楊發(fā)棟

（華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州，310014）

0 引言

隨著我國巨型水電工程的開發(fā)，地下隧洞出現(xiàn)長大深埋工程，往往由于復(fù)雜的地質(zhì)條件和地應(yīng)力特征使得巖體力學(xué)問題比較突出。深埋長大隧洞由于其特殊的應(yīng)力環(huán)境和巖體力學(xué)特性，采用TBM法及鉆爆法等不同開挖方式引起的隧洞圍巖變形及應(yīng)力調(diào)整響應(yīng)方式也存在一定的差異。通過某水電工程引水隧洞施工期圍巖變形與應(yīng)力監(jiān)測手段來分析和評價(jià)圍巖開挖響應(yīng)及穩(wěn)定特性，探索深埋脆性大理巖隧洞開挖采用TBM法和鉆爆法兩種不同施工方法的圍巖響應(yīng)特征差異，從而為工程開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程施工安全提供重要依據(jù)。

1 監(jiān)測布置及儀器埋設(shè)概況

該水電工程4條引水隧洞的開挖均采用從兩端對向施工。東端2號、4號洞和西端1-4號洞采用鉆爆法，監(jiān)測儀器的安裝埋設(shè)基本能跟進(jìn)隧洞開挖；東端1號、3號洞由于采用TBM法開挖，監(jiān)測儀器的安裝埋設(shè)十分困難，故而采取了從超前掘進(jìn)的2號、4號洞向1號、3號洞預(yù)埋的方法。對于圍巖質(zhì)量檢測，主要開展了巖體質(zhì)量與松弛深度檢測及斷面松弛深度聲波檢測等。

截至2009年12月31日，施工期本階段引水隧洞在東端已安裝埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)82套，共306支傳感器；錨桿應(yīng)力計(jì)102組，共204支傳感器；錨索測力計(jì)6臺；溫度計(jì)4支；收斂測點(diǎn)471（含臨時(shí)收斂）個(gè)；應(yīng)變片49組。引水隧洞東端C4標(biāo)和C5標(biāo)的測點(diǎn)完好率為96.99%。

2 監(jiān)測資料分析

2.1 TBM法施工洞段

2.1.1 圍巖變形分析

1號、3號TBM法隧洞安全監(jiān)測分為本洞正常埋設(shè)斷面和從2號、4號隧洞預(yù)埋斷面。截至2009年12月底，1號洞正常埋設(shè)1個(gè)變形監(jiān)測斷面，共6支傳感器；從2號、4號洞向1號、3號洞預(yù)埋21套多點(diǎn)位移計(jì)共105支傳感器。實(shí)測洞壁累計(jì)位移匯總見表1。

從超前掘進(jìn)的2號、4號洞向1號、3號洞預(yù)埋的多點(diǎn)位移計(jì)共21套，其中19套多點(diǎn)位移計(jì)已經(jīng)測到了TBM通過時(shí)產(chǎn)生的洞壁圍巖松弛變形。1號洞右壁最大實(shí)測位移為8.01 mm；3號洞右壁最大實(shí)測位移為55.21 mm。由變形監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖1可知：①TBM通過監(jiān)測斷面后，洞壁圍巖松弛變形很快趨于穩(wěn)定，圍巖松弛變形量大小及松弛影響深度與圍巖類別密切相關(guān)；②TBM掘進(jìn)會(huì)在一定的時(shí)空上引起圍巖的變形，掘進(jìn)擾動(dòng)引起的圍巖變形空間上比較明顯的范圍約在2倍洞徑范圍左右，圍巖變形最明顯的區(qū)域?yàn)門BM掘進(jìn)斷面0D～1D（D為隧洞直徑）之間，圍巖變形深度小于4.0 m；圍巖變形比較明顯的時(shí)段長約為48 h左右，圍巖變形最明顯的時(shí)間段為TBM掘進(jìn)過斷面后24 h內(nèi)。建議在該時(shí)空范圍內(nèi)應(yīng)及時(shí)支護(hù)；③圍巖完整性越好，松弛變形量越小，松弛影響深度越淺；圍巖完整性越差，松弛變形量越大，松弛影響深度越深。

2.1.2 應(yīng)力監(jiān)測分析

1號和3號TBM組裝洞內(nèi)安裝埋設(shè)了5個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測斷面，共25組50支傳感器；預(yù)埋了3組巖石應(yīng)力計(jì)。其中：12支傳感器已失效無讀數(shù)，占24%；實(shí)測應(yīng)力為負(fù)值、處于受壓狀態(tài)的有6支，占12%；實(shí)測應(yīng)力在0～100 MPa之間的有27支，占54%；實(shí)測應(yīng)力在100～200 MPa之間的有3支，占6%；實(shí)測應(yīng)力大于200 MPa的有2支，實(shí)測最大值為211.5 MPa。錨桿應(yīng)力計(jì)的測值都在強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，且監(jiān)測數(shù)據(jù)表明測值已基本穩(wěn)定，說明1號和3號TBM組裝洞內(nèi)的系統(tǒng)錨桿受力狀態(tài)已基本穩(wěn)定。

表1 1號、3號隧洞TBM法施工洞段洞壁累計(jì)位移匯總表（20091221）Table 1 Accumulative displacement values of the wall of tunnel 1#and tunnel 3#excavated by TBM method(December 21,2009)

預(yù)埋的巖石應(yīng)力計(jì)實(shí)測的圍巖應(yīng)力成果與深埋隧洞的錨桿應(yīng)力監(jiān)測變化規(guī)律基本吻合，在開挖初期圍巖應(yīng)力劇烈調(diào)整，很快便趨于穩(wěn)定，見圖2所示。TBM法掘進(jìn)擾動(dòng)引起的圍巖應(yīng)力調(diào)整，最大時(shí)間區(qū)間為TBM掘進(jìn)至斷面后0D～1D（D為隧洞直徑），應(yīng)力集中較明顯的范圍約在4 m以內(nèi)，最明顯的范圍約在2 m以內(nèi)，也基本符合T2y5灰白色厚層狀粗晶脆性大理巖開挖應(yīng)力響應(yīng)基本特征。

圖1 監(jiān)測TBM法施工洞段多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測典型時(shí)程位移過程線Fig.1 Graph of displacement of the tunnel section excavated by TBM method,monitored by multi-point displacement meter at typi?cal times

圖2 巖石應(yīng)力計(jì)實(shí)測豎向應(yīng)力（上圖）和水平應(yīng)力（下圖）時(shí)程曲線圖Fig.2 Vertical stress(upper one)and horizontal stress(lower one)of the rock monitored by stress gauge

2.1.3圍巖斷面松弛深度分析

通過統(tǒng)計(jì)TBM法掘進(jìn)洞段部分?jǐn)嗝媛暡z測成果及典型斷面松弛深度，對測試成果的大值和小值添加趨勢線（如圖3），得出TBM法施工洞段圍巖的松弛深度范圍界限約為0.1D～0.35D（D為隧洞直徑）。從總體上來看，TBM法隧洞開挖過程引起的圍巖松弛深度較鉆爆法要淺。

2.2 鉆爆法施工洞段

2.2.1 圍巖變形分析

鉆爆法已開挖洞段地層巖性主要為T2y5、T2y6的大理巖，層面約N10°～20°E SE∠80°～85°，斷續(xù)延伸，圍巖分類主要為Ⅲ類，局部Ⅱ類和Ⅳ類。截至2009年12月底，實(shí)測洞壁累計(jì)位移匯總見表2，典型斷面實(shí)測時(shí)程過程線見圖4～圖6。

圖3 TBM法掘進(jìn)洞段部分?jǐn)嗝媛暡z測成果統(tǒng)計(jì)及典型斷面松弛深度Fig.3 Acoustic detection results of some tunnel section excavated by TBM method and relaxation depth on some typical sections

圖4 M2-14+745-3多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測過程線（預(yù)埋以距孔口23.3 m為參考不動(dòng)點(diǎn)）Fig.4 Graph of the monitored value by multi-point displacement meter M2-14+745-3(reference point was located 23.3 m away from the orifice)

圖5 M2-14+880-1多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測過程線（預(yù)埋以距孔口23.3 m為參考不動(dòng)點(diǎn)）Fig.5 Graph of the monitored value by multi-point displacement meter M2-14+880-1(reference point was located 23.3 m away from the orifice)

圖6 M4-13+800-1多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測位移過程線Fig.6 Graph of the monitored value by multi-point displacement meter M4-13+800-1

表2 2號、4號隧洞鉆爆法施工洞段洞壁累計(jì)位移匯總表（20091221）Table 2 Accumulative displacement values of the wall of tunnel 2#and tunnel 4#excavated by drilling and blasting method(Decem?ber 21,2009)

經(jīng)分析可知：①2號和4號鉆爆法隧洞內(nèi)共安裝埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)70套（包括向1號、3號TBM法隧洞預(yù)埋的多點(diǎn)位移計(jì)），其中38套多點(diǎn)位移計(jì)已經(jīng)測到了2號和4號洞進(jìn)行落底開挖時(shí)產(chǎn)生的洞壁圍巖二次松弛變形。②2號洞左壁最大實(shí)測位移為14.63 mm，洞頂最大實(shí)測位移為4.68 mm，右壁最大實(shí)測位移為8.20 mm；4號洞左壁最大實(shí)測位移為62.30 mm，洞頂最大實(shí)測位移為0.65 mm，右壁最大實(shí)測位移為23.65 mm。③隧洞落底開挖通過監(jiān)測斷面后洞壁圍巖松弛變形也很快趨于穩(wěn)定，圍巖松弛變形量大小及松弛影響深度與圍巖類別密切相關(guān)；圍巖完整性越好，松弛變形量越小，松弛影響深度越淺；反之，圍巖完整性越差，松弛變形量越大，松弛影響深度越深。④受下斷面開挖爆破影響，M4-13+400-1、3和M4-13+800-1變形明顯，實(shí)測最大孔口累計(jì)位移達(dá)82.71 mm（M4-13+800-1），該部位由于層面發(fā)育并相互切割，圍巖較破碎，受下游側(cè)半幅斷面爆破開挖振動(dòng)影響，局部圍巖松弛深度已達(dá)6 m以上，建議該部位增加松動(dòng)圈測試和施工單位盡快支護(hù)，嚴(yán)格控制落底開挖爆破藥量，并加密觀測。

2.2.2 應(yīng)力監(jiān)測分析

2號和4號鉆爆法隧洞內(nèi)共埋設(shè)安裝了18個(gè)錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測斷面，共58組118支傳感器。各錨桿應(yīng)力計(jì)實(shí)測應(yīng)力匯總見表3。其中：22支傳感器已失效無讀數(shù)，占18.7%；實(shí)測應(yīng)力為負(fù)值、處于受壓狀態(tài)的有27支，占22.88%；實(shí)測應(yīng)力在0～100 MPa之間的有62支，占52.54%；實(shí)測應(yīng)力在100～200MPa之間的有6支，占5.08%；實(shí)測應(yīng)力大于200 MPa的有1支，實(shí)測最大值為229.74 MPa。。錨桿應(yīng)力的測值都在強(qiáng)度極限范圍內(nèi)，且監(jiān)測數(shù)據(jù)表明測值已基本穩(wěn)定，說明2號和4號鉆爆法隧洞內(nèi)系統(tǒng)錨桿受力狀態(tài)已基本穩(wěn)定。

表3 2號、4號隧洞鉆爆法施工洞段錨桿實(shí)測應(yīng)力匯總表（20091221）Table 3 Monitored stress values of the sections of tunnel 2#and tunnel 4#excavated by drilling and blasting method(December 21,2009)

圖7 鉆爆法掘進(jìn)洞段部分?jǐn)嗝媛暡z測成果統(tǒng)計(jì)及典型斷面松弛深度Fig.7 Acoustic detection results of some tunnel section excavated by drilling and blasting method and relaxation depth on some typ?ical sections

2.2.3 圍巖斷面松弛深度分析

通過統(tǒng)計(jì)鉆爆法掘進(jìn)洞段部分?jǐn)嗝媛暡z測成果及典型斷面松弛深度，對測試成果的大值和小值添加趨勢線（如圖7），得出鉆爆法施工洞段圍巖的松弛深度范圍界限約為0.15D～0.45D（D為隧洞直徑）。從總體上來看，鉆爆法隧洞開挖過程引起的圍巖松弛深度較TBM法要大，這為支護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定依據(jù)，使得TBM法與鉆爆法的支護(hù)參數(shù)存在差異。

3 結(jié)語

（1）施工期TBM法隧洞開挖實(shí)測圍巖變形最大值為55.21 mm，實(shí)測最大錨桿應(yīng)力為211.5 MPa；施工期鉆爆法隧洞開挖實(shí)測圍巖變形最大值為62.30 mm，實(shí)測最大錨桿應(yīng)力為229.74 MPa?？梢钥闯?，鉆爆法引起的圍巖變形和應(yīng)力調(diào)整量大于TBM法。

（2）結(jié)合圍巖變形和斷面松弛圈測試成果看，TBM法掘進(jìn)產(chǎn)生的洞壁圍巖松弛變形較鉆爆法開挖時(shí)產(chǎn)生的洞壁圍巖二次松弛變形影響深度要小，一般Ⅲ類圍巖的松弛影響深度，TBM法約為0.1D～0.35D左右，鉆爆法約為0.15D～0.45D左右（D為隧洞直徑）。開挖產(chǎn)生的洞壁圍巖松弛變形很快趨于穩(wěn)定，這與大理巖強(qiáng)度特征隨著圍壓的增高會(huì)表現(xiàn)出明顯的脆-延-塑轉(zhuǎn)換特征基本一致。

（3）通過施工期現(xiàn)場巡視和搜集整理部分圍巖破壞特征可以看出，該水電工程引水隧洞圍巖的高應(yīng)力破壞可以分成緩和型和強(qiáng)烈型，其中緩和型又可以分成脆性破壞和非脆性破壞。完整性較好的II類圍巖中常見片幫、應(yīng)力節(jié)理、“V”型破壞是典型的脆性破壞；在II類和III類圍巖中可以觀察到具有明顯的脆性特征或受微節(jié)理發(fā)育而具有明顯非脆性特征的破裂、破碎；III類巖體和巖體質(zhì)量更差的洞段常見鼓幫、應(yīng)力型坍塌的非脆性破壞。強(qiáng)烈的高應(yīng)力破壞便是巖爆，目前巖爆的機(jī)理、預(yù)防與控制是深埋隧洞圍巖穩(wěn)定及安全性態(tài)分析的重要課題?！?/p>

[1]吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].南京:河海大學(xué)出版社,1990.

[2]于學(xué)馥,鄭穎人.地下工程圍巖穩(wěn)定性分析[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1983.

[3]中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院.錦屏二級水電站引水隧洞圍巖監(jiān)測階段性成果報(bào)告[R].2010.