趙 力 王 博 魏軍政

(1.陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024；(2.中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

隨著工程技術(shù)的發(fā)展，TBM(硬巖掘進(jìn)機(jī))在水利水電、交通等隧洞建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。TBM具有施工速度快、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但地質(zhì)適應(yīng)性較差，諸如軟巖大變形、塌方等會使TBM施工面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-2]。軟巖大變形破壞與圍巖特性、地應(yīng)力環(huán)境、工程擾動等復(fù)雜因素有關(guān)[3-6]，往往會嚴(yán)重威脅隧洞安全施工及運(yùn)行，尤其對于TBM掘進(jìn)施工，軟巖、斷層破碎帶等不良地質(zhì)容易造成TBM卡機(jī)被困[7-10]。關(guān)于卡機(jī)脫困方案的制定，需要結(jié)合其對圍巖、鋼拱架、錨桿、襯砌等的影響，開展可行性研判。為有效評估并及時調(diào)整施工方案，降低軟巖段工程開挖風(fēng)險，開展TBM卡機(jī)脫困施工分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在軟巖變形和TBM卡機(jī)方面，許多學(xué)者做了大量的研究工作。王有平[11]針對九道河隧洞軟弱圍巖變形洞段，通過變形監(jiān)測及軟巖變形控制相關(guān)試驗(yàn)，確定不同圍巖類別開挖預(yù)留變形量，采用施工措施及時控制圍巖變形和松弛；羅立哲等[12]對隧道不利巖性段，采取拱部、邊墻、底板的全斷面固結(jié)灌漿，施作端頭錨固型張拉錨桿，有效減小軟弱圍巖段隧洞變形；蘇珊等[13]針對新疆某超埋深地下隧洞TBM卡機(jī)，提出了護(hù)盾后方拱架段加強(qiáng)支護(hù)，護(hù)盾及刀盤側(cè)頂周圍松散塌方體化學(xué)注漿、水泥固結(jié)注漿使圍巖自穩(wěn)后人工鑿除刀盤周邊破碎固結(jié)體的施工方法；唐祁忠等[14]以構(gòu)皮灘水電站尾水隧洞軟巖段為例，闡述了特大斷面軟巖洞室群的工程地質(zhì)條件及施工技術(shù)。

本文以引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM卡機(jī)脫困施工為研究對象，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了脫困施工條件下圍巖變形、鋼架受力等特征規(guī)律，可為脫困方案的優(yōu)化和評估提供參考依據(jù)和支撐。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程是“十三五”期間國家加快推進(jìn)的172項重大水利工程之一，自漢江及其支流子午河取水，通過隧洞穿越秦嶺，向關(guān)中平原調(diào)水。秦嶺輸水隧洞作為引漢濟(jì)渭骨干控制性工程，全長98.3km，最大埋深2012m，工程建設(shè)難度大、地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越了3條區(qū)域性大斷裂、4條次一級斷層和33條一般斷層，涉及巖性20余種。工程設(shè)計流量70m3/s，縱比降1/2500。隧洞采用鉆爆法和TBM法施工，其中TBM段長達(dá)30km以上，采用直徑8.02m的圓形斷面。TBM施工段通過各斷層泥礫帶、千枚巖中局部破碎的碳質(zhì)千枚巖地段，由于巖質(zhì)軟弱，隧洞埋深較大，地應(yīng)力值相對較高，施工中有可能產(chǎn)生軟巖大變形現(xiàn)象。

2016年5月31日清晨7時32分，TBM施工遭遇高地應(yīng)力涌出狀破碎巖，該段埋深1200m，樁號K51+597.6，護(hù)盾后方拱頂圍巖破碎、松散，盾尾邊墻底部砂礫狀渣體不斷涌出，流渣填充刀盤并在護(hù)盾后方堆積，TBM被迫停機(jī)[15]。

該處隧洞軸線方位角約N10°E，揭露的巖層為千枚巖夾變砂巖、夾碳質(zhì)千枚巖，弱風(fēng)化，受地質(zhì)構(gòu)造影響嚴(yán)重。根據(jù)巖體初始應(yīng)力場反演分析成果可知，該隧洞洞段附近的應(yīng)力場優(yōu)勢方位為NW31.4°，與隧洞軸線夾角41.4°，且以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主，最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)為1.15，變形較大。主應(yīng)力計算量值及方位角見表1。

表1 局部坐標(biāo)系下的隧洞圍巖穩(wěn)定性分析典型剖面主應(yīng)力計算值(樁號K51+597)

2 施工監(jiān)測分析

為實(shí)現(xiàn)TBM釋壓脫困，采用小導(dǎo)洞迂回反向支護(hù)技術(shù)[16]，通過輔助坑道迂回至受卡刀盤前方并擴(kuò)挖形成接應(yīng)洞室。

為了監(jiān)測TBM卡機(jī)脫困段(護(hù)盾后方—撐靴部位)圍巖卸荷松弛與巖體蠕變變形情況，在緊鄰護(hù)盾后方左右兩側(cè)布置了2套5點(diǎn)式大量程(300mm量程)多點(diǎn)位移計，測點(diǎn)深度分別為2m、6m、9m、16m、24m。

監(jiān)測結(jié)果表明：護(hù)盾后方左右側(cè)巖體總體增量變形分別為3.8mm、4.0mm；巖體變形增長主要發(fā)生在護(hù)盾上方及兩側(cè)開挖期間和換拱開挖期間(刀盤前方開挖應(yīng)力調(diào)整主要由護(hù)盾承擔(dān))；徑向方向，圍巖主要變形和擾動區(qū)間在6～9m范圍及其淺部0～2m范圍；采用控制性人工開挖和及時新增支護(hù)，護(hù)盾至撐靴之間換拱開挖和切割原鋼架卸荷對隧洞巖體的擾動在可控范圍；后期護(hù)盾頂部鋼架拆除和TBM向前掘進(jìn)過程中該部位圍巖將再次受到應(yīng)力卸荷與轉(zhuǎn)移作用，圍巖位移將再次增長變化。

為了掌握隧洞鋼架受力特征，對護(hù)盾后方鋼架布置振弦式應(yīng)變計、光纖光柵應(yīng)變計。對整個換拱過程進(jìn)行支護(hù)鋼架應(yīng)力監(jiān)測。結(jié)果表明：新?lián)Q拱架整體呈受壓狀態(tài)；最大壓應(yīng)力為50.73MPa，一般受力為1.23～39.03MPa；拱頂受力大于兩側(cè)；越靠近換拱施工部位鋼架受力越大；受臨近原拱架擴(kuò)挖拆除影響，應(yīng)力轉(zhuǎn)移明顯，鋼架頂部應(yīng)力呈增長狀態(tài)，增長速率隨時間逐步衰減。

為揭示該段隧洞二襯混凝土結(jié)構(gòu)的受力特征，在二襯混凝土中布置了鋼筋計。監(jiān)測結(jié)果表明：襯砌施工期間受到混凝土澆筑和混凝土溫度影響，襯砌鋼筋應(yīng)力變化較大，3～7天后應(yīng)力趨于平穩(wěn)，襯砌結(jié)構(gòu)鋼筋主要承受壓應(yīng)力，壓應(yīng)力量值為3～26MPa，主要是位于頂拱和拱腰部位內(nèi)外側(cè)鋼筋、邊墻中部外側(cè)鋼筋。邊墻中部內(nèi)側(cè)鋼筋呈受拉狀態(tài)，量值為4～6MPa。由于經(jīng)過加固處理的圍巖已經(jīng)穩(wěn)定，圍巖無時效變形增長現(xiàn)象，因此二襯澆筑完成后鋼筋應(yīng)力基本穩(wěn)定。

3 脫困施工模擬分析

根據(jù)TBM施工洞段圍巖的地質(zhì)條件和巖性特點(diǎn)，建立隧洞三維數(shù)值模型。模型計算范圍為120m×200m×120m(X×Y×Z)，Y軸沿洞軸線方向(順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，Z軸沿鉛直方向(向上為正)，X軸與Y軸垂直(右手坐標(biāo)系)；隧洞中心坐標(biāo)為(60m，100m，60m)，開挖洞徑為8.0m。邊界條件為：上部作用有上覆巖體重量，四周和底部為法向位移約束。圍巖本構(gòu)模型采用考慮內(nèi)變量演化特征和圍壓效應(yīng)的深埋軟巖復(fù)合黏彈塑性模型。采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元和4節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格共劃分了784454個單元，計算模型見如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖

模型縱剖面如圖2所示，Y軸坐標(biāo)100m對應(yīng)里程K51+581.3，即掌子面處；Y軸坐標(biāo)100～105m為管棚工作間；105～116m為管棚洞，進(jìn)一步細(xì)化為管棚洞Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三部分，分別對應(yīng)Y軸坐標(biāo)105～109m、109～113m、113～116m；Y軸坐標(biāo)116m對應(yīng)里程K51+597.3，即TBM護(hù)盾前方刀盤處，Y軸坐標(biāo)116～122m為護(hù)盾；在隧洞拱頂上方偏右側(cè)布設(shè)超前導(dǎo)洞，導(dǎo)洞起于護(hù)盾尾部后方1.5m，長23.5m，寬2.4m，高1.5m。根據(jù)地質(zhì)勘探資料，建立的模型中包括主斷層帶和兩側(cè)影響帶，主斷層帶的寬度為5m，兩側(cè)影響帶寬度皆為7m?？C(jī)之前的正常開挖段為里程K51+603.3～K51+681.3，即對應(yīng)模型中Y軸坐標(biāo)的122～200m。

圖2 剖面示意圖

在巖體力學(xué)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合工程現(xiàn)場圍巖變形量、鋼拱架上的應(yīng)變計監(jiān)測到的鋼拱架受力，反演得到圍巖參數(shù)，見表2。

表2 圍巖力學(xué)參數(shù)

隧洞的開挖包括卡機(jī)前、脫困期、脫困后三個階段，三個階段全部完成后，模型中的隧洞實(shí)現(xiàn)貫通。圖3為普通錨桿與讓壓錨桿支護(hù)下圍巖穩(wěn)定后合位移云圖，該圖為平行于洞軸線的剖面圖?？梢钥闯?，隧洞開挖穩(wěn)定后的較大變形量出現(xiàn)在隧洞與主斷層帶、斷層影響帶交叉的位置，即TBM掘進(jìn)機(jī)卡機(jī)段。

圖3 隧洞貫通后圍巖合位移云圖

根據(jù)TBM脫困方案，對卡機(jī)之后的超前開挖進(jìn)行精細(xì)分步。超前開挖主要分為四步：隧洞上部導(dǎo)洞超前開挖、管棚工作間和管棚洞上層超前開挖、管棚工作間和管棚洞左右兩側(cè)超前開挖、TBM護(hù)盾外圍超前開挖。管棚工作間和管棚洞是部分超前開挖，超前開挖之后殘余巖體待TBM脫困后向前推進(jìn)時開挖。擴(kuò)挖第一步只是長導(dǎo)洞的開挖，因此沒有監(jiān)測拱頂下沉量。后三步中，都監(jiān)測了頂拱的下沉，每一步開挖之后都進(jìn)行支護(hù)。在后三步的計算中，監(jiān)測了模型中Y軸坐標(biāo)為102m、107m、111m、115m處的圍巖頂拱下沉量，四個坐標(biāo)值分別對應(yīng)實(shí)際隧洞的K51+583.3、K51+588.3、K51+592.3、K51+596.3樁號。如圖4所示，橫坐標(biāo)表示的是隧洞樁號，縱坐標(biāo)表示每一步完成后圍巖拱頂累積的下沉量。由圖4可以看出，隨著隧洞的超前擴(kuò)挖，頂拱下沉變形量不斷增大。在監(jiān)測的四個位置中，K51+592.3處(即模型Y軸111m處)的頂拱下沉量總是大于其他三個監(jiān)測位置，可見此處受斷層影響最大，也是TBM脫困最關(guān)鍵的位置。

圖4 分步擴(kuò)挖后頂拱下沉量

在完成最后一步擴(kuò)挖之后，圍巖變形量以及塑性區(qū)的分布對TBM脫困有著決定性的影響。完成第四步擴(kuò)挖之后，垂直于洞軸線(即模型Y軸)選取剖面K51+592.3處進(jìn)行計算，豎向和水平方向的圍巖位移云圖如圖5所示。隧洞中間殘余的巖體在TBM脫困后正常向前推進(jìn)時開挖，不需要支護(hù)。

由圖5可以看出，在支護(hù)下，穩(wěn)定后的圍巖頂拱下沉量達(dá)到12.06cm，兩側(cè)邊墻收斂變形15.49cm。由此可知，受斷層影響，此處圍巖變形的最大值并不是在正拱頂，而是在緊鄰正拱頂?shù)膬蓚?cè)。

圖5 支護(hù)時圍巖位移云圖

在完成第四步擴(kuò)挖之后垂直于洞軸線選取剖面K51+592.3處進(jìn)行計算，支護(hù)情況下圍巖塑性區(qū)分布如圖6所示，塑性區(qū)主要沿斷層展布，頂拱區(qū)域兩側(cè)塑性區(qū)深度較大。

圖6 擴(kuò)挖段圍巖塑性區(qū)分布

TBM脫困完成之后，進(jìn)入正常開挖階段。模擬隧洞貫通之后，選取距離卡機(jī)位置32m處，垂直于洞軸線剖面進(jìn)行計算，支護(hù)下的圍巖變形與錨桿受力分布如圖7所示。隧洞開挖后，圍巖向中間移動?？梢钥闯鲋ёo(hù)時圍巖最大變形的合位移為12.66mm。錨桿的軸力分布狀態(tài)都呈“紡錘狀”分布，錨桿受力值小于設(shè)計值。

圖7 正常掘進(jìn)段圍巖合位移云圖及錨桿軸力分布

基于上述計算結(jié)果，將模擬中的監(jiān)測結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測進(jìn)行對比。多點(diǎn)位移計安裝時現(xiàn)場施工已經(jīng)進(jìn)入TBM脫困階段第二步，因此所測數(shù)值主要是之后第三步與第四步結(jié)果。監(jiān)測結(jié)果和模擬結(jié)果對比如圖8所示。

圖8 多點(diǎn)位移計監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果對比

由圖8可以看出，數(shù)值模擬的結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果雖略有差別，但差值較小，并且總體變化趨勢及分布規(guī)律基本一致，可以證明數(shù)值模擬結(jié)果符合現(xiàn)場實(shí)際。經(jīng)后期實(shí)際工程驗(yàn)證，按照上述支護(hù)方案，TBM掘進(jìn)機(jī)順利完成脫困；脫困之后，能夠持續(xù)穩(wěn)定地進(jìn)行正常段的施工。

4 結(jié) 論

a.巖體變形增長主要發(fā)生在護(hù)盾上方和兩側(cè)開挖期間及換拱開挖期間；采用控制性人工開挖和及時新增支護(hù)，護(hù)盾至撐靴之間換拱卸荷對隧洞巖體的擾動在可控范圍。換拱過程中，新?lián)Q拱架整體呈受壓狀態(tài)；拱頂受力大于兩側(cè)；受臨近原拱架擴(kuò)挖拆除影響，鋼架頂部應(yīng)力呈增長狀態(tài)，增長速率隨時間逐步衰減。

b.隨著隧洞的超前擴(kuò)挖，頂拱變形量不斷增大。K51+592.3處頂拱變形量較大，圍巖變形最大值在緊鄰拱頂?shù)膬蓚?cè)位置，頂拱區(qū)域兩側(cè)圍巖塑性區(qū)深度較大。

c.TBM完成脫困正常開挖后，錨桿的軸力分布狀態(tài)呈“紡錘狀”形，錨桿受力值小于設(shè)計值，二襯澆筑完成后鋼筋應(yīng)力基本穩(wěn)定。