深埋隧洞施工期圍巖變形與應力分析及穩(wěn)定性評價

楊發(fā)棟

（華東勘測設計研究院有限公司，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，往往由于復雜的地質條件和地應力特征使得巖體力學問題比較突出。深埋長大隧洞由于其特殊的應力環(huán)境和巖體力學特性，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力調整響應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力監(jiān)測手段來分析和評價圍巖開挖響應及穩(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特征差異，從而為工程開挖支護優(yōu)化設計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)測儀器的安裝埋設基本能跟進隧洞開挖；東端1號、3號洞由于采用TBM法開挖，監(jiān)測儀器的安裝埋設十分困難，故而采取了從超前掘進的2號、4號洞向1號、3號洞預埋的方法。對于圍巖質量檢測，主要開展了巖體質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多點位移計82套，共306支傳感器；錨桿應力計102組，共204支傳感器；錨索測力計6臺；溫度計4支；收斂測點471（含臨時收斂）個；應變片49組。引水隧洞東端C4標和C5標的測點完好率為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斷面和從2號、4號隧洞預埋斷面。截至2009年12月底，1號洞正常埋設1個變形監(jiān)測斷面，共6支傳感器；從2號、4號洞向1號、3號洞預埋21套多點位移計共105支傳感器。實測洞壁累計位移匯總見表1。

從超前掘進的2號、4號洞向1號、3號洞預埋的多點位移計共21套，其中19套多點位移計已經(jīng)測到了TBM通過時產(chǎn)生的洞壁圍巖松弛變形。1號洞右壁最大實測位移為8.01 mm；3號洞右壁最大實測位移為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；②TBM掘進會在一定的時空上引起圍巖的變形，掘進擾動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)域為TBM掘進斷面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段長約為48 h左右，圍巖變形最明顯的時間段為TBM掘進過斷面后24 h內。建議在該時空范圍內應及時支護；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 應力監(jiān)測分析

1號和3號TBM組裝洞內安裝埋設了5個錨桿應力計監(jiān)測斷面，共25組50支傳感器；預埋了3組巖石應力計。其中：12支傳感器已失效無讀數(shù)，占24%；實測應力為負值、處于受壓狀態(tài)的有6支，占12%；實測應力在0～100 MPa之間的有27支，占54%；實測應力在100～200 MPa之間的有3支，占6%；實測應力大于200 MPa的有2支，實測最大值為211.5 MPa。錨桿應力計的測值都在強度極限范圍內，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)

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

圖1 監(jiān)測TBM法施工洞段多點位移計實測典型時程位移過程線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 巖石應力計實測豎向應力（上圖）和水平應力（下圖）時程曲線圖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TBM法掘進洞段部分斷面聲波檢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，實測洞壁累計位移匯總見表2，典型斷面實測時程過程線見圖4～圖6。

圖3 TBM法掘進洞段部分斷面聲波檢測成果統(tǒng)計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多點位移計實測過程線（預埋以距孔口23.3 m為參考不動點）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多點位移計實測過程線（預埋以距孔口23.3 m為參考不動點）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多點位移計實測位移過程線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號鉆爆法隧洞內共安裝埋設多點位移計70套（包括向1號、3號TBM法隧洞預埋的多點位移計），其中38套多點位移計已經(jīng)測到了2號和4號洞進行落底開挖時產(chǎn)生的洞壁圍巖二次松弛變形。②2號洞左壁最大實測位移為14.63 mm，洞頂最大實測位移為4.68 mm，右壁最大實測位移為8.20 mm；4號洞左壁最大實測位移為62.30 mm，洞頂最大實測位移為0.65 mm，右壁最大實測位移為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；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，實測最大孔口累計位移達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，受下游側半幅斷面爆破開挖振動影響，局部圍巖松弛深度已達6 m以上，建議該部位增加松動圈測試和施工單位盡快支護，嚴格控制落底開挖爆破藥量，并加密觀測。

2.2.2 應力監(jiān)測分析

2號和4號鉆爆法隧洞內共埋設安裝了18個錨桿應力計監(jiān)測斷面，共58組118支傳感器。各錨桿應力計實測應力匯總見表3。其中：22支傳感器已失效無讀數(shù)，占18.7%；實測應力為負值、處于受壓狀態(tài)的有27支，占22.88%；實測應力在0～100 MPa之間的有62支，占52.54%；實測應力在100～200MPa之間的有6支，占5.08%；實測應力大于200 MPa的有1支，實測最大值為229.74 MPa。。錨桿應力的測值都在強度極限范圍內，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測應力匯總表（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 鉆爆法掘進洞段部分斷面聲波檢測成果統(tǒng)計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)計鉆爆法掘進洞段部分斷面聲波檢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，這為支護方案的優(yōu)化設計提供了一定依據(jù)，使得TBM法與鉆爆法的支護參數(shù)存在差異。

3 結語

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

（2）結合圍巖變形和斷面松弛圈測試成果看，TBM法掘進產(chǎn)生的洞壁圍巖松弛變形較鉆爆法開挖時產(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，這與大理巖強度特征隨著圍壓的增高會表現(xiàn)出明顯的脆-延-塑轉換特征基本一致。

（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力破壞可以分成緩和型和強烈型，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類巖體和巖體質量更差的洞段常見鼓幫、應力型坍塌的非脆性破壞。強烈的高應力破壞便是巖爆，目前巖爆的機理、預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)控理論及其應用[M].南京:河海大學出版社,1990.

[2]于學馥,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]中國水電顧問集團華東勘測設計研究院.錦屏二級水電站引水隧洞圍巖監(jiān)測階段性成果報告[R].2010.