深埋軟巖輸水隧洞TBM施工監(jiān)測預警與管片長期穩(wěn)定性的研究

朱利平　章慧　姜海波

摘要：軟弱圍巖擠壓大變形、支護結(jié)構(gòu)變形失效、TBM護盾卡機等是復雜地質(zhì)條件下跨流域調(diào)水超長深埋隧洞的關(guān)鍵技術(shù)問題，國內(nèi)某深埋軟巖輸水隧洞在施工時出現(xiàn)軟巖膨脹大變形，在隧洞TBM施工過程中頂管片在左、右側(cè)管片上縱縫受偏壓影響，其錯臺量較大，為了確保隧洞襯砌結(jié)構(gòu)長期安全運行，本文通過TBM施工強膨脹圍巖擠壓大變形加固計算，對錯臺部分管片采用鋼支撐縱環(huán)向加固、自進式中空錨桿化灌或水泥灌漿加固措施；選擇不利斷面對加固后的隧洞圍巖進行長期穩(wěn)定性仿真計算分析，并結(jié)合運行期6個監(jiān)測斷面的實測數(shù)據(jù)與監(jiān)控指標進行對比分析，加固后管片裂縫錯臺不再繼續(xù)擴展，表明該處置方案十分成功，研究成果可為其他類似工程提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：輸水隧洞；膨脹軟巖；TBM；擠壓變形；管片加固

中圖分類號：TU47文獻標志碼：A文獻標識碼

Study on TBM construction monitoring and segment long-term stability of deep buried soft rock tunnel

ZHU? Liping1，ZHANG? Hui2，JIANG? Haibo3*

（1 Xinjiang Development and Construction Administration for Yili River Basin，Urumqi，Xinjiang 830000，China;

2 China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China;

3 College of Water

Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract： ?Large deformation of soft surrounding rock， deformation and failure of supporting structure， and TBM shield stuck machine are the key technical problems of trans-basin water diversion tunnel under complex geological conditions. Large soft rock expansion deformation occurs in the construction of a deep-buried soft rock water transmission tunnel in China. In the TBM construction process， the vertical joints of the roof segment on the left and right segments are affected by bias pressure， resulting in a large number of table errors. In order to ensure the long-term safe operation of tunnel lining structure， some segments of wrong and wrong platform are reinforced in longitudinal ring direction by steel support， self-feeding hollow bolt chemical grouting or cement grouting according to the calculation of large deformation reinforcement of strong expansion surrounding rock under TBM construction. Choose bad broken face after reinforcement long-term stability simulation analysis of tunnel surrounding rock， combining with six run-time monitoring cross section of the measured data and monitoring indicators for comparative analysis of segment crack fault does not continue to expand after reinforcement shows that the disposal scheme is very successful， research results can provide reference and reference for other similar projects.

Key words： water conveyance tunnel;swelling soft rock;TBM;extrusion deformation；segment reinforcement

經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，TBM掘進技術(shù)日臻成熟［1］，已在眾多水利水電、能源及鐵路工程中得到廣泛應用［2-3］。近年來，越來越多的復雜地質(zhì)、高埋深和超長隧洞工程開始建設(shè)，將不可避免地需要穿越具有復雜地質(zhì)構(gòu)造的山嶺地區(qū)，面臨著自然環(huán)境惡劣、地震烈度高、不良地質(zhì)多發(fā)等不利因素［4］。當TBM穿越極軟巖地層時，面臨擠壓大變形與卡機脫困的嚴峻挑戰(zhàn)［5］，而且大量工程實踐表明圍巖擠壓大變形導致的TBM卡機災害是占比最大的地質(zhì)災害之一［6］。

軟巖是西部地區(qū)重大工程建設(shè)中常遭遇的不良地質(zhì)現(xiàn)象，如蘭渝鐵路的馬家坡隧道，其大變形段主要是泥巖夾砂巖互層為主，木寨嶺隧道大變形主要是薄層狀碳質(zhì)板巖為主，蘭西鐵路烏鞘嶺隧道大變形主要以層狀板巖和千枚巖為主。極軟巖隧道工程發(fā)生擠壓大變形后，誘發(fā)初支侵限、二襯開裂等重大工程災害。SINGH B等［7］和GOEL R K等［8］提出隧道工程產(chǎn)生擠壓變形的判斷判據(jù)，該判據(jù)主要是建立埋深與巖體質(zhì)量分級指標之間的關(guān)系；SAKURAI S等［9］、AYDAN 等［10］和GOEL R K等［11］提出了隧道工程擠壓變形的等級劃分方法。

在軟巖隧洞開挖應力調(diào)整階段完成后，圍巖在相對穩(wěn)定應力作用下發(fā)生持續(xù)蠕變，其累計變形量可達500mm。對此何滿潮等［12］研發(fā)了具有較高恒定支護力和拉伸變形量、適應軟巖隧洞大變形的負泊松比NPR材料新型錨桿（索）結(jié)構(gòu)，并開展了其與巖體相互作用的本構(gòu)模型分析與物理試驗研究；張傳慶等［13］提出了潛在擠壓比的概念，建立了基于潛在擠壓比的地下工程軟巖擠壓程度的評價方法。目前針對隧洞軟弱圍巖大變形控制、大變形分類治理及其新型支護體系作用機制的研究尚不充分［14］，為降低軟弱圍巖大變形的的影響，迫切需要研究基于不同誘因驅(qū)動的圍巖大變形特征及變形控制策略，提出適應于圍巖大變形的新型錨噴支護體系，研究其與圍巖的相互作用機制，以及適應于圍巖大變形新型錨噴支護體系與圍巖的相互作用機制，并分析不同錨固支護類型對圍巖大變形的控制效應［15］。

針對國內(nèi)某深埋軟巖輸水隧洞在施工時出現(xiàn)軟巖膨脹大變形和隧洞TBM施工中遭遇錯臺量較大的問題，本文通過TBM施工強膨脹圍巖擠壓大變形加固計算，對錯臺部分管片采用鋼支撐縱環(huán)向加固、自進式中空錨桿化灌或水泥灌漿加固措施實現(xiàn)了從洞內(nèi)快速加固處理，省去了停機拆刀、搭設(shè)臨時工作架等工序，減少了人工投入。本文，采用MIDAS GTS有限元軟件對超前加固前、后2種工況進行模擬分析，并結(jié)合對運行期6個監(jiān)測斷面的實測數(shù)據(jù)與監(jiān)控指標的對比分析，驗證超前鉆注一體機的預加固效果，旨在為軟巖等不良地質(zhì)條件下TBM施工提供理論技術(shù)支撐。

1 達坂隧洞TBM施工段工程地質(zhì)條件

達坂輸水隧洞全長30.69km，線路呈東西向布置，走向在NW274.7°～NW299.7°之間。在TBM施工出渣過程中，粒徑大于20cm的不規(guī)則巖塊占20%～25%，出渣量超出正常量的30%。隧洞TBM掘進后圍巖應力重分布，當頂拱變形量大于26.5cm，側(cè)拱變形量大于17.0cm，粒徑30～40cm的不規(guī)則巖塊占35%～50%，如圖1所示，出渣量超出正常量60%，無豆礫石充填。

由于圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育程度不一，其物理力學特性參數(shù)較為分散，單軸抗壓強度和彈性模量均較低。天然狀態(tài)下其單軸抗壓強度為0.9～11.4MPa，平均為4.8MPa；變形模量為100.4～323.7MPa，平均為601.7MPa；彈性模量為103.4～1 519.2MPa，平均為633.4MPa。飽水條件下其單軸抗壓強度為0.20～15.6MPa，平均為3.6MPa；變形模量為20.5～2 628.9MPa，平均為520.4MPa；彈性模量為23.3～2 696.3MPa，平均為536.9MPa。軟化系數(shù)為0.21～0.74。另外，

由于TBM施工掘進揭露的泥質(zhì)巖類段具有膨脹性、較高的地應力場和大變形等問題，頂管片3 670～3 685環(huán)、7 932～7 935環(huán)、7 940～7 963環(huán)的左右拱腳受擠壓變形錯臺，并導致邊墻開裂。

2 達坂隧洞TBM施工強膨脹巖擠壓大變形加固設(shè)計與穩(wěn)定性分析

2.1 擠壓大變形開裂段加固設(shè)計

為了確保達坂隧洞TBM掘進中圍巖大變形錯臺段襯砌的長期安全，決定對達坂隧洞3 670～3 685環(huán)、7 932～7 935環(huán)、7 940～7 963環(huán)的錯臺段進行加固，主要采用鋼支撐環(huán)向加固、自進式中空錨桿化灌或水泥漿加固措施，加固后的鋼支撐、網(wǎng)筋、錨桿端部等凈保護層厚度確保5.0cm。

2.2 大變形段管片配筋與加固計算穩(wěn)定分析

按照荷載計算方法以及上覆巖層的巖土壓力，分別對不考慮壁厚注漿加固圍巖的效果（圍巖為II、III、IV、V、V1類）和考慮壁厚采用Φ25自進式中空錨桿注漿加固圍巖的效果（II、III、IV、V、V1類）A-1、A、B、C、C-2、D、E五種圍巖的管片進行校核。根據(jù)地應力場分布規(guī)律對隧洞不同圍巖類別時的物理、力學指標進行分析計算研究。管片幾何參數(shù)：內(nèi)徑凈空尺寸6m；管片材料參數(shù)：C40鋼筋混凝土，彈性模量33 GPa，泊松比0.167。

雙護盾TBM開挖隧洞管片結(jié)構(gòu)與地層間的相互作用模型采用荷載－結(jié)構(gòu)模式，如圖2所示，其中P±1為上覆土荷載、P±2為隧洞底部的土壓力反力、Pg為管片自重反力、P水2為內(nèi)外水壓力導致的反力、q±1和q±2為側(cè)向土壓力、P膨為圍巖膨脹壓力，Pw外和Pw內(nèi)分別為外水和內(nèi)水壓力、N為埋深、D為護盾隧洞外徑。

等效剛度圓環(huán)模型考慮管片接頭的整體剛度降低，折減系數(shù)為η（η≤1）。根據(jù)等效剛度為ηEI，考慮彎矩增大系數(shù)ζ（ζ≤1），則管片的彎矩為（1+ζ）M，管片接頭彎矩為（1-ζ）M。此模型若取η=1、ζ=0，則成為均質(zhì)圓環(huán)模型，如圖3所示。

2.3 穩(wěn)定性數(shù)值模擬

2.3.1 計算模型

二維計算模型中管片襯砌用梁單元來模擬，巖體抗力用彈簧來模擬。巖體抗力僅考慮受壓，從而設(shè)定了徑向巖體抗力彈簧在受拉情況下自動脫落。由于切向地應力抗力參數(shù)缺乏試驗資料，切向地應力彈簧抗力剛度系數(shù)取徑向抗壓剛度系數(shù)的0.3倍，不同圍巖的物理力學參數(shù)取值如表1。圍巖抗壓強度按公式σc=2ccosφ/（1-sinφ）計算，抗拉強度按公式σs=6ccosφ/（3+sinφ）計算，相關(guān)參數(shù)按照表1中參數(shù)取值。隧洞和管片的體型如圖4所示，整個計算模型二維單元和地應力計算模型單元如圖5所示。

2.3.2 設(shè)計原則及計算工況

（1）設(shè)計原則。

對達坂隧洞遭遇的極軟巖等不良地質(zhì)條件，根據(jù)支護參數(shù)與荷載的敏感性，采用多種計算方法，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測預警技術(shù)，選擇極軟巖等不利地質(zhì)洞段進行管片結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性分析研究。采用內(nèi)加固管片，外加固圍巖等措施，使極軟巖洞段加固后形成環(huán)向成拱，縱向成梁的承載結(jié)構(gòu)。各計算斷面及設(shè)計原則見表2。

（2）計算荷載。

作用在管片上的基本荷載：圍巖變形壓力、襯砌自重、內(nèi)水壓力、外水壓力、灌漿壓力、膨脹壓力、施工荷載、彈性抗力、地震荷載等，荷載組合見表3。

各荷載計算情況如下：

圍巖變形壓力：按最大圍巖變形壓力作用于襯砌表面；襯砌自重：混凝土按24 kN/m3計算，鋼筋混凝土按25 kN/m3計算；內(nèi)水壓力：無壓隧洞按靜水壓力分布計算，水深按隧洞最大過水流量對應水深加一定超高考慮，隧洞段內(nèi)水頭取4.7m；外水壓力Pe：按均布力作用于襯砌外表面，計算公式為Pe=βeγwHe，γw為水的容重，He為外水壓力水頭，βe為外水壓力折減系數(shù)，各類圍巖所取計算斷面的He、βe的取值見表2;灌漿壓力：根據(jù)設(shè)計考慮，取0.1～0.3MPa，為均布力；膨脹壓力：Ⅳ圍巖0.2MPa，Ⅴ圍巖0.25MPa，施工荷載影響較??；彈性抗力：依據(jù)圍巖類別確定；地震作用：基本烈度為8度，水平加速度取0.2g。

（3）荷載工況。

施工期工況：自重+外水壓力+灌漿壓力+圍巖壓力+施工荷載+彈性抗力，無圍巖膨脹壓力。

運行期工況：自重+外水壓力+內(nèi)水壓力+圍巖壓力+彈性抗力+地震荷載，有圍巖膨脹壓力。

檢修期工況：自重+外水壓力+圍巖壓力+彈性抗力，有圍巖膨脹壓力。

作用在管片上的圍巖外壓主要來自洞室開挖后地應力釋放和圍巖回彈變形。圍巖壓力的大小很復雜，與地應力、圍巖性質(zhì)、管片安裝時間、灌漿時間、襯砌剛度等許多因素有關(guān)，精確的分析需要大量現(xiàn)場監(jiān)測資料。圍巖的變形大致可以分成兩部分，即彈性變形和粘塑性變形。彈性變形部分在洞室開挖后較短時間內(nèi)就可以完成，此時管片和圍巖之間還沒灌漿，此部分變形往往對襯砌不造成圍巖壓力；另一部分粘塑性變形具有一定的滯后效應，與圍巖的粘性、力學強度指標、地應力量級等因素有關(guān)，是造成襯砌圍巖壓力的主要原因。

對于地下結(jié)構(gòu)，地震作用的影響相對地面結(jié)構(gòu)要小得多。

隧洞圍巖與襯砌在地震波作用下的動力響應分析相對繁瑣。由于襯砌采用管片結(jié)構(gòu)，地震引起的軸向應力對隧洞的影響較小，本研究主要考慮垂直于隧洞軸線的水平向地震作用，這與最大地應力釋放荷載方向相同，屬于不利組合。按擬靜力法考慮襯砌的慣性力和內(nèi)水動慣性水壓。

計算參數(shù)及計算結(jié)果見表4、表5、圖6和圖7。

（4）運行期部分工況管片加固計算分析。

管片加固設(shè)計后，各斷面計算工況在計算分荷載組合下，管片呈偏心受壓狀態(tài)，計算按小偏心受壓配筋復核計算得出的承受地應力的百分數(shù)。按V、V1類圍巖承擔地應力場的20%；按IV類圍巖承擔地應力場的15%（是實測荷載的1～2倍）；III類圍巖承擔地應力場的12%；II類圍巖承擔地應力場的10% 進行計算分析，各斷面管片襯砌有1.2～2.0的安全度。

計算研究復校設(shè)計原則按照限裂或抗裂進行控制，在地應力、灌漿壓力、內(nèi)水壓力、外水壓力、及膨脹壓力、地震荷載（施工期、運行期、檢修期）作用組合下，并不是結(jié)構(gòu)的抗裂或限裂的控制工況，而是僅在地應力的作用下按照抗裂或限裂的工況控制，僅在地應力的作用下各斷面能承受地應力的百分數(shù)在12.0%～37.1%之間。

按施工期、運行期、檢修期荷載組合作用下復核計算出的承受地應力的百分比基本都比按限裂或抗裂計算出的能承受地應力的百分比小。假如在施工時僅在外荷載作用下管片已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，而在施工期、運行期、檢修荷載（主要灌漿壓力、外水壓力及膨脹壓力）組合作用下呈偏心受壓狀態(tài)，通過采用長3～4m孔深化灌、預應力錨桿、Φ25自進式中空錨桿注漿、鋼支撐聯(lián)合加固等措施后，管片錯臺和裂縫不再繼續(xù)擴展，可以確保洞室長期穩(wěn)定。

3 達坂隧洞運行期監(jiān)測預警與設(shè)計監(jiān)控指標的對比分析

達坂隧洞的地質(zhì)條件極為復雜，土洞和Ⅳ、Ⅴ類圍巖以及不良地質(zhì)約占總洞長的94.8%；隧洞運行期的6個預警監(jiān)測斷面，代表典型地質(zhì)條件下的結(jié)構(gòu)長期性能演化特征，以及從施工期埋設(shè)的多點位移計、埋入式測縫計、滲壓計、鋼筋計、土壓力計實測的最大值小于設(shè)計監(jiān)控指標（表6），從而證明隧洞襯砌結(jié)構(gòu)是安全的。另外，該隧洞已安全通水多年，參照類似地下工程的做法，每年檢修期（冬季停水）對隧洞進行全面檢查，并對隧洞的結(jié)構(gòu)安全性進行全面的評估，從而證明達坂隧洞洞室是穩(wěn)定的。

4 結(jié)論

達坂引水隧洞已經(jīng)安全通水多年，總結(jié)極軟巖TBM隧洞大變形工程處治方法和效果方面的經(jīng)驗如下：

（1） 薄層狀極軟巖TBM隧洞施工過程中常采用雙護盾TBM的施工方法，如何減少和避免管片產(chǎn)生的錯臺、卡機等現(xiàn)象是一個十分棘手的問題，在類似工程的設(shè)備選型階段，應該充分考慮圍巖的時效變形特性，預留足夠的擴挖量，盡可能減少工程施工中卡機現(xiàn)象的發(fā)生。

（2） 達坂隧洞因大變形導致管片襯砌結(jié)構(gòu)開裂和錯臺后，通過系統(tǒng)的試驗和數(shù)值計算后，提出鋼支撐、化灌、Φ25自進式中空錨桿注漿和預應力錨桿等聯(lián)合加固方法，通過現(xiàn)場安全監(jiān)測、壓漿等檢查，可以有效加固圍巖；加固后管片錯臺不再繼續(xù)擴展，處置方案十分成功。

（3） 在擠壓大變形的隧洞工程施工前應詳細分析TBM卡機對結(jié)構(gòu)帶來的安全風險，并考慮合理的管片結(jié)構(gòu)型式和強度，以確保襯砌結(jié)構(gòu)的長期安全。

（4） 對管片的配筋和加固設(shè)計復核后，證明隧洞的加固設(shè)計可以確保洞室長期穩(wěn)定運行的要求。

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（責任編輯：編輯張忠）

收稿日期：2022-03-17

基金項目：國家自然科學基金（51769031），兵團區(qū)域創(chuàng)新引導計劃（青年科技骨干人才培養(yǎng)計劃）（2021BB004）

作者簡介：朱利平（1968—），男，高級工程師，現(xiàn)從事水利水電工程建設(shè)管理工作，e-mail：980128226qq.com。

*通信作者：姜海波（1982—），男，教授，博士生導師，從事寒旱區(qū)地下隧洞損傷及穩(wěn)定研究，e-mail：klaud_123@163.com。