節理密集地層輸水隧洞支護參數優化研究

張崢，龍敏 （長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著我國基礎建設快速發展，目前國內采用敞開式TBM 修建的隧洞數量越來越多。當敞開式TBM 穿越不良地質體時，圍巖穩定性是施工中必須重視的問題之一[1]。節理密集地層作為一種典型的不良地質，TBM 在此類地層中施工容易出現圍巖掉塊、塌方、卡機等問題[2-6]，給隧洞施工與建設帶來了極大的挑戰。

本文依托東北地區某輸水隧洞TBM 掘進段，采用正交試驗與數值模擬手段，研究節理密集地層隧洞TBM 施工圍巖穩定性影響因素，并對支護參數進行了優化探討。研究可為類似工程提供參考。

1 工程概況

東北地區某輸水隧洞設計為無壓輸水隧洞，全長18.531km，最大埋深約248m。隧洞采用TBM 與鉆爆法聯合施工，TBM 掘進段總長16.836km，鉆爆法段長1.695km。隧洞進口端圍巖主要穿越侏羅系中統呼日格組（J2h）凝灰巖，呈灰色～灰褐色，中硬巖，塊狀結構。洞身圍巖主要為Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，Ⅲ類圍巖占比較高。巖體節理裂隙較發育，裂隙面起伏粗糙，裂隙多閉合、少量微張方解石充填，巖體較完整，洞壁干燥，無明顯滲水。

2 TBM掘進段支護設計及施工情況

TBM 掘進段采用敞開式TBM 進行施工，隧洞采用圓形斷面，設計開挖直徑為4.72m。TBM 掘進段采用復合式襯砌結構進行支護，由于洞內施工空間受限，施工期間隧洞僅施作初期支護，待隧洞貫通后施工二襯。

2.1 隧洞支護參數

Ⅲ類圍巖段初期支護參數：頂拱180°范圍，局部掛設Φ8@200×200mm鋼筋網；局部L=1.5m，Φ22@1000mm砂漿錨桿；噴射10cm 厚C25 混凝土；二襯均為C30 鋼筋混凝土，上半圓180°和下半圓180°厚度分別為31cm、41cm。

Ⅳ類圍巖段初期支護參數：頂拱180°范圍，掛設Φ8@150×150mm 鋼筋網；L=1.5m，Φ22@900mm 砂漿錨桿；全環HW150鋼拱架，間距1.8m；二襯均為C30 鋼筋混凝土，上半圓240°和下半圓120°厚度分別為31cm、41cm。

Ⅴ類圍巖段初期支護參數：頂拱180°范圍，掛設Φ8@150×150mm 鋼筋網；L=1.5m，Φ22@900mm 砂漿錨桿；全環HW150鋼拱架，間距0.9m；二襯均為C30 鋼筋混凝土，上半圓240°和下半圓120°厚度分別為31cm、41cm。

圖1 Ⅳ級圍巖初期支護示意圖

2.2 現場施工情況

TBM 掘進段進口端500m 施工揭示，圍巖為弱風化凝灰巖，圍巖以Ⅲ類圍巖為主，巖體節理裂隙發育，傾角為30°～50°，裂隙微張巖屑充填，完整性較差，洞壁略潮濕。在Ⅲ類圍巖段落施工過程中，圍巖存在一定自穩能力，局部也存在圍巖剝落、掉塊現象。圖2 為Ⅲ類圍巖段某斷面洞壁圍巖圖像。

圖2 Ⅲ類圍巖段典型斷面洞壁圍巖圖像

輸水隧洞TBM 掘進段進口端局部存在Ⅳ、Ⅴ類圍巖，局部穿越節理密集地層，巖體節理裂隙發育，圍巖被節理裂隙切割后完整性較差，施工過程中可能出現嚴重的剝落、掉塊等破壞情況，影響施工安全與進度。

3 節理巖體穩定性影響因素分析

為了更好地應對節理密集地層TBM 施工，采用正交試驗方法，通過數值模擬計算，對節理密集地層隧洞TBM施工圍巖穩定性影響因素進行探討和分析。

3.1 正交試驗設計

3.1.1 圍巖穩定性評價指標選取

剪切滑移區是圍巖節理面出現相互錯動的區域，是誘發圍巖漸進性破壞的主因，該指標能夠定量化評價圍巖穩定程度[7]。因此，試驗選擇巖體剪切滑移區作為圍巖穩定性的評價指標。

3.1.2 試驗方案

為研究節理密集地層隧洞圍巖穩定性的影響因素，考慮巖塊與節理面的力學參數，選用L16(43)正交表開展正交試驗。結合類似工程經驗，巖塊參數選取彈性模量和粘聚力，節理面參數選擇節理傾角和節理內摩擦角，每個因素安排4 個水平值。表1、表2 分別為正交試驗參數表和正交試驗設計表。

表1 節理巖體綜合性質因素水平參數

表2 節理巖體綜合性質正交試驗表

建立節理密集地層隧洞開挖平面應變數值模型，圍巖采用遍布節理本構模型進行模擬，隧洞埋深設置為150m，其余力學參數取為定值。在設置邊界條件后，隧洞采用全斷面一次開挖，探討各試驗中隧洞在無支護情況下的圍巖剪切滑移區特征。

3.2 結果分析

限于篇幅，僅列出試驗5 的圍巖剪切滑移云圖（圖3），深色部分為剪切滑移區。通過內置FISH 語言編制數據提取代碼，獲得各試驗工況下圍巖剪切滑移區面積。以圍巖的剪切滑移區面積作為評價指標進行極差分析，各因素極差結果見表3。

表3 極差分析表

圖3 試驗5圍巖剪切滑移云圖（節理傾角20°）

由表3 可知，在節理密集地層中，圍巖性質對于圍巖穩定性影響程度的排序為節理內摩擦角＞節理傾角＞巖塊粘聚力＞巖塊彈性模量。其中，節理內摩擦角和節理傾角的極差相近，且遠大于巖塊彈性模量和巖塊粘聚力的極差。說明在節理密集地層隧洞中，節理面性質對圍巖穩定性起控制作用，即圍巖失穩破壞一般都是由節理面變形破壞引起的。

4 支護參數優化分析

4.1 計算工況設置

結合節理巖體穩定性影響因素分析結果，借鑒節理巖體鉆爆法施工經驗，考慮超前加固、提升初期支護剛度、調整錨桿布置形式等手段，對該輸水隧洞節理巖體地層支護參數進行優化研究。同時，由于TBM 上的噴射混凝土設備距離護盾較遠，施工過程中噴射混凝土常滯后施工。因此在優化中考慮在盾尾進行應急噴射混凝土支護，即在盾尾先噴射一定厚度混凝土，在噴射混凝土設備區域復噴至設計厚度。

選取Ⅳ類圍巖典型開展支護參數優化研究，共設置2 個計算工況，具體見表4。

表4 模型力學參數表

4.2 數值模型的建立

為降低邊界效應對計算結果的影響，左右邊界至隧道距離取3～5 倍洞徑，下邊界至仰拱底部距離取3～5 倍洞徑，上邊界距隧道頂部取為27.625m，模型尺寸整體為50m×40m×1.8m。計算斷面隧道埋深約為150m，地應力通過在頂部邊界上施加應力實現。計算模型邊界條件示意圖見圖4。

圖4 計算模型邊界條件示意圖

為了較好地模擬節理巖體，模型中采用遍布節理模型來模擬圍巖，圍巖采用實體單元進行模擬，節理傾角設置為40°。模型中不考慮二襯的支護作用，初支噴射混凝土采用彈性實體單元，鋼拱架、錨桿分別通過Beam、Cable 單元進行模擬。結合現場資料及類似工程經驗，模型物理力學參數如表5、表6所示。

表5 模型力學參數表

表6 巖體節理面參數表

4.3 計算結果

4.3.1 圍巖豎向變形

圖5 為兩種工況下的圍巖豎向變形云圖，可見在節理傾角（40°）的影響下，圍巖豎向變形呈現出非對稱的特征，其拱頂沉降最大值位于拱頂左側。其中，采用原設計支護時，隧洞拱部沉降最大值為12.834mm，優化設計后拱部沉降最大值為8.210mm，較少幅度為36.03%，拱部沉降變形得到一定控制。

圖5 圍巖豎向變形云圖（單位：m）

4.3.2 圍巖水平變形

圖6 為兩種工況下的圍巖水平變形云圖。圖中隧洞上半圓區域水平變形小于下半圓區域，這是因為初期支護噴射混凝土支護范圍為上半圓240°，導致下半部分初期支護剛度較小，從而引起變形增大。其中，采用原設計支護時，隧洞下半圓水平收斂值為22.578mm，采用優化設計后，水平下半圓收斂值為19.138mm，減少幅度為15.24%，圍巖水平收斂值也得到了一定控制。

圖6 圍巖水平變形云圖（單位：m）

4.3.3 圍巖剪切滑移區

由圖7 可知，在采用優化設計后，圍巖剪切滑移區分布特征出現了兩方面明顯的變化。①剪切滑移區面積得到了控制。采用原設計支護時，其圍巖剪切滑移區面積為109.88m2，而優化設計后的面積為82.34m2，減少幅度為25.06%。②剪切滑移區分布特征出現了變化。在采用優化設計支護后，圍巖剪切滑移區范圍減小，且原設計支護拱頂上方處的剪切滑移區域消失，圍巖穩定性也得到了一定的控制。

圖7 圍巖剪切滑移區云圖

數值模擬結果表明，在節理密集地層中，隧洞開挖容易出現較大的圍巖變形和剪切滑移區，現場施工中如果同時遭遇其他不良地質，可能出現局部塌方等異常現象，影響施工安全。在節理密集地層隧洞TBM 施工過程中，可以考慮采用超前加固、調整鋼拱架間距、錨桿非對稱布置、及時施作噴射混凝土等措施對支護參數進行優化，提高圍巖穩定性，保證施工安全。

5 結論

在節理密集地層中，圍巖性質對于圍巖穩定性影響程度的排序為節理內摩擦角＞節理傾角＞巖塊粘聚力＞巖塊彈性模量，節理面性質對圍巖穩定性起控制作用。

數值模擬結果表明，在節理密集地層隧洞TBM 施工中，采用超前加固、調整鋼拱架間距、錨桿非對稱布置、及時施作噴射混凝土等措施，能夠控制圍巖變形和圍巖剪切滑移區，保證圍巖穩定性，保證施工安全。