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)
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。
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。
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。
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
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。
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。
3.1.1 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。
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。
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?、纛悋鷰r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
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
4.3.1 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?,F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。
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。