TBM隧洞圍巖分級方法及支護體系研究

鄧銘江,譚忠盛

(1.新疆水利發展投資(集團)有限公司,新疆 烏魯木齊 830000;2.北京交通大學 城市地下工程教育部重點實驗室,北京 100044)

0 引言

隨著綜合國力不斷提升,我國在水利、鐵路、公路交通等領域的基礎設施建設規模也在不斷增大,深埋超特長隧洞是工程建設的重點環節之一。TBM工法以其安全高效、高度機械化、節約人力資源等優勢,正廣泛應用于長距離巖質隧洞施工中,特別在深埋超特長隧洞施工領域,具有不可替代的地位和作用[1-3]。

目前TBM隧洞設計所采用的圍巖分級主要參考GB 50487—2008《水利水電工程地質勘察規范》[4]、GB/T 50218—2014《工程巖體分級標準》[5]等國家標準和規范[4-5]。其中,《水利水電工程地質勘察規范》以控制圍巖穩定的巖石強度、巖體完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面產狀5項因素為基本判據,圍巖強度應力比為限定判據進行圍巖分級[4];《工程巖體分級標準》則以修正圍巖基本質量指標[BQ]為判據進行圍巖分級[5]。上述標準和規范大多數基于礦山法隧洞施工,以反映圍巖穩定性的因素為評價指標,并未考慮圍巖的可掘性,而TBM施工不僅與圍巖穩定性相關,還與圍巖可掘性有關,特別在圍巖完整性較好時,圍巖可掘性是影響施工進度和成本的主要因素。針對TBM隧洞圍巖可掘性分級,王玉杰等[6]在隧洞圍巖基本分類的基礎上,重點分析了TBM掘進效率和不良地質條件,構建了TBM施工適宜性圍巖分類方法;劉佳偉等[7]以日掘進速度為判斷指標,進行巖體可掘性和巖層適應性評估,建立了一套基于TBM施工性能的圍巖綜合分級方法;吳志軍等[8]建立了一套適用于TBM施工的巖體可掘性分級系統,并實現了可掘性等級的準確感知識別。現有關于TBM隧洞圍巖分級的研究或針對圍巖穩定性,或針對圍巖可掘性(設備適應性),缺乏對圍巖穩定性和圍巖可掘性的綜合考慮,且大都基于少量工程數據,缺乏代表性。

TBM隧洞施工時刀盤全斷面掘進,因此掘進過程中地應力釋放量較大且釋放速率較快,同時受機械設備限制,難以做到及時支護,但另一方面隧洞斷面為圓形,洞周應力分布均勻。礦山法隧洞施工一般分臺階開挖并及時施作初期支護,圍巖壓力逐步釋放,但爆破振動對圍巖的擾動較大,常用的非圓形斷面形式也容易導致局部應力集中。由于TBM工法與礦山法施工存在很大差異,實際工程中支護過度與支護不足的情況也時有發生[9],因此有必要在TBM隧洞圍巖分級的基礎上,研究相對應的支護體系及支護參數。

本文依托北疆供水二期工程,通過數值分析、現場試驗等方法,結合大量施工揭露的地質情況及掘進參數進行統計分析,提出TBM隧洞的圍巖分級及相應的支護體系。依托工程覆蓋的地質種類多、范圍廣,具有較強的代表性,以期研究成果為類似工程的設計施工提供參考。

1 TBM隧洞圍巖分級方法

1.1 依托工程概況

北疆供水二期工程隧洞全長540 km,分為XE隧洞(洞徑7.83 m)、KS隧洞(洞徑7.03 m)和SS隧洞(洞徑5.53 m)3段,采用18臺敞開式TBM分段掘進,其中單機掘進最長26 km,最大埋深700 m,隧洞巖性以華力西晚期侵入巖為主,巖石單軸飽和抗壓強度最大215 MPa,石英質量分數最高達56%,隧洞圍巖條件總體較好。

1)XE隧洞主要穿越華力西期侵入的片麻花崗巖地層,主要巖性包括泥盆系黑云母片麻巖、石炭系凝灰質砂巖、奧陶系黑云母石英片巖等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為38%、46%、12%、4%。

2)KS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質砂巖、凝灰巖、鈣質砂巖地層,主要巖性包括華力西晚期侵入黑云母花崗巖、二疊和三疊系的泥巖、砂巖夾砂礫巖等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為45%、41%、11%、3%。

3)SS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰質砂巖、凝灰巖以及華力西晚期侵入的花崗巖地層,主要巖性包括華力西期花崗巖、侏羅系與白堊系的泥巖和砂巖,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖占比分別為39%、30%、4%、27%。

1.2 圍巖分級方法概述

1.2.1 圍巖分級背景

隧洞圍巖分級是隧洞穩定性分析、支護設計及施工方法選擇的基礎,但由于TBM隧洞工程相對較少,其圍巖分級一般參照礦山法隧洞的圍巖分級進行,如水工勘察規范的HC分級法[4]、Q分級法[10]、RMR分級法[11]、GSI分級法[12]等。因為TBM法和礦山法施工差異較大,相同級別的圍巖穩定性是不一樣的,此外在較完整硬巖地層中掘進時,圍巖的強度和可掘性對施工效率及刀具磨損影響極大[13],因此需要根據TBM的施工特性進行圍巖分級。本文以圍巖穩定性和掘進效率為分級依據,綜合考慮反映圍巖穩定性的巖性指標(巖石堅硬程度、巖體完整程度、圍巖基本質量指標)和反映圍巖可掘性的巖性指標(巖石磨蝕性),提出針對TBM隧洞的圍巖分級體系。

1.2.2 圍巖分級指標

1)安全系數。根據鄭穎人等[14]的研究,引入強度折減法中的強度折減系數,即圍巖安全系數(簡稱安全系數FS),將其作為評判圍巖穩定性的主要依據。它是通過不斷折減黏聚力和內摩擦因數,同時進行彈塑性數值計算直至巖土體達到破壞,該過程中,在巖土體從實際狀態到破壞狀態巖土體強度降低的倍數,即強度折減系數(安全系數)。計算公式如下:

FS=c/c′。

(1)

式中:c為黏聚力,MPa;c′為經數值計算折減后巖土體達到破壞狀態的黏聚力,MPa;FS為強度折減系數(安全系數)。

2)純掘進速度。純掘進速度PR為設備實時導出的掘進參數,單位為mm/min,將其作為評判TBM掘進效率的主要依據。

3)巖石堅硬程度與巖體完整程度。巖石堅硬程度用巖石單軸飽和抗壓強度Rc進行評價;巖體完整程度用巖體完整性系數KV進行評價,計算公式如下:

KV=vpm/vpr。

(2)

式中:vpm為巖體縱波速度;vpr為巖石(塊)縱波速度。

4)圍巖基本質量指標。圍巖基本質量指標BQ值根據巖石堅硬程度(Rc)、巖體完整程度(KV)的定量指標確定,按下式計算:

BQ=100+3Rc+250KV。

(3)

式中:當Rc>90KV+30時,取Rc=90KV+30;當KV>0.04Rc+0.4時,取KV=0.04Rc+0.4。

5)巖石磨蝕性。巖石磨蝕性反映巖石的耐磨性能,可通過Cerchar巖石磨蝕性試驗進行測試。該試驗要求使用圓錐角為90°的鋼針(推薦硬度為HRC 54～56)在70 N的恒定荷載作用下于巖樣表面劃過10 mm,之后測量鋼針磨損面的直徑(單位mm),其值的10倍為最終指標CAI值[15]。參考相關文獻[16],刀具磨損量與巖石磨蝕性指數CAI值密切相關,可將CAI值分為低磨蝕性(<3)、中等磨蝕性(3～4)和高磨蝕性(>4)3個等級。

依托工程參照《水利水電工程地質勘察規范》將水工隧洞圍巖分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類,大致對應《鐵路隧道設計規范》和《公路隧道設計規范》中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(Ⅵ)級圍巖。本章統計了實際施工揭露的各類圍巖數據,通過分析各項巖性指標與純掘進速度PR及安全系數FS的關系,為TBM隧洞圍巖分級提供依據。

1.3 巖性指標與掘進速度關系

在既有相關規范中,Ⅱ、Ⅲ類圍巖穩定性較好,但同類圍巖的可掘性存在較大差異。為分析各類圍巖巖性指標對掘進速度的影響,統計了18臺TBM近2 000組Ⅱ、Ⅲ類圍巖斷面的Rc、KV、BQ、PR,其中Ⅱ、Ⅲ類圍巖數據各1 000組,其統計指標如表1所示。分別繪制Rc與PR關系曲線、KV與PR關系曲線及BQ與PR關系曲線,如圖1—3所示。

圖1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖Rc與PR關系曲線

表1 Ⅱ、Ⅲ類圍巖數據統計指標

1)Rc與PR的關系。由圖1可知,根據掘進速度與圍巖強度的變化規律可看出有4個明顯的分區。①對于Ⅲ類圍巖,PR在60～85 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較慢,對應的Rc為55～120 MPa;PR在45～60 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較快,對應的Rc為70～130 MPa。②對于Ⅱ類圍巖,PR在30～45 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較快,對應的Rc為70～170 MPa;PR在15～30 mm/min時,PR隨Rc增大而減小的速率較慢,并趨于穩定,對應的Rc>90 MPa。

2)KV與PR的關系。由圖2可知,根據掘進速度與巖體完整性系數的變化規律可看出有3個明顯的分區。①對于Ⅲ類圍巖,整體完整性一般,KV最高為0.65,PR在60～85 mm/min時,PR隨KV增大而減小的速率較慢,對應的KV為0.30～0.45;PR在45～60 mm/min時,PR隨KV增大而減小的速率較快,對應的KV為0.45～0.65。②對于Ⅱ類圍巖,整體完整性好,KV最高為0.75,PR隨KV增大而減小的速率較慢,KV主要分布在0.55～0.75。

圖2 Ⅱ、Ⅲ類圍巖KV與PR關系曲線

3)BQ與PR的關系。由圖3可知,根據掘進速度與圍巖基本質量指標變化規律可看出有3個明顯分區。①對于Ⅲ類圍巖,基本質量指標BQ相對較低,最高為500,其中PR在60～85 mm/min時,PR隨BQ增大而減小的速率較慢,對應的BQ為350～420;PR在30～60 mm/min時,PR隨BQ增大而減小的速率較快,對應的BQ為420～500。②對于Ⅱ類圍巖,基本質量指標BQ較高,最高達到588,PR隨BQ增大而減小的速率較慢,BQ主要分布在500～600。

圖3 Ⅱ、Ⅲ類圍巖BQ與PR關系曲線

1.4 圍巖基本質量指標與安全系數的關系

在既有相關規范中,對于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖,同類圍巖的穩定性存在較大差異。為分析各類圍巖安全系數的范圍,統計了18臺TBM近1 000組Ⅲ～Ⅴ類圍巖的巖體質量數據,其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖數據分別為400、300、300組,計算其BQ和FS值,其統計指標如表2所示。繪制BQ與FS關系曲線,如圖4所示。

圖4 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖BQ與FS關系曲線

表2 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖數據統計指標

由圖4可知,根據安全系數與圍巖基本質量指標的變化規律可看出有6個明顯的分區。1)對于Ⅴ類圍巖,其基本質量指標BQ最低,圖中可看出有2個明顯分區,即當BQ<210時,FS隨之增大而增大的速率較慢,當BQ在210～250時,FS隨之增大而增大的速率稍快。2)對于 Ⅳ類圍巖,其基本質量指標BQ較低,圖中可看出有2個明顯分區,即當BQ在250～310時,FS隨之增大而增大的速率較慢;當BQ在310～350時,FS隨之增大而增大的速率較快。3)對于Ⅲ類圍巖,其基本質量指標BQ相對較高,圖中可看出有2個明顯分區,即當BQ在350～420時,FS隨之增大而增大的速率較快;當BQ在420～500時,FS隨之增大而增大的速率較慢。

按照各類圍巖的BQ值,分類統計其Rc值和KV值,發現Ⅲ～Ⅴ類圍巖的Rc值分別在以下范圍內:70～120 MPa、≥55 MPa、25～60 MPa、10～40 MPa、5～20 MPa、≤5 MPa;KV值分別在以下范圍內:0.45～0.65、0.30～0.45、0.25～0.70、0.15～0.70、0.20～0.55、≤0.35。

1.5 TBM隧洞圍巖分級

1.5.1 一般地質圍巖分級

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類圍巖穩定性相對較好,而可掘性差異較大,故主要依據純掘進速度PR對圍巖進行分級,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖穩定性差異較大,故主要依據無支護圍巖安全系數FS對圍巖進行分級,綜合1.2節和1.3節的分析結果,根據巖石單軸飽和抗壓強度Rc、巖體完整性系數KV、圍巖基本質量指標BQ和磨蝕性指數CAI綜合判斷圍巖級別,提出TBM隧洞圍巖分級標準如表3所示。其中,工作條件指TBM對不同圍巖的掘進適應性,實際工程中,工作條件不僅受圍巖可掘性影響,也會受圍巖完整性的影響,因此綜合考慮Rc、KV和CAI 3項指標,將工作條件定性分為A(工作條件好)、B(工作條件一般)、C(工作條件差)3級。同時,結合本文研究所收集的Ⅱ～Ⅴ類圍巖條件下的純掘進速度數據,根據表3提出的分級標準對純掘進速度數據進行分類整理,基于數據統計分析,給出了不同圍巖級別條件下對應的純掘進速度參考值。

表3 TBM隧洞圍巖分級

1.5.2 不良地質分級修正

在實際使用中,還應考慮地下水、主要軟弱結構面產狀、初始應力狀態等因素對圍巖基本質量指標BQ進行修正,以修正后的圍巖基本質量指標值[BQ]對照表1確定圍巖級別。圍巖基本質量指標修正值[BQ]可按下式計算[5],其中K1、K2、K3取值可分別按表4—6確定。

表4 地下水影響修正系數K1

表5 主要軟弱結構面產狀影響修正系數K2

表6 初始應力狀態影響修正系數K3

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

(4)

式中:K1為地下水影響修正系數;K2為主要軟弱結構面產狀影響修正系數;K3為初始應力狀態影響修正系數。

1.5.3 特殊圍巖分級建議

高地應力軟巖大變形和硬巖巖爆地段圍巖屬于特殊圍巖,隧洞設計不適合采用上述圍巖分級方法。

1)針對軟巖大變形問題,目前研究主要將強度應力比、相對變形量、絕對變形量、原始地應力、飽和單軸抗壓強度等指標作為軟巖大變形分級依據[17]。建議綜合考慮地應力σmax、強度應力比Rc/σmax及相對變形量(單側變形量與隧洞半徑之比),對大變形及工作條件等級進行劃分。

2)針對巖爆問題,目前研究主要將強度應力比、聲響特征、運動特征、巖塊形狀特征、斷口特征、發生部位、時效特征、影響深度等因素作為巖爆分級依據[18]。建議參考引漢濟渭工程秦嶺TBM隧洞巖爆分級方法與相關規范,主要考慮巖石強度應力比等因素對巖爆等級進行劃分。

2 TBM隧洞支護體系及參數

2.1 TBM隧洞施工特性分析

目前敞開式TBM隧洞施工,由于設備的局限性,難以做到及時支護。護盾脫出后才可以架設鋼拱架和施作錨桿,但噴混凝土一般都滯后掌子面60～100 m,而且無法進行全環噴射,同時錨桿的打設范圍不足,角度也不夠垂直巖面。在較長時間和較大范圍內只有鋼架或“錨桿+鋼架”承擔所有圍巖壓力,設計的“錨桿+鋼架+網噴混凝土”共同承載的支護體系不能很好地發揮作用。

據有關研究資料可知,掌子面前方1.5～2.5倍洞徑處圍巖開始變形,而在掌子面后方2～4倍洞徑處圍巖變形趨于穩定[19],TBM隧洞施工圍巖變形和支護特性可分為5個階段,如圖5所示。

D為洞徑。

1)階段Ⅰ是從刀盤至盾尾的距離(約0.8倍洞徑),為圍巖急速變形階段,變形量占總變形量的20%～30%。

2)階段Ⅱ是從盾尾脫出至物料臺尾的距離(約1.7倍洞徑),為圍巖快速變形階段,變形量占總變形量的30%～45%。該階段主要施作鋼筋排、鋼拱架及錨桿,鋼拱架施作完成后即可承載,錨桿隨錨固劑的凝固而逐漸發揮承載作用,這一階段大部分圍巖壓力由鋼拱架承擔。

3)階段Ⅲ是從物料臺尾至噴橋的距離(約6.0倍洞徑),為圍巖緩慢變形階段,變形量占總變形量的10%～20%。該階段錨桿已經充分發揮作用,鋼拱架和錨桿共同承擔圍巖壓力。

4)階段 Ⅳ是從噴橋至噴橋尾的距離(約9.5倍洞徑),為圍巖變形極緩階段,變形量小于總變形量的5%。該階段主要施作噴混凝土,承載結構同階段Ⅲ。

5)階段Ⅴ為噴混凝土發揮作用之后的階段,圍巖變形基本穩定,鋼拱架、鋼筋排、錨桿和噴混凝土共同承擔圍巖壓力。

在TBM隧洞施工特性分析基礎上,結合不同級別圍巖的穩定性,確定隧洞支護體系及參數,提出了7套支護結構設計圖。其中,Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb級圍巖穩定性好,無需支護,其他級別圍巖及特殊圍巖需采取相應支護措施確保其穩定。

2.2 Ⅲa級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅲa級圍巖主要為硬巖和極硬巖,圍巖整體較完整,自穩能力較強,但局部可能裂隙發育,因此以施作局部支護為主,提高其穩定性。

2.2.1 支護體系及參數

Ⅲa級圍巖隧洞支護體系主要包括隨機錨桿、局部網噴混凝土、全環襯砌,支護體系及參數如表7和圖6所示。

(a) 橫斷面

2.2.2 現場驗證

選取XE隧洞已揭露的Ⅲa級圍巖典型斷面K49+342、K99+867、K49+626和K136+424進行圍巖變形監測,拱頂沉降歷時曲線如圖7所示。圍巖變形在監測到第5 天時基本穩定,最大累計沉降15.4 mm,小于規范允許變形量[20]。

圖7 Ⅲa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

2.3 Ⅲb級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅲb級圍巖主要為硬巖和極硬巖,圍巖整體較破碎,自穩能力較差,局部裂隙發育,因此以施作系統支護為主,提高其穩定性。Ⅲb級圍巖支護體系主要包括型鋼拱架、系統錨桿、網噴混凝土及襯砌。

2.3.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數,選取XE隧洞Ⅲb級圍巖已揭露的典型區段K39+510～+693、K40+326～+365、K45+385～+401和K48+050～+170進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深260～530 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖和黑云母斜長花崗巖,側壓力系數1.2～2.2,建立數值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環向布設范圍、鋼拱架型號及間距與安全系數FS的關系,計算結果如圖8所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數關系曲線

選取XE隧洞Ⅲb級圍巖典型區段K39+510～+693、K45+385～+401和K48+050～+170分析襯砌結構的安全性。計算荷載主要考慮圍巖壓力和襯砌水壓力,圍巖壓力可根據有關規范確定,水壓力可根據水頭高度乘以襯砌水壓力折減系數得到,該區段的地下水頭高度250～510 m。計算得到不同襯砌厚度與結構安全系數關系曲線,如圖9所示。

圖9 Ⅲb級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結構安全系數關系曲線

2.3.2 支護體系及參數

根據上述計算結果,確定Ⅲb級圍巖隧洞合理支護參數如表8所示,支護體系如圖10所示。

(a) 橫斷面

表8 Ⅲb級圍巖隧洞支護參數

2.3.3 現場驗證

選取XE隧洞Ⅲb級圍巖典型斷面K39+611、K40+326、K40+365和K39+520進行圍巖變形及拱架、錨桿、噴混凝土受力監測,監測結果如圖11和圖12所示。

圖11 Ⅲb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降監測到第5天時基本穩定,最大累計沉降值為18.3 mm,穩定后鋼拱架應力為17.15 MPa,錨桿軸力為6.14 kN,噴混凝土應力為2.96 MPa,均小于規范允許值[20]。

2.4 Ⅳa級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅳa級圍巖主要為較軟巖和硬巖,裂隙較發育,巖體較破碎,自穩能力差,需要采用較強的支護體系確保隧洞的圍巖穩定,支護體系主要包括型鋼拱架、系統錨桿、網噴混凝土及襯砌。

2.4.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數,選取XE隧洞 Ⅳa級圍巖已揭露的典型區段K40+252～+300、K44+172～+180、K49+651～+699、K98+586～+599和K139+979～+996進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深320～500 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖和黑云斜長片麻巖,側壓力系數1.2～1.3,建立數值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環向布設范圍、鋼拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數FS的關系,如圖13所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數關系曲線

選取XE隧洞 Ⅳ級圍巖的典型區段K40+252～+300、K44+172～+180和K49+651～+699,分析襯砌結構的安全性。該區段水頭高度310～485 m,外水壓力折減系數0.1～0.2,計算得到襯砌厚度與結構安全系數關系,如圖14所示。

圖14 Ⅳa級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結構安全系數關系曲線

2.4.2 支護體系及參數

根據上述計算結果,確定 Ⅳa級圍巖隧洞合理支護參數如表9所示,支護體系如圖15所示。

(a) 橫斷面

表9 Ⅳa級圍巖隧洞支護參數

2.4.3 現場驗證

選取XE隧洞 Ⅳa級圍巖典型斷面K40+271、K98+586、K139+979和K49+697進行圍巖變形及拱架、錨桿、噴混凝土受力監測,監測結果如圖16和圖17所示。

圖16 Ⅳa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監測到第5 天時基本穩定,最大累計沉降為30.2 mm,達到穩定的拱架應力為20.93 MPa,錨桿軸力為11.27 kN,噴混凝土應力為3.59 MPa,均小于規范允許值[20]。

2.5 Ⅳb級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅳb級圍巖主要為軟巖、較軟巖和硬巖,裂隙較發育,巖體破碎,自穩能力較差,且變形發展較快,變形量較大,因此需及時施作支護措施,盡早封閉成環,保證圍巖穩定,創造安全施工環境。支護體系主要包括型鋼拱架、系統錨桿、網噴混凝土及襯砌。

2.5.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數,選取XE隧洞Ⅳb級圍巖已揭露的典型區段K44+181～+238、K49+702～+759、K136+979～K137+003和K39+961～+989進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深320～430 m,主要巖性為華力西期花崗巖和黑云母石英片巖,側壓力系數1.2～1.3,建立數值模型,計算不同錨桿長度-間距比及環向布設范圍、鋼拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數FS的關系,如圖18所示。

(a) 錨桿長度-間距比與安全系數關系曲線

2.5.2 支護體系及參數

根據上述計算結果,確定 Ⅳb級圍巖隧洞合理支護參數如表10所示,支護體系如圖19所示,Ⅳb級圍巖隧洞襯砌參數與 Ⅳa相同。

(a) 橫斷面

表10 Ⅳb級圍巖隧洞支護參數

2.5.3 現場驗證

選取XE隧洞4個 Ⅳb級圍巖典型斷面K44+181、K136+979、K49+707和K39+989進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監測,監測結果如圖20和圖21所示。

圖20 Ⅳb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監測到第5天時基本穩定,最大累計沉降為50.4 mm,達到穩定的拱架應力為26.58 MPa,錨桿軸力為10.68 kN,噴混凝土應力為5.8 MPa,均小于規范允許值[20]。

2.6 Ⅴa級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅴa級圍巖主要為較軟巖,巖體破碎,自穩能力差,TBM護盾通過后,頂部掉塊現象頻發,因此考慮增加鋼筋排,同時由于在破碎圍巖中錨桿施作能力和作用效果有限,卡鉆、塌孔問題凸顯,故取消系統錨桿,支護體系主要包括鋼筋排、型鋼拱架、網噴混凝土及襯砌。

2.6.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數,選取XE隧洞Ⅴa級圍巖已揭露的典型區段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深190～430 m,主要巖性為華力西期花崗巖、黑云母石英片巖、黑云母斜長花崗巖和黑云母片麻花崗巖,側壓力系數1.3～1.7,建立數值模型,計算不同拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數FS的關系,如圖22所示。

(a) 拱架間距與安全系數關系曲線

選取XE隧洞Ⅴa級圍巖典型區段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266,分析襯砌結構的安全性。該區段水頭高度150～402 m,外水壓力折減系數0.1～0.3,建模計算襯砌厚度與結構安全系數關系,如圖23所示。

圖23 Ⅴa級圍巖隧洞不同襯砌厚度與結構安全系數關系曲線

2.6.2 支護體系及參數

根據上述計算結果,確定Ⅴa級圍巖隧洞合理支護參數如表11所示,支護體系如圖24所示。

(a) 橫斷面

表11 Ⅴa級圍巖隧洞支護參數

2.6.3 現場驗證

選取XE隧洞4個Ⅴa級圍巖典型斷面K49+785、K49+780、K49+770和K49+850進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監測,監測結果如圖25—26所示。

圖25 Ⅴa級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監測第7天時基本穩定,最大累計沉降84.2 mm,達到穩定時拱架應力為32.27 MPa,噴混凝土應力為9.28 MPa,均小于規范允許值[20],錨桿軸力僅為2.43 kN,錨桿作用效果不顯著。

2.7 Ⅴb級圍巖隧洞支護體系及參數

Ⅴb級圍巖主要為極軟巖和軟巖,巖體極破碎,自穩能力極差,掘進過程中易發生卡機等事故,圍巖出露護盾后來不及施作支護,易發生塌方,因此以超前支護及加強初期支護為主,保證圍巖穩定性,支護體系主要包括超前管棚、鋼筋排、型鋼拱架、網噴混凝土及襯砌。

2.7.1 計算分析

為確定隧洞合理支護參數,選取XE隧洞Ⅴb級圍巖已揭露的典型區段K49+860～+870、K49+875～+890和K49+900～+910進行分析,隧洞直徑7.83 m,埋深400～430 m,主要巖性為華力西期變質花崗巖和黑云母斜長花崗巖,側壓力系數1.3～1.5,建立數值模型,計算不同拱架型號及間距、噴混凝土時機及強度與安全系數FS的關系,如圖27所示。

(a) 拱架間距與安全系數關系曲線

2.7.2 支護體系及參數

根據上述計算結果,確定Ⅴb級圍巖隧洞合理支護參數如表12所示,支護體系如圖28所示,Ⅴb級圍巖隧洞襯砌參數與Ⅴa同。

(a) 橫斷面

表12 Ⅴb級圍巖支護參數

2.7.3 現場驗證

選取XE隧洞4個Ⅴb級圍巖典型斷面K49+865、K49+890、K49+880和K49+910進行隧洞拱頂沉降及拱架、錨桿、噴混凝土受力監測,監測結果如圖29和圖30所示。

圖29 Ⅴb級圍巖隧洞拱頂沉降歷時曲線

(a) 拱架應力

隧洞拱頂沉降在監測到第7天時基本穩定,最大累計沉降為87.0 mm,達到穩定的拱架應力為39.49 MPa,噴混凝土應力為9.74 MPa,小于規范允許值[20],錨桿軸力為2.34 kN,錨桿作用效果不顯著。

2.8 特殊圍巖支護措施建議

針對高地應力軟巖大變形及巖爆洞段等不良地質應根據實際情況采取針對性的處理措施。

1)高地應力軟巖大變形隧洞主要問題為初期支護變形侵限、噴混凝土開裂剝落、拱架彎折破壞、隧底隆起變形和襯砌開裂破壞。因此應采取主動控制措施,通過長錨桿或預應力錨桿和圍巖注漿形成加固圈,充分發揮圍巖自承載能力,合理預留變形量,加強初期支護剛度,以有效控制隧洞變形。

2)高地應力巖爆段隧洞主要問題為支護結構破壞、人員傷亡、機械設備損壞、卡機等。因此應采取控制掘進速度、高壓噴水、加密加長(預應力)錨桿、加密鋼拱架、柔性鋼絲網、噴(纖維)混凝土及超前應力釋放等主動控制措施,降低巖爆對人員和施工的影響。

3 結論與討論

依托北疆供水二期工程,對TBM隧洞圍巖分級方法、支護體系及支護參數進行研究,得出以下主要結論。

1)在完整硬巖地層主要考慮圍巖可掘性對掘進速度的影響,在破碎軟弱圍巖地層主要考慮圍巖穩定性的差異,通過分析不同巖性指標隨掘進速度PR或安全系數FS的變化規律,將水工TBM隧洞圍巖分為10級,并為大變形和巖爆的分級依據提出建議。

2)針對敞開式TBM的施工特點,對各級圍巖不同支護參數下的圍巖穩定性進行對比計算,兼顧安全性和經濟性,提出適用于水工隧洞各級圍巖的支護體系和支護參數,形成相應的7套設計圖,并為大變形和巖爆段的支護措施提出建議。

本文研究基于18臺敞開式TBM集群施工收集的現場數據,隧洞斷面直徑涵蓋7.83、7.03、5.53 m共3種類型,數據采集段主要穿越片麻花崗巖、凝灰質砂巖、黑云母花崗巖、黑云母片麻巖和黑云母石英片巖地層。研究成果可為類似斷面和地質條件的工程掘進與支護設計提供借鑒和參考。