TBM 施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監(jiān)測(cè)分析

楊 勝 ，黃志文 ，陳 霞

（1.遼寧水利土木工程咨詢有限公司，遼寧沈陽(yáng)110003；2.遼寧省遼陽(yáng)縣小屯鎮(zhèn)水利站，遼寧遼陽(yáng)111000）

1 工程概述

大伙房水庫(kù)輸水隧洞長(zhǎng)85.32 km，開挖洞徑8.0 m，屬大斷面超長(zhǎng)隧洞，自流輸水。隧洞工程施工采用以隧洞掘進(jìn)機(jī)（TBM）為主、鉆爆法（D&B）為輔的聯(lián)合施工方案。TBM1施工段段長(zhǎng)22.68 km（樁號(hào)21+610.82—44+288）。為了確保單機(jī)掘進(jìn)長(zhǎng)度、方便施工及運(yùn)行期的維護(hù)與管理，在本施工段設(shè)置了3條中間施工支洞。TBM1施工段的施工特點(diǎn)是：① 中間施工支洞將其分成兩段；②順坡掘進(jìn)；③錨噴初期支護(hù)伴隨TBM掘進(jìn)同步進(jìn)行；④二次混凝土襯砌是在TBM完成第一段掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)TBM設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)并開始進(jìn)行第二段掘進(jìn)后，方可在第一段進(jìn)行。

2 地質(zhì)狀況

TBM1施工段26+960—27+691洞段，圍巖主要為正長(zhǎng)斑巖、煌斑巖及構(gòu)造巖,肉紅色～黑色，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,圍巖多為節(jié)理密集帶，多微張～張開，充填泥質(zhì)。此段共發(fā)育了30多條規(guī)模大小不一的斷層,其中規(guī)模較大的幾條斷層對(duì)洞室穩(wěn)定影響較大。

3 塑性變形

TBM掘進(jìn)至主洞樁號(hào)26+960時(shí)，遭遇斷層破碎帶和含煌斑巖侵入帶。在TBM掘進(jìn)通過26+960—27+691洞段后，經(jīng)臨時(shí)監(jiān)控量測(cè)結(jié)果顯示圍巖收斂，其中局部收斂變形較大，尤其是27+418.7—27+674.7洞段變形后已嚴(yán)重侵占了二次（永久）襯砌斷面，發(fā)生了塑性變形：①圍巖變形致使后配套拖車護(hù)欄被迫拆除，噴射混凝土設(shè)備通過受阻；②頂拱鋼拱架部位噴射混凝土掉塊嚴(yán)重，鋼拱架外露并產(chǎn)生變形；③邊拱噴射混凝土產(chǎn)生裂縫，局部隆起；④仰拱承受邊頂拱的高壓荷載普遍隆起（見表1），運(yùn)輸軌道扭曲變形；⑤煌斑巖在高強(qiáng)擠壓下，從邊拱混凝土裂縫、特別是仰拱巖體中涌出；⑥60°圓心角仰拱部位裸露的鋼拱架普遍產(chǎn)生“N”字形嚴(yán)重變形。

4 處理措施

TBM通過該洞段后，為保證洞室穩(wěn)定和人員、設(shè)備安全，遏制塑性大變形的持續(xù)發(fā)展，在原有初期支護(hù)基礎(chǔ)上，采取加密鋼拱架間距、手噴混凝土，并增加φ50鋼管、[16槽鋼、I10工字鋼連接筋增加支護(hù)強(qiáng)度等技術(shù)措施。

但隨后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)成果表明，該洞洞段的圍巖收斂變形仍在繼續(xù)，27+469.5—27+650段洞室結(jié)構(gòu)已處于不穩(wěn)定狀態(tài)。于是開始對(duì)該段采取澆筑混凝土封閉仰拱，同時(shí)底板和頂拱120°范圍內(nèi)實(shí)施φ25 L=4 m的自鉆式錨桿等措施進(jìn)一步加固。加固后根據(jù)監(jiān)控量測(cè)成果表明，圍巖收斂速度明顯降低，圍巖基本穩(wěn)定；有效地阻止了圍巖收斂變形的大幅度增長(zhǎng)；隨后增設(shè)的錨桿支護(hù)措施使圍巖變形進(jìn)一步得到控制。

表1 仰拱隆起高度表

由于27+208.7—27+678.2洞段變形后已嚴(yán)重侵占二次襯砌混凝土斷面（見表2），必須進(jìn)行侵占斷面處理。為此，經(jīng)全面研究設(shè)計(jì)，決定對(duì)該洞段進(jìn)行全面處理。

表2 圍巖塑性變形侵占襯砌混凝土斷面表

1）固結(jié)灌漿。對(duì)變形較大洞段（27+418.7—27+674.7）進(jìn)行固結(jié)灌漿，灌漿采用HSC漿液，有效控制不良地質(zhì)段超挖。

2）對(duì)原初期支護(hù)的處理。局部侵占襯砌斷面小于50 mm，不予處理；侵占襯砌斷面在50～150 mm，采用風(fēng)鎬鑿除；侵占襯砌斷面大于150 mm，采用爆破法拆除并擴(kuò)挖。

采用爆破處理的洞段是27+418.7—27+674.7，長(zhǎng)256 m，擴(kuò)挖直徑φ8.76 m。由于圍巖地質(zhì)條件較差，擴(kuò)挖采用分步開挖的方式進(jìn)行，先開挖頂拱240°范圍上半斷面，重新支護(hù)鋼拱架底座支撐在下半斷面臺(tái)階上，上半斷面擴(kuò)挖一定距離后再開挖下半斷面。

3）重新確定初期支護(hù)參數(shù)。①隨機(jī)錨桿φ25，L=3.0 m。②頂拱120°范圍超前小導(dǎo)管φ42，L=3 m，外插角 5°～10°，環(huán)向間距 30 cm。③I16鋼拱架，間距0.5 m，I10工字鋼連接，間距1～2 m。④頂拱180°范圍掛φ8@150×150鋼筋網(wǎng)，拱腰以下局部掛網(wǎng)。⑤全環(huán)噴射C25混凝土，厚度200 mm。

4）二次混凝土襯砌。擴(kuò)挖段采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土襯砌，厚度600 mm，雙層配筋φ25@200；非擴(kuò)挖段采用摻加抗裂防水劑CSA的C30混凝土，單層配筋φ25@200；襯砌后成洞洞徑為7.16 m，保證設(shè)計(jì)斷面尺寸。

5 觀測(cè)儀器設(shè)計(jì)與安裝

為長(zhǎng)期準(zhǔn)確觀測(cè)該不良地質(zhì)洞段擴(kuò)挖襯砌后的圍巖是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，給后期工程安全運(yùn)行提供可靠數(shù)據(jù)，在主洞樁號(hào)27+560處增設(shè)了一個(gè)永久觀測(cè)儀器斷面，具體布置形式如圖1所示。其中多點(diǎn)位移計(jì)采用四點(diǎn)式，量程分別為0，3，8，15 m，由洞壁鉆孔埋設(shè)至圍巖內(nèi)部；土壓力計(jì)和滲壓計(jì)安裝在洞壁表面，噴射混凝土?xí)r將其覆蓋；襯砌混凝土應(yīng)變計(jì)（采用二向應(yīng)變計(jì)）和無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)在混凝土襯砌中；鋼筋計(jì)綁扎在受力鋼筋上。

圖1 27+560觀測(cè)斷面監(jiān)測(cè)儀器布置示意圖

6 監(jiān)測(cè)成果分析

6.1 圍巖變形

該觀測(cè)斷面儀器安裝初期圍巖變形量變化較大，1～6個(gè)月后測(cè)值已基本趨于穩(wěn)定。M4-4-01多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的變形范圍為-1.61～5.21 mm，M4-4-02多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的變形范圍為-0.64～4.81 mm，M4-4-03多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)的變形范圍為-0.66～1.54 mm。實(shí)測(cè)位移與時(shí)間關(guān)系曲線見圖2（以測(cè)值變形量最大的M4-4-01多點(diǎn)位移計(jì)為例）。

圖2 M4-4-01位移—時(shí)間曲線

6.2 接觸面壓應(yīng)力

從該斷面3支土壓力計(jì)觀測(cè)到的測(cè)值分析，該接觸面壓應(yīng)力均較小，監(jiān)測(cè)界面處于微受壓狀態(tài)。E-4-01土壓力計(jì)的壓應(yīng)力測(cè)值范圍為-0.009 1～0.046 MPa，E-4-02土壓力計(jì)的壓應(yīng)力測(cè)值范圍為-0.002 6～0.343 9 MPa，E-4-03 土壓力計(jì)的壓應(yīng)力測(cè)值范圍為-0.002 2～0.182 8 MPa。實(shí)測(cè)壓應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線見圖3（以測(cè)值變化量最大的E-4-02土壓力計(jì)為例）。

圖3 壓應(yīng)力-時(shí)間過程曲線

6.3 滲透壓力

P-4-01滲壓計(jì)的滲透壓力測(cè)值范圍為-1.92～0.49 kPa，數(shù)值變化小，說明該測(cè)區(qū)內(nèi)外水壓力很小。P-4-02滲壓計(jì)的滲透壓力測(cè)值范圍為-0.87～42.5 kPa，數(shù)值變化較大。經(jīng)分析，是因?yàn)?009年9月22日試通水時(shí)從排水孔倒灌進(jìn)水所致，對(duì)圍巖穩(wěn)定無大影響。實(shí)測(cè)滲透壓力與時(shí)間關(guān)系曲線見圖4（以測(cè)值變化量最大的P-4-02滲壓計(jì)為例）。

圖4 滲透壓力-時(shí)間過程曲線

6.4 混凝土應(yīng)變

目前觀測(cè)到的混凝土應(yīng)力應(yīng)變以壓應(yīng)變?yōu)橹鳎兓递^小，未出現(xiàn)拉應(yīng)變現(xiàn)象。混凝土質(zhì)量處于安全狀態(tài)。S2-4-01混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)值范圍為-167.12～46.53 με，S2-4-02 混凝土應(yīng)變計(jì)測(cè)值范圍為-161.43～32.60 με，N-4-01 無應(yīng)力計(jì)測(cè)值范圍為0.00～90.21 με。實(shí)測(cè)混凝土應(yīng)變與時(shí)間關(guān)系曲線見圖5（以測(cè)值變化量最大的S2-4-01混凝土應(yīng)變計(jì)為例）。

圖5 混凝土應(yīng)變-時(shí)間過程曲線

6.5 鋼筋應(yīng)力

4支鋼筋計(jì)實(shí)測(cè)的鋼筋應(yīng)力變幅較小，變化穩(wěn)定，說明鋼筋受力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。R-04-01鋼筋計(jì)測(cè)值范圍為0.00～73.84 MPa，R-04-02鋼筋計(jì)測(cè)值范圍為0.00～17.61 MPa，R-04-03鋼筋計(jì)測(cè)值范圍為0.00～11.79 MPa，R-04-03鋼筋計(jì)測(cè)值范圍為0.00～10.17 MPa。實(shí)測(cè)鋼筋應(yīng)力與時(shí)間關(guān)系曲線見圖6（以測(cè)值變化量最大的R-04-01鋼筋計(jì)為例）。

7 結(jié)語(yǔ)

目前，TBM施工在長(zhǎng)距離、大斷面的隧洞工程施工中得到推廣和應(yīng)用。大伙房水庫(kù)輸水工程TBM施工過程中，在遭遇塑性變形等不良地質(zhì)條件的情況下，圍巖洞段的處理措施與監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐和各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：在確保隧洞施工安全、加快TBM掘進(jìn)速度、控制隧洞施工成本、保證工程質(zhì)量等方面都取得了良好的效果。

圖6 R-4-01鋼筋應(yīng)力過程曲線

[1]魏永慶，杜士斌.大斷面超長(zhǎng)輸水隧洞的施工特點(diǎn)[J].水利水電技術(shù)，2006，（3）：8-11.

[2]姚志國(guó)，杜士斌.超長(zhǎng)隧洞TBM施工段設(shè)置中間施工支洞的必要性[J].水利水電技術(shù)，2006，（4）：30-31.