長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程圍巖穩(wěn)定性探討

金雪紅

(北京峽光經(jīng)濟(jì)技術(shù)咨詢有限責(zé)任公司新疆分公司，烏魯木齊 830000)

TBM掘進(jìn)在很多供水工程建設(shè)中均有運(yùn)用，為了提升供水供電工程的順利進(jìn)行，要求加強(qiáng)對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程的有效研究。TBM掘進(jìn)破巖過程包括盤刀進(jìn)入巖體與兩盤刀間生成巖石碎片兩個(gè)階段，隨著盤刀推力繼續(xù)增加，掘進(jìn)過程受到圍巖的限制，在盤刀的邊緣處和底部會(huì)出現(xiàn)，錐形裂紋以及壓碎區(qū)[1]。

1 TBM掘進(jìn)破巖過程分析

長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中，在TBM盤刀推力逐漸增加時(shí)，巖石會(huì)逐漸向兩側(cè)位置擴(kuò)張，并逐漸壓實(shí)，使巖石內(nèi)部出現(xiàn)放射狀裂紋，TBM盤刀即能夠進(jìn)入巖體，側(cè)向裂紋擴(kuò)張到巖石表面過程中，形成了巖石碎片，出現(xiàn)了巖石碎片的動(dòng)能，可顯著降低圍巖反力，因此盤刀能夠侵入一定深度的巖體內(nèi)，一般設(shè)置5-15mm貫入深度，詳見圖1。

圖1 盤刀進(jìn)入巖體

TBM盤刀滾過掌子面過程中，會(huì)擴(kuò)張巖石產(chǎn)生的裂紋，構(gòu)成巖石碎片并脫離掌子面過程，相鄰盤刀之間的巖石會(huì)分離并錯(cuò)。由此可知，巖石力學(xué)特性、盤刀間距、載荷等因素共同影響著盤刀間的相互作用在這些作用力達(dá)到最佳配置的情況下，裂紋能夠向臨近盤刀平直擴(kuò)張，即形成了掘進(jìn)機(jī)破巖過程。

2 長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程圍巖穩(wěn)定性探討

長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中一旦出現(xiàn)圍巖的破壞或過大變形等圍巖不穩(wěn)定現(xiàn)象，對(duì)工程施工的順利進(jìn)行即會(huì)造成極為嚴(yán)重的后果。地質(zhì)因素、施工因素等共同影響著圍巖穩(wěn)定性。

2.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

巖體結(jié)構(gòu)、特殊地質(zhì)條件、巖性、裂隙分布等共同影響著圍巖穩(wěn)定性，巖石各向異的程度、強(qiáng)度量級(jí)等層面可通過巖性分析得出，據(jù)此可判斷出影響長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程的自然特征以及工程活動(dòng)等相關(guān)的影響因素，重點(diǎn)表現(xiàn)為地下涌水、巖溶、泥質(zhì)沉積巖蠕變等活動(dòng)[2]。

巖體結(jié)構(gòu)中的最薄弱部位為巖體結(jié)構(gòu)面，具有巖石材料更低的包絡(luò)線，在圍巖具有相等的應(yīng)力水平、堅(jiān)硬水平下，圍巖穩(wěn)定性控制的主要影響因素為裂隙分布、結(jié)構(gòu)面。長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程的施工危害性主要是由于節(jié)理裂隙組數(shù)、地質(zhì)力學(xué)性質(zhì)、延展長(zhǎng)度、閉合程度、產(chǎn)狀等因素所決定的。對(duì)隧洞圍巖產(chǎn)生較大危害性的條件主要為節(jié)理傾角>30°、隨洞軸線與裂隙走向<40°。詳見圖2。

圖2 巖石材料及巖體結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度包絡(luò)線

在斷層破碎帶、強(qiáng)風(fēng)化帶、發(fā)育巖溶區(qū)進(jìn)行長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中，屬于特殊地質(zhì)條件，存在斷裂構(gòu)造巖，在地質(zhì)分布上存在節(jié)理裂隙密集、巖層松軟破碎的特征，圍巖與松散介質(zhì)之間具有一定的相似性，圍巖穩(wěn)定難度較大。其中表現(xiàn)最為明顯的部分為向斜盆地的糟皺地區(qū)以及幾條斷層交會(huì)地帶，在長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中應(yīng)當(dāng)對(duì)此充分注意。

2.2 巖體力學(xué)性質(zhì)

工程巖體穩(wěn)定性在很大程度上受巖體的變形與強(qiáng)度特性等因素的影響，在節(jié)理裂隙發(fā)育時(shí)，圍巖穩(wěn)定性受到多種因素的影響，包括巖體塑性、脆性、膨脹性、各向異性、擴(kuò)容性、流變性等，對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成了不同程度的不良影響。由于各項(xiàng)異性的存在往往使得圍巖出現(xiàn)變形形態(tài)、非對(duì)稱性的失穩(wěn)等特征。巖體的膨脹性會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重的底鼓或者擠壓破壞現(xiàn)象，脆性主要表現(xiàn)為工程在施工過程中會(huì)出現(xiàn)巖爆、工程巖體的剝落開裂等現(xiàn)象。

由于塑性和擴(kuò)容性等因素的存在，會(huì)使得工程隧洞圍巖出現(xiàn)松散破碎以及支護(hù)結(jié)構(gòu)被擠壓破壞等現(xiàn)象，由于粘塑性的形變壓力的存在往往導(dǎo)致巖體中出現(xiàn)具有時(shí)間效應(yīng)的巖鹽。長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中較為常見的破壞形式是剪切破壞以及受拉破壞，因此在工程施工過程中可以對(duì)巖體的抗剪強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度采用內(nèi)試驗(yàn)或者現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方式。在對(duì)巖體穩(wěn)定性分析層面巖體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系也起著重要作用。可以采用巖體特性的力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的相關(guān)數(shù)值計(jì)算。

2.3 初始應(yīng)力場(chǎng)

洞室挖后應(yīng)力重分布的危險(xiǎn)程度主要是由初始應(yīng)力場(chǎng)的方向、大小以及性質(zhì)所決定，圍巖穩(wěn)定的基本因素之一即是初始應(yīng)力場(chǎng)。

在高地應(yīng)力時(shí)，巖層若軟弱破碎，在掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)擠出、底鼓、遺曲等劇烈變形現(xiàn)象，若巖石較為完整與堅(jiān)硬，則容易出現(xiàn)巖爆災(zāi)害、側(cè)壁開裂等現(xiàn)象，由此可見地應(yīng)力的重要影響。自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力共同構(gòu)成初始應(yīng)力場(chǎng)，我國具有較為復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，在淺層地質(zhì)之中也具有垂直應(yīng)力。在長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程中若具有過小的巖石強(qiáng)度應(yīng)力比，在施工過程中很容易發(fā)生強(qiáng)巖爆現(xiàn)象，會(huì)使得圍巖變形或者被破。圍巖穩(wěn)定性同時(shí)也受到洞軸線方向、最大水平主應(yīng)力等因素的影響，在兩者達(dá)到垂直狀態(tài)下，隧洞圍巖的穩(wěn)定性會(huì)受到較大的不良影響[3]。為了促進(jìn)工程的順利進(jìn)行，提升圍巖穩(wěn)定性，在長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)中要求改善隧洞圍巖情況，可選擇與最大水平主應(yīng)力方向平行的隧洞軸線。

2.4 地下水

隊(duì)洞的穩(wěn)定受到巖洞周圍力學(xué)、水力學(xué)等因素的影響，因此地下水也具有一定的影響作用。在靜水壓力下含孔隙巖石或巖體裂隙會(huì)降低有效應(yīng)力，不利于工程的順利施行。隧道工程的施工出現(xiàn)了新的排水通道，出現(xiàn)了指向洞內(nèi)的滲壓梯度，使得圍巖向隧洞內(nèi)的移動(dòng)速度加快。由于較高的含水量以及飽和度，會(huì)顯著降低巖石的強(qiáng)度與變形模量，可能會(huì)出現(xiàn)劇烈膨脹現(xiàn)象，裂隙面點(diǎn)聚力、內(nèi)摩擦角也隨之顯著降低，破壞了圍巖的穩(wěn)定性[4]。地下水的大量活動(dòng)也加快了圍巖的侵蝕作用與泥化作用，降低了圍巖強(qiáng)度。

2.5 施工因素

圍巖質(zhì)量不直接受到工程施工的影響，但是工程施工的進(jìn)行對(duì)隧洞尺寸、施工工藝、形狀、方位、支護(hù)方式等層面具有顯著的影響作用。在施工中應(yīng)當(dāng)就結(jié)合隊(duì)洞應(yīng)力分布情況設(shè)置相應(yīng)的施工方式。應(yīng)當(dāng)結(jié)合隧洞與地質(zhì)構(gòu)造間的尺寸效應(yīng)設(shè)置隨洞尺寸，矩形和橢圓形隧洞的應(yīng)力分布往往弱于圓形隊(duì)洞。在最大水平主應(yīng)力方向平與隧洞軸線方位平行的情況下，能夠促進(jìn)圍巖穩(wěn)定性。反之，兩者若正交，則破壞了圍巖穩(wěn)定性。與鉆爆法施工方式相比，掘進(jìn)機(jī)施工方式對(duì)圍巖所產(chǎn)生的影響往往較小。長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)施工方式具有顯著優(yōu)勢(shì)。采用管片襯砌支護(hù)、錨噴支護(hù)方式能夠顯著促進(jìn)圍巖的穩(wěn)定性。施工方法對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響，見表1。

表1 施工方法對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響

3 結(jié) 語

文章對(duì)長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程的圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了有效探討，從地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖體力學(xué)性質(zhì)、初始應(yīng)力場(chǎng)、地下水、施工因素等層面分析了長(zhǎng)距離輸水隧洞TBM掘進(jìn)過程圍巖穩(wěn)定性，能夠促進(jìn)隧洞工程施工的順利進(jìn)行。