王 斌,楊延棟,周建軍,李鳳遠,徐海峰,劉超尹

(1.中鐵隧道局集團有限公司,廣東 廣州 511458; 2.中鐵隧道股份有限公司,河南 鄭州 450001; 3.盾構及掘進技術國家重點實驗室,河南 鄭州 450001)

0 引言

隨著交通、水利、能源等領域重大工程建設的全面爆發(fā),越來越多的深埋超長隧洞急需被修建,這些隧洞所要穿越的地質越來越復雜,苛刻的作業(yè)環(huán)境對巖石隧道掘進機(rock tunnel boring machine,簡稱TBM)的裝備性能與施工水平提出了嚴峻的挑戰(zhàn)[1-5]。目前,TBM在不良地質條件下施工遭遇的典型地質災害包括高地應力硬巖強巖爆[6]、高地應力軟巖大變形[7]、斷層破碎帶圍巖坍塌[8]、高外水壓力突泥涌水[9]等,上述地質災害一旦得不到有效控制,輕則導致TBM設備卡困掩埋,重則導致隧洞結構破壞甚至人員傷亡。滇中引水香爐山隧洞高地應力軟巖大變形問題突出,有必要針對該問題研究TBM法隧洞圍巖變形控制技術。

洪開榮[10]針對采用鉆爆法施工的渭武高速木寨嶺隧道工程,研發(fā)了預應力恒阻錨索主動支護為主、鋼拱架與網(wǎng)噴混凝土被動支護協(xié)同的圍巖變形控制技術,該控制技術在鉆爆法隧洞中效果顯著,但在TBM法隧洞中由于作業(yè)空間限制,有效實施難度大。王明耀等[11]基于圍巖相對變形量與強度應力比的擬合關系,建立了軟巖地層TBM適宜性5級分級標準; 黃金光等[12]基于護盾摩阻力與TBM極限推力的關系,提出了軟巖地層TBM適應性3級分級標準; 這2項研究建立的分級標準在依托工程中得到了驗證,但鑒于高地應力軟巖大變形的復雜性,還未形成系統(tǒng)、有效的軟巖大變形控制方法。付敬等[13]針對白龍江引水工程西秦嶺隧洞護盾式TBM,采用數(shù)值模擬的方法,提出了管片+豆礫石層+聚乙烯泡沫板緩沖層的軟巖變形地層新支護結構,該支護結構的有效性待工程實踐驗證,但對于敞開式TBM尚無有效的軟巖大變形控制方法。

上述研究對高地應力軟巖地層圍巖變形控制技術進行了探索,但國內(nèi)外軟巖大變形地層TBM法隧洞工程實踐還較少,鉆爆法隧洞的成功經(jīng)驗也難以直接用于TBM法隧道,難以解決圍巖大變形所導致的TBM被卡被困、隧洞支護結構破壞以及隧洞嚴重侵限等工程難題。因此,針對滇中引水香爐山隧洞工程,研究TBM法隧洞圍巖變形控制技術,有助于促進高地應力軟巖地層TBM技術瓶頸的突破。

1 工程概況及施工難題

滇中引水工程是云南省可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎工程,也是2020年之前我國開工建設172項重大水利工程中的10大標志性工程之一。香爐山隧洞位于滇中引水工程首段,為滇中引水控制性工程。香爐山隧洞全長62.596 km,分為3個施工標段,大理Ⅰ段施工3標位于香爐山隧洞后半段,該標段隧洞主洞長約26.542 km,其中TBM掘進總長度為21.277 km。該TBM穿越12條斷層,其中F12斷層為活動斷裂,存在高地應力與高外水壓力,圍巖發(fā)生軟巖大變形、破碎坍塌的風險極大。

TBM掘進至隧洞樁號DLI53+312,隧洞剛進入鶴慶—洱源活動斷裂(F12),已連續(xù)穿越軟巖變形洞段903 m(如圖1所示),拱頂最大變形量超過2 m。該位置隧洞埋深約1 250 m,揭露巖性為三疊系上統(tǒng)松桂組深灰色-灰黑色薄層-互層狀泥巖、泥質砂巖夾炭質泥巖,全部為穩(wěn)定性極差的V類圍巖,地質情況如圖2所示。巖石飽和單軸抗壓強度為5～15 MPa,均值為8 MPa,巖體完整性系數(shù)為0.4～0.5,巖體飽和單軸抗壓強度為3～4 MPa,地應力最大水平主應力為35～45 MPa,強度應力比為0.1左右。目前,F12活動斷裂附近出現(xiàn)了雨狀流水,局部股狀出水,預計后續(xù)洞段軟弱破碎地層與地下水耦合作用,圍巖大變形與破碎坍塌風險大。F12活動斷裂特殊之處在于:芹菜塘斷裂上盤巖體受鶴慶—洱源斷裂F12的擠壓影響,出現(xiàn)了多個褶曲,圍巖呈現(xiàn)出緩傾斜薄層狀,對隧洞結構受力不利。

圖1 TBM掘進段軟巖大變形一覽圖(單位:m)

圖2 部分隧洞地質縱斷面圖

TBM在F12活動斷裂中掘進時圍巖發(fā)生了嚴重變形,造成初期支護體系不均勻破壞壓潰、隧洞整體變形縮徑問題突出,使TBM設備通行受困(噴漿橋、變電器、通風管等后配套設備無法通過),如圖3所示,TBM姿態(tài)控制難度大、運輸軌線跳道問題頻發(fā)。

(a) 隧洞拱頂嚴重下沉

2 軟巖變形地層圍巖有效初期支護施作時機確定

TBM設備結構的局限性導致了支護施作的滯后性,圍巖開挖后無法第一時間施作支護結構,只能先靠刀盤和護盾臨時支撐,待圍巖露出護盾后才施作初期支護。TBM主機區(qū)域多工序作業(yè)相互干擾,初期支護無法一次完成而需分批進行。因此,需要通過分析隧洞圍巖變形規(guī)律,根據(jù)圍巖變形未控制前的允許變形量來確定有效初期支護施作的時間與空間位置,為制定圍巖變形控制方案提供依據(jù)。

2.1 隧洞圍巖變形未控制前的允許變形量分析

根據(jù)隧洞設計要求分析圍巖變形未有效控制前的允許變形量,對圍巖有效初期支護施作時機的確定至關重要,分析過程如圖4所示。由圖可知,TBM刀盤正常開挖半徑為491.5 cm,加上半徑方向擴挖尺寸6.27 cm,TBM最大開挖半徑為497.77 cm,設計要求隧洞成洞半徑不小于415 cm; 初期支護厚度包括拱架高度17.5 cm和表面噴射混凝土厚度5 cm,二次襯砌厚度40 cm,設計要求有效初期支護后預留變形量為10 cm。因此,圍巖變形未有效控制前的允許最大變形量為10.27 cm。

圖4 圍巖變形未控制前的允許變形量分析過程示意圖(單位:cm)

2.2 有效初期支護施作時間與空間位置確定

在香爐山隧洞樁號DLI53+860～+740的極嚴重軟巖變形洞段選取6個斷面監(jiān)測拱頂變形,圍巖開挖后拱頂變形隨時間的變化如圖5所示。由圖可知:圍巖開挖后需要在約15 d內(nèi)施作有效支護才能保證圍巖變形不超過允許值。圍巖開挖后拱頂變形隨距掌子面距離的變化如圖6所示。由圖可知:在距掌子面約30 m范圍內(nèi)施作有效支護才能保證圍巖變形不超過允許值。要同時滿足上述2個條件,還要求TBM掘進日進尺不低于2 m/d。

圖5 隧洞拱頂變形隨時間變化曲線

圖6 隧洞拱頂變形隨空間變化曲線

3 有效初期支護方式選擇現(xiàn)場試驗

香爐山隧洞原設計采用鋼拱架+鋼筋排+錨桿+噴混凝土的方式,在軟巖變形洞段實施初期支護,由于低轉速沖擊式鉆機施作錨桿孔時對圍巖擾動大,在軟弱圍巖中成孔率極低導致錨桿施作困難,因而實際施工中通過減小鋼拱架間距、增大型鋼型號來提高拱架支撐能力。前期軟巖變形洞段采用H150型鋼拱架,間距50 cm布置,榀間采用型鋼焊接連接; 但現(xiàn)場多個位置出現(xiàn)了支護體系不均勻破壞壓潰、隧洞變形縮徑的情況,表明靠拱架支撐為主的被動支護方式難以有效控制圍巖變形,必須結合錨固控制圍巖深層變形的主動控制方式。

3.1 不同類型錨桿/索現(xiàn)場試驗

在香爐山隧洞軟巖變形洞段,先后開展?jié)q殼錨桿、自進錨桿、預應力錨索等錨固支護現(xiàn)場試驗,不同類型錨桿/索現(xiàn)場試驗結果如表1所示。由表可以看出:漲殼錨桿在現(xiàn)場難以施作,預應力錨索、自進式錨桿在現(xiàn)場可有效施作,預應力錨索變形控制效果顯著,而自進式錨桿不能施加預應力僅能作為補強措施。

表1 不同類型錨桿/索現(xiàn)場試驗結果

3.2 不同類型拱架現(xiàn)場試驗

在香爐山隧洞軟巖變形洞段,先后開展H175型鋼(斷面樁號DLI53+750附近)、H200型鋼(斷面樁號DLI53+754附近)、灌混凝土180方鋼(斷面樁號DLI53+830附近)、罐混凝土箱體H175型鋼(箱體H175型鋼是在H175型鋼的基礎上采用10 mm厚的鋼板焊接封閉兩側,斷面樁號DLI53+838附近)等類型拱架的現(xiàn)場試驗,對不同類型拱架截面的力學參數(shù)進行計算,結果如表2所示。對各試驗段的拱架變形進行現(xiàn)場監(jiān)測,變形監(jiān)測結果如表3所示。

表2 不同類型拱架截面力學參數(shù)

表3 不同類型拱架變形監(jiān)測結果

表2中,截面慣性矩表征拱架的抗彎能力,截面模量表征拱架的抗扭能力?？梢钥闯?灌混凝土180方鋼、灌混凝土箱體H175型鋼相比H175型鋼、H200型鋼,整體抗彎能力和抗扭能力得到了大幅度提升。

從表3可以看出:H200與H175型鋼拱架對比,變形量與變形速率雖有所降低,但變形量依然高達半米以上,達不到圍巖支護剛度需求,可見僅增大型鋼型號難以有效控制圍巖變形。灌混凝土180方鋼與灌混凝土箱體H175型鋼均能有效控制圍巖變形,究其原因是外部型鋼的約束改善了內(nèi)部灌注混凝土的承載能力,而內(nèi)部混凝土又避免了外部約束材料發(fā)生局部失穩(wěn),兩者充分發(fā)揮各自優(yōu)勢,利用相對較低的支護成本滿足高強高剛支護要求。

灌混凝土180方鋼拱架采用套筒式封口連接、收縮尺寸有限,無法采用拱架拼裝機安裝、僅能采用人工安裝,安裝一榀時長為3～4 h,施工效率低; 灌混凝土箱體H175型鋼拱架可采用拱架拼裝機安裝,安裝一榀時長在1 h以內(nèi),施工效率高。

不同類型拱架現(xiàn)場試驗結果表明:灌混凝土方鋼拱架和灌混凝土箱體H型鋼拱架被動支撐控制圍巖變形效果顯著,首選施作自動化程度高、施工速度快的灌混凝土箱體H型鋼拱架。

4 高地應力軟巖地層圍巖變形控制方案

根據(jù)軟巖變形地層不同初期支護方式現(xiàn)場試驗結果,結合有效初期支護施作時機,形成高地應力軟巖地層圍巖變形總體控制原則為:空間換時間、快掘早支護、主動控變形、被動強支撐?？傮w技術方案為:掌子面位置刀盤擴挖預留允許變形量、圍巖出護盾灌混凝土箱體拱架被動強支撐、隧洞上半圓前置式自動化噴混凝土早封閉、預應力長錨索主動控制深層圍巖變形、隧洞底部自進式錨桿后補強。

4.1 掌子面位置刀盤擴挖預留允許變形量

隧洞圍巖從刀盤開挖至露出護盾近7 m的范圍僅依靠TBM刀盤與護盾支撐,在該范圍內(nèi)圍巖變形量達到圍巖開挖輪廓與護盾之間預留的間隙時,圍巖與護盾發(fā)生接觸,圍巖作用在護盾上的壓力所產(chǎn)生的摩擦阻力達到TBM最大推力時,護盾會被卡死,TBM無法向前推進。因此,要求開挖輪廓與護盾之間的預留間隙應盡可能大,為TBM預留足夠長的時間向前推進,在圍巖變形量未達到該預留間隙量就露出護盾,并在圍巖出護盾后采取及時支護措施。增大開挖輪廓與護盾之間預留間隙的總體方案為:刀盤擴挖增大開挖輪廓+頂護盾油缸收縮減小護盾輪廓。

刀盤擴挖主要通過更換大尺寸邊滾刀與增加刀軸墊塊來實現(xiàn),邊滾刀刀圈直徑由48.26 cm(19英寸)更換為50.8 cm(20英寸),開挖半徑可增加12.7 mm; 60#—65#共6把邊滾刀刀軸下方分別增加厚度50.1、70.3、80.4、90.4、98.5、103.2 mm的墊塊,開挖半徑可增加50 mm。通過上述2種方法,可實現(xiàn)開挖半徑增加62.7 mm。另外,敞開式TBM的護盾為分瓣式結構設計,頂護盾與側護盾具備一定的收縮量,頂護盾最大收縮量可達80 mm。

4.2 圍巖出護盾灌混凝土箱體拱架支撐與噴混凝土封閉

隨著敞開式TBM向前推進圍巖露出護盾后,采用拱架拼裝機支撐箱型H型鋼拱架,拱架在護盾內(nèi)拼接、在護盾尾部撐緊、焊接封口成環(huán)支撐圍巖; 并利用L1區(qū)噴混凝土系統(tǒng)供料,向拱架內(nèi)灌注C40細石混凝土或M40水泥砂漿。

香爐山隧洞敞開式TBM在L1區(qū)搭載了前置式濕噴機械手,采用該系統(tǒng)在圍巖出護盾位置進行及時封閉,尤其是兩腰位置代替L2區(qū)噴混凝土系統(tǒng)完成撐靴位置混凝土噴射,為撐靴撐緊巖壁提供足夠反力,防止撐靴打滑,也可為TBM推進提供足夠推力。由于TBM原設計噴混凝土機械手行走范圍限制,無法覆蓋隧洞頂部30°范圍的區(qū)域。針對軟巖大變形拱頂變形嚴重問題,初期支護拱架頂部需要全部覆蓋混凝土,在原有混噴弧形齒條軌道末端增加齒條軌道,齒條軌道由螺栓固定在弧形支架上,在原有立柱位置焊接法蘭盤,螺栓緊固新增弧形支架,弧形支架內(nèi)部開槽,作為噴混凝土小車導向輪導向槽。通過上述升級改造,可實現(xiàn)拱頂180°全范圍噴混凝土覆蓋。

4.3 預應力長錨索控變形與自進式錨桿補強

灌混凝土箱體拱架僅能被動硬抗圍巖變形,而圍巖損傷向深層擴展之后,拱架將承受更大的載荷,僅靠拱架支撐難以控制圍巖變形,因此需要采用錨固支護為主的方式主動控制圍巖深層變形。為了滿足主機區(qū)域預應力長錨索的及時施作,根據(jù)該錨索鉆機的尺寸及施作空間需求,將L1區(qū)2臺錨桿鉆機及推進梁總成拆除,在護盾尾部距掌子面7～10 m的L1區(qū)錨桿鉆機位置左右2個齒圈總成上增設組裝式錨索作業(yè)模架(尺寸為長2.6 m×寬1 m),錨索作業(yè)模架可隨齒圈總成前后移動作業(yè),可實現(xiàn)隧洞拱頂90°范圍長錨索施作; 布置3臺錨索機,3 h完成延米8根錨索施作,如圖7(a)所示。在撐靴后部距掌子面21～30 m位置增設上中下3層組裝式移動模架,完成隧洞左右拱腰75°范圍長錨索施作; 布置4臺錨索機,3 h完成延米12根錨索施作,如圖7(b)所示。最后,在距掌子面47～52 m的L2區(qū)錨桿鉆機位置完成底部120°范圍向下的自進式錨桿施作,自進式錨桿直徑38 mm、長度6 m、間距1 m。

(a) 護盾尾部錨索施作

綜上所述,高地應力軟巖地層圍巖變形控制的主要工藝的技術要點及關鍵參數(shù)如表4所示。

表4 主要工藝的技術要點及關鍵參數(shù)表

5 高地應力軟巖地層圍巖變形控制效果

在樁號DLI53+740～+860位置極嚴重軟巖大變形洞段,采用10 m長預應力錨索與灌混凝土箱體H175拱架聯(lián)合支護,整體上有效控制了隧洞圍巖變形,現(xiàn)場施工如圖8所示。選取5個斷面監(jiān)測拱頂變形,結果如圖9所示,拱頂僅發(fā)生了最大35 mm的變形量,而且變形量已趨于收斂,表明該支護方式效果顯著。待圍巖變形趨于收斂后,利用仰拱同步襯砌臺車與邊頂拱同步襯砌臺車盡早施作二次襯砌,鞏固圍巖變形控制效果。

(a) 灌混凝土箱體型鋼拱架

圖9 有效支護實施后拱頂變形隨時間的變化曲線

6 結論與討論

高地應力軟巖地層圍巖大變形導致支護破壞、設備被卡、隧洞侵限等一直是困擾TBM施工的重大工程難題。為此,通過滇中引水香爐山隧洞敞開式TBM施工工程實踐,開發(fā)了高地應力軟巖地層敞開式TBM法隧洞圍巖變形控制技術,主要結論如下:

1)通過香爐山隧洞設計與開挖斷面尺寸分析,得到圍巖變形未有效控制前允許最大變形量為10.27 cm; 結合軟巖變形洞段斷面變形規(guī)律,得到圍巖有效初期支護實施的時間為開挖后15 d內(nèi),圍巖有效初期支護實施的空間位置為距掌子面30 m范圍內(nèi),要求TBM掘進日進尺不低于2 m/d。

2)通過香爐山隧洞軟巖變形段不同類型支護結構現(xiàn)場試驗,得到預應力錨索、自進式錨桿可在現(xiàn)場有效施作,預應力錨索變形控制效果顯著,自進式錨桿難以施加預應力僅能作為補強措施; 灌混凝土方鋼拱架和灌混凝土箱體H型鋼拱架被動支撐控制圍巖變形效果顯著,首選施作自動化程度高、施工速度快的灌混凝土箱體H型鋼拱架。

3)高地應力軟巖地層圍巖變形控制方案為:掌子面位置刀盤擴挖預留允許變形量、圍巖出護盾灌混凝土箱體拱架被動強支撐、隧洞上半圓前置式自動化噴混凝土早封閉、預應力長錨索主動控制深層圍巖變形、隧洞底部自進式錨桿后補強。

預應力長錨索主動控制、灌混凝土箱體拱架被動支撐相結合的支護技術對滇中引水香爐山隧洞軟巖變形控制效果顯著,但在長錨索施作方面目前僅考慮了在TBM主機區(qū)搭建作業(yè)平臺施作的方式,若要進一步提升錨索施作效率、優(yōu)化錨索施作角度,在TBM改造時還需考慮研發(fā)推進梁可伸縮的用于徑向長錨索施作的專用鉆機。另外,目前刀盤的可擴挖量小而難以預留足夠的變形量,故TBM改造時需要研發(fā)具備更大范圍擴挖能力的刀盤結構。最后,完善高地應力軟巖地層敞開式TBM隧洞圍巖變形控制技術體系是下一步繼續(xù)攻關的方向。