不同施工方法下錦屏大理巖隧洞松弛范圍及微觀破裂方式

吉 鋒,陳中華

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

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不同施工方法下錦屏大理巖隧洞松弛范圍及微觀破裂方式

吉 鋒,陳中華

（成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護國家重點實驗室,成都 610059)

摘 要：TBM（Tunnel Boring Machine全斷面隧道掘進機)法和鉆爆法是地下工程開挖的2種主要方法,不同施工方法導(dǎo)致圍巖的擾動程度、變形破壞、自穩(wěn)性、加固措施均不相同,要準(zhǔn)確把握這些宏觀特征,必須從微觀上分析巖石的力學(xué)特征。以最大埋深2 525 m的錦屏二級水電站引水隧洞為研究對象,對不同開挖條件下的大理巖進行了電鏡掃描測試、松弛深度檢測,分析不同開挖條件下巖石的破壞方式和松弛范圍。試驗結(jié)果表明:在巖石破壞斷面形貌上,TBM開挖條件下的巖石斷口多為沿晶面擦花和切晶擦花,破壞機理以剪切為主,而鉆爆法以拉斷破壞為主；在松弛深度方面,鉆爆法開挖下的圍巖松弛深度大于TBM開挖下的圍巖松弛深度40～100 cm。以上試驗成果為相似地質(zhì)條件下的巖石破壞機理和加固措施提供借鑒。

關(guān)鍵詞：TBM；鉆爆法；掃描電鏡；松弛深度；破裂機制；加固措施

2016,33（02):67-70

1 研究背景

在地下洞室開挖中,主要有TBM（Tunnel Boring Machine全斷面隧道掘進機)法和鉆爆法2種掘進方法,2種不同施工方法造成的圍巖變形破壞、自穩(wěn)性、加固措施均不同。目前,國內(nèi)外的眾多學(xué)者從TBM開挖后圍巖的應(yīng)力分布狀態(tài)、圍巖的松弛卸荷深度、圍巖的完整性等方面做了大量的工作,如R. Ribacchi等［1］在片麻巖隧洞中研究了巖性對TBM掘進性能的影響規(guī)律；王華等［2］結(jié)合TBM施工隧道巖石耐磨性試驗和巖石力學(xué)強度試驗,采用回歸分析方法建立了巖石耐磨性與巖石各力學(xué)強度指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系數(shù)學(xué)模型；冷先倫等［3］通過研究表明TBM掘進速率越大則圍巖擾動區(qū)越小,而且圍巖也更加穩(wěn)定；程兵銳等［4］通過統(tǒng)計,得出在TBM掘進的隧洞中,破壞主要集中在距離掌子面10 m的范圍內(nèi),開裂主要集中在距掌子面7 m范圍內(nèi),最嚴(yán)重的主要在3 m范圍內(nèi),并且變形破壞的最大影響深度一般為9 m；陳浩［5］通過研究表明,在高地應(yīng)力狀態(tài)下,隨著TBM推力的增大,TBM掘進速率會同步提高,但當(dāng)推進力超過了某一特定值時,TBM不會以最佳狀態(tài)進行工作；C. Oggeri等［6］研究了TBM掘進時的推進力和掘進速度之間的關(guān)系；N. Bilgin等［7］通過實驗得出巖石的單軸抗壓強度與TBM掘進效率密切相關(guān)；K. Fukui等［8］通過試驗建立了一個利用TBM切削力估算巖體強度的方法；S. Yagiz［9］建立了一個現(xiàn)場巖石強度和TBM掘進效率的經(jīng)驗公式；吳世勇等［10］針對錦屏II級水電站TBM引水洞及排水洞深部大理巖發(fā)生的劇烈板裂化巖爆與非劇烈板裂化片幫現(xiàn)象,通過試驗表明,試驗中巖樣發(fā)生的板裂化破壞現(xiàn)象與TBM開挖隧道圍巖的板裂化破壞具有很好的吻合性。蘇華友等［11］通過一個實際TBM隧洞工程的施工動態(tài)監(jiān)測,闡明信息化施工可以很好地保證TBM隧洞圍巖的穩(wěn)定性、合理選取支護結(jié)構(gòu)。楊龍等［12］采用數(shù)值模擬對TBM引起的圍巖振動進行分析。李青松等［13］通過對影響TBM隧洞圍巖分級的因素提取,采用多元回歸方法進行圍巖質(zhì)量擬合。

通過以上研究可見,目前的研究主要圍繞TBM鉆進中圍巖的宏觀特征方面,在微觀機理方面的試驗研究有待進一步加強,本文以世界上埋深最大的錦屏二級引水隧洞為依托,通過對不同開挖方法下的巖石進行電鏡掃描、松弛帶聲波檢測,分析了在不同施工條件下巖石破壞特征和松弛范圍,從而為進一步的變形機理研究和加固措施提供了堅實基礎(chǔ)。

2 試驗方法

錦屏二級水電站分布于我國西部的雅礱江中游,地處深切峽谷,采用長引水發(fā)電,4條引水隧洞平均長度16.625 km,最大埋深達2 525 m左右,部分地段地應(yīng)力高達60～70 MPa,水壓力高達10.2 MPa,如此大埋深、高外水壓力、高地應(yīng)力的地質(zhì)情況為世界罕見,4條引水隧洞中的1＃和3＃隧洞采用TBM開挖,機器操作分別由美國羅賓遜公司和德國海瑞克公司進行,2＃和4＃采用鉆爆法開挖,4條隧洞平行相距僅50 m,同一地質(zhì)條件下的不同施工方法為巖石變形破壞對比研究提供了非常有利的條件。

整個隧洞沿線地形起伏,高程均在3 000 m以上,最高山峰達4 113 m,由白山組大理巖組成地形主分水嶺。進水口側(cè)岸坡坡度為40°～60°,局部陡峻, 達75°以上；出水口側(cè)岸坡坡度35°～45°,局部達60°以上。引水隧洞沿線所穿越的地層均為三疊系地層,總體走向以NNE向為主。其中白山組大理巖（T2b)分布在工程區(qū)的中部,結(jié)構(gòu)致密、質(zhì)純,其沿洞線展布長度為8 056～8 097 m,重度27.6 kN/ m3,天然抗壓強度75～85 MPa,飽和抗壓強度60～70 MPa,變形模量10.0～12.0 GPa,彈性模量20～25 GPa,泊松比0.20,抗剪斷強度C′為0.70～1.0 MPa,f′為0.90～1.20。

圍巖宏觀變形破壞是巖石內(nèi)部微裂紋發(fā)展到一定程度的延續(xù),錦屏大理巖是一種硬脆性巖石,作為高地應(yīng)力環(huán)境下的產(chǎn)物,對巖石的破裂過程進行捕捉,并解譯其在加載階段的特征,可更好地了解不同開挖條件下圍巖變形破壞的機理和特征。

2.1 電鏡掃描測試

對TBM和鉆爆法開挖時的巖樣分別采用S-3000N型高清晰掃描電鏡、EX0-350X射線能譜儀進行測試,從而觀察不同開挖方式對巖石斷面的影響規(guī)律,被鑒定的巖樣總數(shù)共16組,有鉆爆法開挖破裂的巖樣、TBM法破裂的巖樣,巖性均為三疊系白山組大理巖,取樣位置及特點如表1所示。

表1 掃描電鏡試驗樣品特征Table 1 Characteristics of specimen in test of scanning electron microscope

巖石樣品在實驗室內(nèi)首先進行切片,切片后尺寸大約1cm×1cm×0.5cm,在此過程中,為保護樣品鑒定斷面的完整,以免產(chǎn)生二次破裂影響,制作時先用薄層棉花把樣品包裹,再用較厚層的棉紗布包裹樣品,然后再進行切割。

據(jù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力下巖石斷口形貌可以知道,典型的巖石斷口形貌圖譜一般有3種類型,包括張裂型斷口、剪切型斷口、張剪復(fù)合型斷口。其中,張裂型形貌包括沿晶拉花型、穿晶拉花型、臺階狀花樣型3類；剪切型包括沿晶面擦花型、切晶擦花型、以及擦階花樣型、整平斷口花樣型；張剪復(fù)合型斷口形貌介于二者之間。

2.2 應(yīng)力松弛帶聲波檢測

松動圈的準(zhǔn)確測定可以分析開挖方式對圍巖的影響,對錨桿的設(shè)計長度進行修正,使得錨桿的長度更加合理和經(jīng)濟。地下洞室內(nèi)洞壁松弛帶厚度測試常采用跨孔穿透聲波法測試,跨孔測試要求對穿測試孔平行。

3 試驗成果及分析

3.1 電鏡掃描成果

在TBM掘進過程中,巖石的破裂斷面主要表現(xiàn)為沿著晶體之間產(chǎn)生摩擦狀花紋（晶面擦花),或晶體內(nèi)部發(fā)生剪切破裂（切晶擦花)（圖1)。

圖1 TBM下切削壓剪斷口形貌Fig.1 Photographs of fracture surface of rock by scanning electron microscope under cutting of TBM

圖1（a)為魚骨狀圖紋,當(dāng)破裂解理沿著晶面和基體擴展時,孿晶與基體相互交匯處即成為魚骨中部的主軸長條,而晶面與基體間的解理裂紋則分布于魚骨兩側(cè)；圖1（b)主要為條紋狀構(gòu)造,在斷口上可見一系列平行的摩擦痕跡,系由晶體間或晶體內(nèi)部滑移時剪切形成；圖1（c)為蛇形滑動樣紋,可見一系列彎曲的線性條紋,猶如蛇跡,系晶體間或晶體內(nèi)部剪切錯動而形成相互交匯的滑移面；圖1（d)為雙滑移的斷面形貌,可見2個方向的滑移痕跡,并且長短不一,一般有一組線條明顯長于另外一組線條,系由晶體在2個方向滑移錯動時形成,巖石斷面一般較平整。

綜上,TBM施工條件下巖石斷面以剪切型為主,張裂型斷口相對不發(fā)育。

爆破法開挖時,巖石斷口的形貌有張裂型和剪裂型,但平滑的剪裂型斷口形貌相對較少,粗糙起伏的張裂型斷口相對較多,其特征是顆粒斷裂粗糙、晶間的膠結(jié)差、斷口的棱角分明,并且多呈顆粒狀（圖2)。

圖2 鉆爆法條件下應(yīng)力型斷口形貌Fig.2 Photographs of fracture surface of rock by scanning electron microscope with drilling and blasting method

圖2（b)為晶間斷裂花樣,剪切斷口主要表現(xiàn)為切晶擦花；圖2（d)為條紋狀花樣形貌,晶體具有拉裂形成的晶間粗糙破裂特征,也有晶體界面上的擦斷特征,并且可見摩擦的粉粒在低洼部位匯集。

據(jù)斷口形貌分析可知,不同施工方法對巖石斷口形貌影響程度不同,巖樣的破裂機制也不同。爆破施工條件下巖樣斷口拉剪破壞都很發(fā)育；TBM施工條件下巖樣斷口以剪破壞為主（見表2)。

表2 不同施工條件下巖石斷口的破裂機制Table 2 Failure mechanism of fracture surface of rock under different construction conditions

3.2 應(yīng)力松弛帶聲波檢測成果

同一地質(zhì)條件,不同施工方法下測量的隧洞松弛斷面如下（圖3、圖4)所示。

圖3 K15+700聲波檢測成果Fig.3 Test results of sound wave at stake number of K15+700

圖4 K15+150聲波檢測成果Fig.4 Test results of sound wave at stake number of K15+150

由圖3和圖4可知,在相同工程地質(zhì)條件下,鉆爆法開挖隧洞的圍巖松弛深度大于TBM開挖的隧洞40～100 cm。這一方面是由于爆破對圍巖的擾動大于TBM,在爆破開挖的過程中,松弛圈內(nèi)圍巖的損傷程度大于TBM開挖隧道,圍巖的質(zhì)量有所下降；另一方面,TBM開挖的隧道圍巖支護及時,限制了松動圈向深部的擴展,利于圍巖的整體穩(wěn)定,而鉆爆法下的系統(tǒng)支護通常落后于掌子面一段距離,易于造成圍巖的進一步破壞,甚至是圍巖累進性破壞的突破口。所以,鉆爆法開挖的隧洞在加強支護的同時,支護的強度也要優(yōu)于TBM開挖的隧洞,更好地限制了大理巖松弛圈的發(fā)展。

4 結(jié) 語

通過TBM和鉆爆法2種不同開挖條件下的電鏡掃描和聲波測試,結(jié)果表明: TBM和鉆爆2種不同施工方法對巖石斷面形貌的影響具有差異性,其破裂機制亦不同,爆破的沖擊斷口以拉破壞為主；TBM的切削、壓剪斷口以剪破壞為主。在相同工程地質(zhì)條件下,鉆爆法開挖下的圍巖松弛深度大于TBM開挖下的圍巖松弛深度40～100cm,其成果可以為巖性、結(jié)構(gòu)等地質(zhì)條件相似隧洞的施工開挖和加固提供借鑒。

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（編輯:劉運飛)

Stress-relaxation Depth and Microscopic Failure Mode of Marble Tunnel by Using Different Construction Methods at JinpingⅡHydropower Station

JI Feng, CHEN Zhong-hua
（State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059 , China)

Abstract:TBM（Tunnel Boring Machine) method and drilling and blasting method are two main methods in the excavation of underground projects. As for the two methods, disturbance range of surrounding rock, deformation and destruction characteristics, self-stability, and treatment measures are different. In order to accurately understand macroscopic mechanical characteristics of surrounding rock, we should analyze it at microscopic level. Diversion tunnel in JinpingⅡhydropower station ,with maximum embedded depth of 2 525 m, is taken as an example. We carry out tests of scanning electron microscope（SEM) and detect the depth of stress relaxation for marble tunnel under different excavation methods. The test results show that, 1) fracture surfaces of rock by scanning electron microscope in TBM method show pattern of wiping along crystal face and pattern of cutting crystal face, with shear failure as the main failure mechanism, whereas tensile failure for drilling and blasting method；2) in the aspect of relaxation depth, stress-relaxation depths of surrounding rock excavated by drilling and blasting method are larger than those by TBM method, which vary from 40 cm to 100 cm. The research findings provide reference for failure mechanism of rock and reinforcement measures in projects with similar geological conditions.

Key words:TBM；drilling and blasting method；scanning electron microscope；depth of stress relaxation；failure mechanism；reinforcement measures

作者簡介：吉 鋒（1980-),男,山西臨汾人,副教授,博士,主要從事重大地質(zhì)災(zāi)害穩(wěn)定性預(yù)測評價方面的研究,（電話)13551291972（電子信箱)jeifeng@ cdut.edu.cn。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（51308082)；四川省教育廳基金項目（15ZA0075)

收稿日期：2014-09-23;修回日期：2014-11-02

doi:10.11988/ ckyyb.20140819

中圖分類號：P642; TU45

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)02-0067-04