%。

2)KS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖地層,主要巖性包括華力西晚期侵入黑云母花崗巖、二疊和三疊系的泥巖、砂巖夾砂礫巖等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為45%、41%、11%、3%。

3)SS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r以及華力西晚期侵入的花崗巖地層,主要巖性包括華力西期花崗巖、侏羅系與白堊系的泥巖和砂巖,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為39%、30%、4%、27%。

1.2 圍巖分級方法概述

1.2.1 圍巖分級背景

隧洞圍巖分級是隧洞穩(wěn)定性分析、支護設計及施工方法選擇的基礎,但由于TBM隧洞工程相對較少,其圍巖分級一般參照礦山法隧洞的圍巖分級進行,如水工勘察規(guī)范的HC分級法[4]、Q分級法[10]、RMR分級法[11]、GSI分級法[12]等。因為TBM法和礦山法施工差異較大,相同級別的圍巖穩(wěn)定性是不一樣的,此外在較完整硬巖地層中掘進時,圍巖的強度和可掘性對施工效率及刀具磨損影響極大[13],因此需要根據(jù)TBM的施工特性進行圍巖分級。本文以圍巖穩(wěn)定性和掘進效率為分級依據(jù),綜合考慮反映圍巖穩(wěn)定性的巖性指標(巖石堅硬程度、巖體完整程度、圍巖基本質(zhì)量指標)和反映圍巖可掘性的巖性指標(巖石磨蝕性),提出針對TBM隧洞的圍巖分級體系。

1.2.2 圍巖分級指標

1)安全系數(shù)。根據(jù)鄭穎人等[14]的研究,引入強度折減法中的強度折減系數(shù),即圍巖安全系數(shù)(簡稱安全系數(shù)FS),將其作為評判圍巖穩(wěn)定性的主要依據(jù)。它是通過不斷折減黏聚力和內(nèi)摩擦因數(shù),同時進行彈塑性數(shù)值計算直至巖土體達到破壞,該過程中,在巖土體從實際狀態(tài)到破壞狀態(tài)巖土體強度降低的倍數(shù),即強度折減系數(shù)(安全系數(shù))。計算公式如下:

FS=c/c′。

(1)

式中:c為黏聚力,MPa;c′為經(jīng)數(shù)值計算折減后巖土體達到破壞狀態(tài)的黏聚力,MPa;FS為強度折減系數(shù)(安全系數(shù))。

2)純掘進速度。純掘進速度PR為設備實時導出的掘進參數(shù),單位為mm/min,將其作為評判TBM掘進效率的主要依據(jù)。

3)巖石堅硬程度與巖體完整程度。巖石堅硬程度用巖石單軸飽和抗壓強度Rc進行評價;巖體完整程度用巖體完整性系數(shù)KV進行評價,計算公式如下:

KV=vpm/vpr。

(2)

式中:vpm為巖體縱波速度;vpr為巖石(塊)縱波速度。

4)圍巖基本質(zhì)量指標。圍巖基本質(zhì)量指標BQ值根據(jù)巖石堅硬程度(Rc)、巖體完整程度(KV)的定量指標確定,按下式計算:

BQ=100+3Rc+250KV。

(3)

式中:當Rc>90KV+30時,取Rc=90KV+30;當KV>0.04Rc+0.4時,取KV=0.04Rc+0.4。

5)巖石磨蝕性。巖石磨蝕性反映巖石的耐磨性能,可通過Cerchar巖石磨蝕性試驗進行測試。該試驗要求使用圓錐角為90°的鋼針(推薦硬度為HRC 54～56)在70 N的恒定荷載作用下于巖樣表面劃過10 mm,之后測量鋼針磨損面的直徑(單位mm),其值的10倍為最終指標CAI值[15]。參考相關(guān)文獻[16],刀具磨損量與巖石磨蝕性指數(shù)CAI值密切相關(guān),可將CAI值分為低磨蝕性(<3)、中等磨蝕性(3～4)和高磨蝕性(>4)3個等級。

依托工程參照《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》將水工隧洞圍巖分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類,大致對應《鐵路隧道設計規(guī)范》和《公路隧道設計規(guī)范》中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(Ⅵ)級圍巖。本章統(tǒng)計了實際施工揭露的各類圍巖數(shù)據(jù),通過分析各項巖性指標與純掘進速度PR及安全系數(shù)FS的關(guān)系,為TBM隧洞圍巖分級提供依據(jù)。

1.3 巖性指標與掘進速度關(guān)系

在既有相關(guān)規(guī)范中,Ⅱ、Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性較好,但同類圍巖的可掘性存在較大差異。為分析各類圍巖巖性指標對掘進速度的影響,統(tǒng)計了18臺TBM近2 000組Ⅱ、Ⅲ類圍巖斷面的Rc、KV、BQ、PR,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖數(shù)據(jù)各1 000組,其統(tǒng)計指標如表1所示。分別繪制Rc與PR關(guān)系曲線、KV與PR關(guān)系曲線及BQ與PR關(guān)系曲線,如圖1—3所示。

圖1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖Rc與PR關(guān)系曲線

表1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標

1)Rc與PR的關(guān)系。由圖1可知,根據(jù)掘進速度與圍巖強度的變化規(guī)律可看出有4個明顯的分區(qū)。①對于Ⅲ類圍巖,PR在60～85 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較慢,對應的Rc為55～120 MPa;PR在45～60 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較快,對應的Rc為70～130 MPa。②對于Ⅱ類圍巖,PR在30～45 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較快,對應的Rc為70～170 MPa;PR在15～30 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較慢,并趨于穩(wěn)定,對應的Rc>90 MPa。

2)KV與PR的關(guān)系。由圖2可知,根據(jù)掘進速度與巖體完整性系數(shù)的變化規(guī)律可看出有3個明顯的分區(qū)。①對于Ⅲ類圍巖,整體完整性一般,KV最高為0.65,PR在60～85 mm/min時,PR隨KV增大而減小的速率較慢,對應的KV為0.30～0.45;PR在45～60 mm/min時,PR隨KV增大而減小的速率較快,對應的KV為0.45～0.65。②對于Ⅱ類圍巖,整體完整性好,KV最高為0.75,PR隨KV增大而減小的速率較慢,KV主要分布在0.55～0.75。

圖2 Ⅱ、Ⅲ類圍巖KV與PR關(guān)系曲線

3)BQ與PR的關(guān)系。由圖3可知,根據(jù)掘進速度與圍巖基本質(zhì)量指標變化規(guī)律可看出有3個明顯分區(qū)。①對于Ⅲ類圍巖,基本質(zhì)量指標BQ相對較低,最高為500,其中PR在60～85 mm/min時,PR隨BQ增大而減小的速率較慢,對應的BQ為350～420;PR在30～60 mm/min時,PR隨BQ增大而減小的速率較快,對應的BQ為420～500。②對于Ⅱ類圍巖,基本質(zhì)量指標BQ較高,最高達到588,PR隨BQ增大而減小的速率較慢,BQ主要分布在500～600。

圖3 Ⅱ、Ⅲ類圍巖BQ與PR關(guān)系曲線

1.4 圍巖基本質(zhì)量指標與安全系數(shù)的關(guān)系

在既有相關(guān)規(guī)范中,對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖,同類圍巖的穩(wěn)定性存在較大差異。為分析各類圍巖安全系數(shù)的范圍,統(tǒng)計了18臺TBM近1 000組Ⅲ～Ⅴ類圍巖的巖體質(zhì)量數(shù)據(jù),其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖數(shù)據(jù)分別為400、300、300組,計算其BQ和FS值,其統(tǒng)計指標如表2所示。繪制BQ與FS關(guān)系曲線,如圖4所示。

圖4 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖BQ與FS關(guān)系曲線

表2 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖數(shù)據(jù)統(tǒng)計指標

由圖4可知,根據(jù)安全系數(shù)與圍巖基本質(zhì)量指標的變化規(guī)律可看出有6個明顯的分區(qū)。1)對于Ⅴ類圍巖,其基本質(zhì)量指標BQ最低,圖中可看出有2個明顯分區(qū),即當BQ<210時,FS隨之增大而增大的速率較慢,當BQ在210～250時,FS隨之增大而增大的速率稍快。2)對于 Ⅳ類圍巖,其基本質(zhì)量指標BQ較低,圖中可看出有2個明顯分區(qū),即當BQ在250～310時,FS隨之增大而增大的速率較慢;當BQ在310～350時,FS隨之增大而增大的速率較快。3)對于Ⅲ類圍巖,其基本質(zhì)量指標BQ相對較高,圖中可看出有2個明顯分區(qū),即當BQ在350～420時,FS隨之增大而增大的速率較快;當BQ在420～500時,FS隨之增大而增大的速率較慢。

按照各類圍巖的BQ值,分類統(tǒng)計其Rc值和KV值,發(fā)現(xiàn)Ⅲ～Ⅴ類圍巖的Rc值分別在以下范圍內(nèi):70～120 MPa、≥55 MPa、25～60 MPa、10～40 MPa、5～20 MPa、≤5 MPa;KV值分別在以下范圍內(nèi):0.45～0.65、0.30～0.45、0.25～0.70、0.15～0.70、0.20～0.55、≤0.35。

1.5 TBM隧洞圍巖分級

1.5.1 一般地質(zhì)圍巖分級

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖穩(wěn)定性相對較好,而可掘性差異較大,故主要依據(jù)純掘進速度PR對圍巖進行分級,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖穩(wěn)定性差異較大,故主要依據(jù)無支護圍巖安全系數(shù)FS對圍巖進行分級,綜合1.2節(jié)和1.3節(jié)的分析結(jié)果,根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強度Rc、巖體完整性系數(shù)KV、圍巖基本質(zhì)量指標BQ和磨蝕性指數(shù)CAI綜合判斷圍巖級別,提出TBM隧洞圍巖分級標準如表3所示。其中,工作條件指TBM對不同圍巖的掘進適應性,實際工程中,工作條件不僅受圍巖可掘性影響,也會受圍巖完整性的影響,因此綜合考慮Rc、KV和CAI 3項指標,將工作條件定性分為A(工作條件好)、B(工作條件一般)、C(工作條件差)3級。同時,結(jié)合本文研究所收集的Ⅱ～Ⅴ類圍巖條件下的純掘進速度數(shù)據(jù),根據(jù)表3提出的分級標準對純掘進速度數(shù)據(jù)進行分類整理,基于數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,給出了不同圍巖級別條件下對應的純掘進速度參考值。

表3 TBM隧洞圍巖分級

1.5.2 不良地質(zhì)分級修正

在實際使用中,還應考慮地下水、主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀、初始應力狀態(tài)等因素對圍巖基本質(zhì)量指標BQ進行修正,以修正后的圍巖基本質(zhì)量指標值[BQ]對照表1確定圍巖級別。圍巖基本質(zhì)量指標修正值[BQ]可按下式計算[5],其中K1、K2、K3取值可分別按表4—6確定。

表4 地下水影響修正系數(shù)K1

表5 主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)K2

表6 初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)K3

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

(4)

式中:K1為地下水影響修正系數(shù);K2為主要軟弱結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù);K3為初始應力狀態(tài)影響修正系數(shù)。

1.5.3 特殊圍巖分級建議

高地應力軟巖大變形和硬巖巖爆地段圍巖屬于特殊圍巖,隧洞設計不適合采用上述圍巖分級方法。

1)針對軟巖大變形問題,目前研究主要將強度應力比、相對變形量、絕對變形量、原始地應力、飽和單軸抗壓強度等指標作為軟巖大變形分級依據(jù)[17]。建議綜合考慮地應力σmax、強度應力比Rc/σmax及相對變形量(單側(cè)變形量與隧洞半徑之比),對大變形及工作條件等級進行劃分。

2)針對巖爆問題,目前研究主要將強度應力比、聲響特征、運動特征、巖塊形狀特征、斷口特征、發(fā)生部位、時效特征、影響深度等因素作為巖爆分級依據(jù)[18]。建議參考引漢濟渭工程秦嶺TBM隧洞巖爆分級方法與相關(guān)規(guī)范,主要考慮巖石強度應力比等因素對巖爆等級進行劃分。

2 TBM隧洞支護體系及參數(shù)

2.1 TBM隧洞施工特性分析

目前敞開式TBM隧洞施工,由于設備的局限性,難以做到及時支護。護盾脫出后才可以架設鋼拱架和施作錨桿,但噴混凝土一般都滯后掌子面60～100 m,而且無法進行全環(huán)噴射,同時錨桿的打設范圍不足,角度也不夠垂直巖面。在較長時間和較大范圍內(nèi)只有鋼架或“錨桿+鋼架”承擔所有圍巖壓力,設計的“錨桿+鋼架+網(wǎng)噴混凝土”共同承載的支護體系不能很好地發(fā)揮作用。

據(jù)有關(guān)研究資料可知,掌子面前方1.5～2.5倍洞徑處圍巖開始變形,而在掌子面后方2～4倍洞徑處圍巖變形趨于穩(wěn)定[19],TBM隧洞施工圍巖變形和支護特性可分為5個階段,如圖5所示。

D為洞徑。

1)階段Ⅰ是從刀盤至盾尾的距離(約0.8倍洞徑),為圍巖急速變形階段,變形量占總變形量的20%～30%。

2)階段Ⅱ是從盾尾脫出至物料臺尾的距離(約1.7倍洞徑),為圍巖快速變形階段,變形量占總變形量的30%～45%。該階段主要施作鋼筋排、鋼拱架及錨桿,鋼拱架施作完成后即可承載,錨桿隨錨固劑的凝固而逐漸發(fā)揮承載作用,這一階段大部分圍巖壓力由鋼拱架承擔。

3)階段Ⅲ是從物料臺尾至噴橋的距離(約6.0倍洞徑),為圍巖緩慢變形階段,變形量占總變形量的10%～20%。該階段錨桿已經(jīng)充分發(fā)揮作用,鋼拱架和錨桿共同承擔圍巖壓力。

4)階段 Ⅳ是從噴橋至噴橋尾的距離(約9.5倍洞徑),為圍巖變形極緩階段,變形量小于總變形量的5%。該階段主要施作噴混凝土,承載結(jié)構(gòu)同階段Ⅲ。

5)階段Ⅴ為噴混凝土發(fā)揮作用之后的階段,圍巖變形基本穩(wěn)定,鋼拱架、鋼筋排、錨桿和噴混凝土共同承擔圍巖壓力。

在TBM隧洞施工特性分析基礎上,結(jié)合不同級別圍巖的穩(wěn)定性,確定隧洞支護體系及參數(shù),提出了7套支護結(jié)構(gòu)設計圖。其中,Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb級圍巖穩(wěn)定性好,無需支護,其他級別圍巖及特殊圍巖需采取相應支護措施確保其穩(wěn)定。

2.2 Ⅲa級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅲa級圍巖主要為硬巖和極硬巖,圍巖整體較完整,自穩(wěn)能力較強,但局部可能裂隙發(fā)育,因此以施作局部支護為主,提高其穩(wěn)定性。

2.2.1 支護體系及參數(shù)

Ⅲa級圍巖隧洞支護體系主要包括隨機錨桿、局部網(wǎng)噴混凝土、全環(huán)襯砌,支護體系及參數(shù)如表7和圖6所示。

(a) 橫斷面

2.2.2 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞已揭露的Ⅲa級圍巖典型斷面K49+342、K99+867、K49+626和K136+424進行圍巖變形監(jiān)測,拱頂沉降歷時曲線如圖7所示。圍巖變形在監(jiān)測到第5 天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降15.4 mm,小于規(guī)范允許變形量[20]。

圖7 Ⅲa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

2.3 Ⅲb級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅲb級圍巖主要為硬巖和極硬巖,圍巖整體較破碎,自穩(wěn)能力較差,局部裂隙發(fā)育,因此以施作系統(tǒng)支護為主,提高其穩(wěn)定性。Ⅲb級圍巖支護體系主要包括型鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)噴混凝土及襯砌。

2.3.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數(shù),選取XE隧洞Ⅲb級圍巖已揭露的典型區(qū)段K39+510～+693、K40+326～+365、K45+385～+401和K48+050～+170進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深260～530 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖和黑云母斜長花崗巖,側(cè)壓力系數(shù)1.2～2.2,建立數(shù)值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環(huán)向布設范圍、鋼拱架型號及間距與安全系數(shù)FS的關(guān)系,計算結(jié)果如圖8所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數(shù)關(guān)系曲線

選取XE隧洞Ⅲb級圍巖典型區(qū)段K39+510～+693、K45+385～+401和K48+050～+170分析襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。計算荷載主要考慮圍巖壓力和襯砌水壓力,圍巖壓力可根據(jù)有關(guān)規(guī)范確定,水壓力可根據(jù)水頭高度乘以襯砌水壓力折減系數(shù)得到,該區(qū)段的地下水頭高度250～510 m。計算得到不同襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系曲線,如圖9所示。

圖9 Ⅲb級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系曲線

2.3.2 支護體系及參數(shù)

根據(jù)上述計算結(jié)果,確定Ⅲb級圍巖隧洞合理支護參數(shù)如表8所示,支護體系如圖10所示。

(a) 橫斷面

表8 Ⅲb級圍巖隧洞支護參數(shù)

2.3.3 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞Ⅲb級圍巖典型斷面K39+611、K40+326、K40+365和K39+520進行圍巖變形及拱架、錨桿、噴混凝土受力監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 Ⅲb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降監(jiān)測到第5天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降值為18.3 mm,穩(wěn)定后鋼拱架應力為17.15 MPa,錨桿軸力為6.14 kN,噴混凝土應力為2.96 MPa,均小于規(guī)范允許值[20]。

2.4 Ⅳa級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅳa級圍巖主要為較軟巖和硬巖,裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,自穩(wěn)能力差,需要采用較強的支護體系確保隧洞的圍巖穩(wěn)定,支護體系主要包括型鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)噴混凝土及襯砌。

2.4.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數(shù),選取XE隧洞 Ⅳa級圍巖已揭露的典型區(qū)段K40+252～+300、K44+172～+180、K49+651～+699、K98+586～+599和K139+979～+996進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深320～500 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖和黑云斜長片麻巖,側(cè)壓力系數(shù)1.2～1.3,建立數(shù)值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環(huán)向布設范圍、鋼拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數(shù)FS的關(guān)系,如圖13所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數(shù)關(guān)系曲線

選取XE隧洞 Ⅳ級圍巖的典型區(qū)段K40+252～+300、K44+172～+180和K49+651～+699,分析襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。該區(qū)段水頭高度310～485 m,外水壓力折減系數(shù)0.1～0.2,計算得到襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系,如圖14所示。

圖14 Ⅳa級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系曲線

2.4.2 支護體系及參數(shù)

根據(jù)上述計算結(jié)果,確定 Ⅳa級圍巖隧洞合理支護參數(shù)如表9所示,支護體系如圖15所示。

(a) 橫斷面

表9 Ⅳa級圍巖隧洞支護參數(shù)

2.4.3 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞 Ⅳa級圍巖典型斷面K40+271、K98+586、K139+979和K49+697進行圍巖變形及拱架、錨桿、噴混凝土受力監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖16 Ⅳa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監(jiān)測到第5 天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降為30.2 mm,達到穩(wěn)定的拱架應力為20.93 MPa,錨桿軸力為11.27 kN,噴混凝土應力為3.59 MPa,均小于規(guī)范允許值[20]。

2.5 Ⅳb級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅳb級圍巖主要為軟巖、較軟巖和硬巖,裂隙較發(fā)育,巖體破碎,自穩(wěn)能力較差,且變形發(fā)展較快,變形量較大,因此需及時施作支護措施,盡早封閉成環(huán),保證圍巖穩(wěn)定,創(chuàng)造安全施工環(huán)境。支護體系主要包括型鋼拱架、系統(tǒng)錨桿、網(wǎng)噴混凝土及襯砌。

2.5.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數(shù),選取XE隧洞Ⅳb級圍巖已揭露的典型區(qū)段K44+181～+238、K49+702～+759、K136+979～K137+003和K39+961～+989進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深320～430 m,主要巖性為華力西期花崗巖和黑云母石英片巖,側(cè)壓力系數(shù)1.2～1.3,建立數(shù)值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環(huán)向布設范圍、鋼拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數(shù)FS的關(guān)系,如圖18所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數(shù)關(guān)系曲線

2.5.2 支護體系及參數(shù)

根據(jù)上述計算結(jié)果,確定 Ⅳb級圍巖隧洞合理支護參數(shù)如表10所示,支護體系如圖19所示,Ⅳb級圍巖隧洞襯砌參數(shù)與 Ⅳa相同。

(a) 橫斷面

表10 Ⅳb級圍巖隧洞支護參數(shù)

2.5.3 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞4個 Ⅳb級圍巖典型斷面K44+181、K136+979、K49+707和K39+989進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖20和圖21所示。

圖20 Ⅳb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監(jiān)測到第5天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降為50.4 mm,達到穩(wěn)定的拱架應力為26.58 MPa,錨桿軸力為10.68 kN,噴混凝土應力為5.8 MPa,均小于規(guī)范允許值[20]。

2.6 Ⅴa級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅴa級圍巖主要為較軟巖,巖體破碎,自穩(wěn)能力差,TBM護盾通過后,頂部掉塊現(xiàn)象頻發(fā),因此考慮增加鋼筋排,同時由于在破碎圍巖中錨桿施作能力和作用效果有限,卡鉆、塌孔問題凸顯,故取消系統(tǒng)錨桿,支護體系主要包括鋼筋排、型鋼拱架、網(wǎng)噴混凝土及襯砌。

2.6.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數(shù),選取XE隧洞Ⅴa級圍巖已揭露的典型區(qū)段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深190～430 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖、黑云母斜長花崗巖和黑云母片麻花崗巖,側(cè)壓力系數(shù)1.3～1.7,建立數(shù)值模型,計算不同拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數(shù)FS的關(guān)系,如圖22所示。

(a) 拱架間距與安全系數(shù)關(guān)系曲線

選取XE隧洞Ⅴa級圍巖典型區(qū)段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266,分析襯砌結(jié)構(gòu)的安全性。該區(qū)段水頭高度150～402 m,外水壓力折減系數(shù)0.1～0.3,建模計算襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系,如圖23所示。

圖23 Ⅴa級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結(jié)構(gòu)安全系數(shù)關(guān)系曲線

2.6.2 支護體系及參數(shù)

根據(jù)上述計算結(jié)果,確定Ⅴa級圍巖隧洞合理支護參數(shù)如表11所示,支護體系如圖24所示。

(a) 橫斷面

表11 Ⅴa級圍巖隧洞支護參數(shù)

2.6.3 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞4個Ⅴa級圍巖典型斷面K49+785、K49+780、K49+770和K49+850進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖25—26所示。

圖25 Ⅴa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監(jiān)測第7天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降84.2 mm,達到穩(wěn)定時拱架應力為32.27 MPa,噴混凝土應力為9.28 MPa,均小于規(guī)范允許值[20],錨桿軸力僅為2.43 kN,錨桿作用效果不顯著。

2.7 Ⅴb級圍巖隧洞支護體系及參數(shù)

Ⅴb級圍巖主要為極軟巖和軟巖,巖體極破碎,自穩(wěn)能力極差,掘進過程中易發(fā)生卡機等事故,圍巖出露護盾后來不及施作支護,易發(fā)生塌方,因此以超前支護及加強初期支護為主,保證圍巖穩(wěn)定性,支護體系主要包括超前管棚、鋼筋排、型鋼拱架、網(wǎng)噴混凝土及襯砌。

2.7.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數(shù),選取XE隧洞Ⅴb級圍巖已揭露的典型區(qū)段K49+860～+870、K49+875～+890和K49+900～+910進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深400～430 m,主要巖性為華力西期變質(zhì)花崗巖和黑云母斜長花崗巖,側(cè)壓力系數(shù)1.3～1.5,建立數(shù)值模型,計算不同拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數(shù)FS的關(guān)系,如圖27所示。

(a) 拱架間距與安全系數(shù)關(guān)系曲線

2.7.2 支護體系及參數(shù)

根據(jù)上述計算結(jié)果,確定Ⅴb級圍巖隧洞合理支護參數(shù)如表12所示,支護體系如圖28所示,Ⅴb級圍巖隧洞襯砌參數(shù)與Ⅴa同。

(a) 橫斷面

表12 Ⅴb級圍巖支護參數(shù)

2.7.3 現(xiàn)場驗證

選取XE隧洞4個Ⅴb級圍巖典型斷面K49+865、K49+890、K49+880和K49+910進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監(jiān)測,監(jiān)測結(jié)果如圖29和圖30所示。

圖29 Ⅴb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監(jiān)測到第7天時基本穩(wěn)定,最大累計沉降為87.0 mm,達到穩(wěn)定的拱架應力為39.49 MPa,噴混凝土應力為9.74 MPa,小于規(guī)范允許值[20],錨桿軸力為2.34 kN,錨桿作用效果不顯著。

2.8 特殊圍巖支護措施建議

針對高地應力軟巖大變形及巖爆洞段等不良地質(zhì)應根據(jù)實際情況采取針對性的處理措施。

1)高地應力軟巖大變形隧洞主要問題為初期支護變形侵限、噴混凝土開裂剝落、拱架彎折破壞、隧底隆起變形和襯砌開裂破壞。因此應采取主動控制措施,通過長錨桿或預應力錨桿和圍巖注漿形成加固圈,充分發(fā)揮圍巖自承載能力,合理預留變形量,加強初期支護剛度,以有效控制隧洞變形。

2)高地應力巖爆段隧洞主要問題為支護結(jié)構(gòu)破壞、人員傷亡、機械設備損壞、卡機等。因此應采取控制掘進速度、高壓噴水、加密加長(預應力)錨桿、加密鋼拱架、柔性鋼絲網(wǎng)、噴(纖維)混凝土及超前應力釋放等主動控制措施,降低巖爆對人員和施工的影響。

3 結(jié)論與討論

依托北疆供水二期工程,對TBM隧洞圍巖分級方法、支護體系及支護參數(shù)進行研究,得出以下主要結(jié)論。

1)在完整硬巖地層主要考慮圍巖可掘性對掘進速度的影響,在破碎軟弱圍巖地層主要考慮圍巖穩(wěn)定性的差異,通過分析不同巖性指標隨掘進速度PR或安全系數(shù)FS的變化規(guī)律,將水工TBM隧洞圍巖分為10級,并為大變形和巖爆的分級依據(jù)提出建議。

2)針對敞開式TBM的施工特點,對各級圍巖不同支護參數(shù)下的圍巖穩(wěn)定性進行對比計算,兼顧安全性和經(jīng)濟性,提出適用于水工隧洞各級圍巖的支護體系和支護參數(shù),形成相應的7套設計圖,并為大變形和巖爆段的支護措施提出建議。

本文研究基于18臺敞開式TBM集群施工收集的現(xiàn)場數(shù)據(jù),隧洞斷面直徑涵蓋7.83、7.03、5.53 m共3種類型,數(shù)據(jù)采集段主要穿越片麻花崗巖、凝灰質(zhì)砂巖、黑云母花崗巖、黑云母片麻巖和黑云母石英片巖地層。研究成果可為類似斷面和地質(zhì)條件的工程掘進與支護設計提供借鑒和參考。