趙曉露 孫其臣 孫向東 楊凡

1 研究背景

新疆某輸水隧洞工程全長超過40 km，開挖洞徑6.5 m，凈洞徑5.3 m，最大埋深超過2 200 m，屬超長深埋隧洞。目前該工程在掘進(jìn)過程中相繼出現(xiàn)了沿洞線方向隱性結(jié)構(gòu)面造成的頂部局部坍塌問題、局部圍巖掉快問題、花崗巖蝕變后呈松散砂狀涌出問題等，影響了TBM快速掘進(jìn)施工甚至影響了TBM的正常掘進(jìn)。對TBM掘進(jìn)以來一次支護(hù)措施施工時間進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)錨桿的施工（主要為錨桿長度及施作范圍）對TBM掘進(jìn)效率影響較大[1]。對隧洞頂拱180°范圍內(nèi)2.5 m長度的錨桿，錨桿鉆機(jī)系統(tǒng)施工能與掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)同步進(jìn)行，不影響掘進(jìn)效率；對3.5 m長的錨桿，錨桿鉆機(jī)施工需要對鉆桿進(jìn)行一次接拆桿，并對鉆孔直徑進(jìn)行調(diào)整，耗時較長。根據(jù)TBM施工統(tǒng)計，一根錨桿完成時間大概需要40 min，影響掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度。對隧洞拱腰以下錨桿的施工除需要接拆桿外，還要對錨桿鉆機(jī)環(huán)形梁進(jìn)行下齒圈的安裝，一則安拆的時間較長；二則需要阻斷底部交通運輸，掘進(jìn)機(jī)無法掘進(jìn)，嚴(yán)重影響掘進(jìn)工期[2]。

本文依托敞開式TBM穿越斷層破碎帶，施工掘進(jìn)效率低，局部安全性差，研究分析一次支護(hù)結(jié)構(gòu)與TBM施工效率之間的關(guān)系。在確保圍巖穩(wěn)定條件下，對一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高TBM掘進(jìn)效率，保障工程安全，降低工程投資。

2 圍巖特征及參數(shù)

隧洞圍巖主要為古生界志留系及華力西中早期侵入巖。針對Ⅳ類圍巖斷層破碎帶，典型斷面選取樁號12+270—12+395，埋深800 m。該段巖性主要為花崗閃長巖、二長花崗巖、正長花崗巖和鉀長花崗巖等，圍巖接觸帶見熱接觸變質(zhì)現(xiàn)象，形成角巖和矽卡巖及硅質(zhì)巖帶。主要分布于北坡基普克中山區(qū)，南坡分布相對稍少。天山北麓華力西中期侵入的二長花崗巖中分布有一系列擠壓蝕變破碎帶，破碎帶厚度變化大，厚度一般為幾十厘米，分布形狀不規(guī)則，其分布規(guī)律性差。

根據(jù)中國地震局地殼應(yīng)力研究所實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)，隧洞樁號12+270—12+395最大主應(yīng)力方位為NW337°，主洞走向為NE12°。將地應(yīng)力成果換算至隧洞軸線方向，換算后鉛垂向地應(yīng)力σv=22.9 MPa，洞軸線方向水平地應(yīng)力σH=33.2 MPa，橫水流向水平地應(yīng)力σh=22.8 MPa。該段為Ⅳ類圍巖典型斷層破碎帶，彈性模量E=8 GPa，變形模量E0=4 GPa，泊松比μ=0.31，抗剪斷強(qiáng)度凝聚力C′=0.5 MPa，摩擦角φ′=35°，殘余強(qiáng)度摩擦角φ=28°。

3 圍巖穩(wěn)定計算結(jié)果分析

圍巖穩(wěn)定三維數(shù)值模擬選用MIDASGTSNX軟件，計算一次支護(hù)后的圍巖變形和塑性區(qū)范圍。Ⅳ類圍巖典型斷面埋深為800 m，采用植入式桁架單元模擬錨桿，采用梁單元模擬鋼拱架和噴混，進(jìn)行一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真計算。在保證圍巖穩(wěn)定條件下，對一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要涉及鋼拱架、腰部以下錨桿、鋼筋網(wǎng)以及頂部鋼筋排的變化?？紤]鋼拱架、鋼筋網(wǎng)均由TBM自帶拱架安裝器完成，其完成效率與拱架類型基本無關(guān)系，故影響隧洞施工效率的主要一次支護(hù)措施為腰部以下錨桿以及頂部鋼筋排。Ⅳ類圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)見表1，優(yōu)化前后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計算結(jié)果見表2，優(yōu)化前后一次支護(hù)結(jié)構(gòu)單元如圖1所示，優(yōu)化后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計算結(jié)果如圖2所示。

表1 ⅠⅤ類圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

表2 優(yōu)化前后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計算結(jié)果

圖1 優(yōu)化前后一次支護(hù)結(jié)構(gòu)單元

圖2 優(yōu)化后一次支護(hù)措施圍巖穩(wěn)定計算結(jié)果

從以上計算結(jié)果分析，可以得到以下結(jié)論：

（1）對于Ⅳ類圍巖斷層破碎帶洞段，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后隧洞圍巖變形、塑性區(qū)范圍基本相當(dāng)，錨桿和鋼拱架未超過各自屈服強(qiáng)度，一次噴混凝土拉應(yīng)力、壓應(yīng)力未超過混凝土的抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度，優(yōu)化前后隧洞均能滿足穩(wěn)定要求。

1.1.5 心律失常 心律失常是最常見的并發(fā)癥之一，據(jù)袁巖等［8］對456例永久心臟起搏器植入術(shù)研究，發(fā)現(xiàn)致命性心律失常發(fā)生率為3%。

（2）提高鋼拱架型號可以抵消由于降低錨桿實施范圍引起圍巖變形和塑性區(qū)的擴(kuò)大，鋼拱架復(fù)合支護(hù)能夠迅速向洞室周邊圍巖提供徑向壓力，并有效提高圍巖自承能力，抑制圍巖的繼續(xù)松弛和塑性區(qū)繼續(xù)擴(kuò)大，使隧洞初期變形及圍巖塑性區(qū)范圍得到控制，并使圍巖變形減小。

（3）Ⅳ類圍巖常規(guī)洞段一次支護(hù)措施在頂拱120°范圍內(nèi)增設(shè)Φ20鋼筋排，可以起到防止洞頂?shù)粼?、掉塊的作用，保護(hù)作業(yè)人員和設(shè)備的安全。

從現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化前后各監(jiān)測斷面隧洞收斂變形規(guī)律基本相似，隧洞變形在30 d以后基本穩(wěn)定，Ⅳ類圍巖斷層破碎帶洞段在當(dāng)前一次支護(hù)措施條件下處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

現(xiàn)場實際施工過程中，對Ⅳ類圍巖斷層破碎帶洞段一次支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，增加鋼筋排、取消鋼筋網(wǎng)，并將錨桿實施范圍由270°減小為180°后，可有效避免腰部以下齒圈安拆帶來的停機(jī)（單次約1.5 d），鋼拱架由HW125型改為HW150型，一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后隧洞圍巖變形及塑性區(qū)范圍基本相當(dāng)，優(yōu)化前后隧洞均能滿足穩(wěn)定要求。從施工效率和工程效益分析，敞開式TBM穿越Ⅳ類圍巖斷層破碎帶，進(jìn)行一次支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要且合理的。