富水蝕變巖隧洞TBM掘進(jìn)支護(hù)措施與穩(wěn)定性研究

辛鳳茂，于 茂，解 紅

(1.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.新疆伊犁河流域開發(fā)建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000)

蝕變巖是高溫流體作用下經(jīng)物理與化學(xué)變化引起圍巖化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)構(gòu)造改變后的巖體，具有強(qiáng)度低、易潮解、易崩解、完整性差等特點(diǎn)。蝕變巖的強(qiáng)度與分布范圍既取決于流體的物理化學(xué)性質(zhì)，如pH、溫度、壓力等，也取決于原巖的物理化學(xué)性質(zhì)，如孔隙度、滲透性、裂隙發(fā)育程度、主要結(jié)構(gòu)面的張開寬度與方向、與流體的遠(yuǎn)近、與流體化學(xué)性質(zhì)的差異等。流體與原巖的化學(xué)性質(zhì)差異越大，原巖交代蝕變?cè)綇?qiáng)烈。蝕變帶可呈線型、面型、體型展布，分布規(guī)律性差。因此，蝕變巖的工程地質(zhì)特性特殊而復(fù)雜。在富水蝕變地層中進(jìn)行隧洞等地下工程施工時(shí)，水-巖軟化損傷、滲流沖刷裹挾作用導(dǎo)致地層部分礦物流失或變質(zhì)，顯著影響巖體的工程地質(zhì)性狀。穿越蝕變巖的隧洞施工過程中，往往由于對(duì)蝕變巖體體性質(zhì)及特殊性認(rèn)識(shí)不足，導(dǎo)致出現(xiàn)圍巖大變形、突泥涌水、塌方等一系列安全事故。

在我國(guó)的水電及隧道工程建設(shè)中，已遇到過多處蝕變巖特殊地質(zhì)條件，在其工程特性方面開展了較多的研究。例如大崗山高拱壩壩區(qū)、二灘拱壩右岸基巖、小灣水電站拱壩及壩肩、蘇家河口水電站樞紐區(qū)、廣州抽水蓄能電站地下洞群、平江抽水蓄能電站、瑯琊山抽水蓄能電站地下廠房、天池抽水蓄能電站地下廠房、青龍水電站引水隧洞、洛湛線北崗隧道與清水隧道、貴廣高鐵賀州段東科嶺隧道、海西高速安坪隧道等工程。目前，有關(guān)蝕變巖體的研究主要集中在巖石本身的物理化學(xué)性質(zhì)和工程特性方面，且研究范圍主要是水電站區(qū)蝕變帶及隧道鉆爆法施工中蝕變巖處理技術(shù)，在深埋長(zhǎng)隧洞TBM施工法方面開展研究工作較少，本文以新疆某隧洞TBM成功通過花崗巖蝕變帶為例。

1 工程概況

新疆某隧洞工程全長(zhǎng)超過40km，洞徑5.3m，最大埋深超過2200m，屬深埋長(zhǎng)隧洞。隧洞自南而北橫穿博羅科努山，圍巖巖性復(fù)雜多變，沉積巖、火山巖、變質(zhì)巖均有分布。其主要包括志留系、泥盆系、石炭系的砂巖、變質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)砂巖以及華力西期花崗巖，少量為奧陶系灰?guī)r和第三系泥巖。

隧洞開挖采用兩臺(tái)敞開式TBM和鉆爆法相結(jié)合的施工方案，其中出口TBM自出口逆坡向上游掘進(jìn)，設(shè)計(jì)掘進(jìn)里程約18km，當(dāng)進(jìn)尺約3.3km處時(shí)進(jìn)入華力西中期侵入的二長(zhǎng)花崗巖蝕變帶，從隧洞揭露的蝕變巖看，蝕變巖具有范圍大、性狀差、分布不規(guī)則的特點(diǎn)，蝕變巖洞段存在變形、塌方掉塊、承載力低、流砂等工程地質(zhì)問題。

表1 強(qiáng)蝕變花崗巖物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果

2 工程地質(zhì)條件

華力西中期侵入的二長(zhǎng)花崗巖具有不同程度的蝕變，根據(jù)蝕變巖的表觀特征、礦物蝕變程度、巖石強(qiáng)度、巖體地震波等，對(duì)蝕變巖劃分為強(qiáng)蝕變、中等蝕變、輕微蝕變?nèi)N。本文以強(qiáng)蝕變?yōu)槔M(jìn)行論述。

強(qiáng)蝕變巖石的組織結(jié)構(gòu)完全破壞或殘留少量心石，可見原始結(jié)構(gòu)痕跡。除石英外，其余礦物大部分或全部蝕變?yōu)榇紊V物。干燥狀態(tài)呈密實(shí)狀，潮濕時(shí)呈松散土狀或砂狀。巖體裂隙不明顯。錘擊有松軟感，出現(xiàn)凹坑，手捏即碎，用鋼釬可插入。縱波速一般小于1000m/s，回彈值多小于10。易潮解，遇水快速崩解。強(qiáng)蝕變花崗巖在洞底積水的作用下出現(xiàn)明顯的軟化，用鐵鍬可以鏟動(dòng)，軟化深度一般在0.5m以上。強(qiáng)蝕變的花崗巖以干燥狀態(tài)為主時(shí)，在拱頂位置多有碎屑或小巖塊塌落，塌落的巖塊無明顯棱角，易形成較大的空腔，在護(hù)盾邊緣常有大量的砂狀碎屑流出，若以潮濕—濕狀態(tài)，表現(xiàn)出明顯的塑性變形。

施工期對(duì)蝕變巖洞段取樣進(jìn)行了物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，成果見表1。

蝕變巖還具備膨脹性和崩解性，強(qiáng)蝕變巖的自由膨脹率為15%～22%，側(cè)向約束膨脹率為0.67%～1.60%。雖然巖石的自由膨脹率較大，但巖石孔隙比高，顆粒間孔隙空間大，受到側(cè)向約束后，強(qiáng)蝕變巖產(chǎn)生的軸向方向的膨脹率較小。強(qiáng)蝕變巖的膨脹力為0.993～2.578kPa。雖然強(qiáng)蝕變巖蝕變產(chǎn)生的黏土礦物含量較多，但由于巖石結(jié)構(gòu)受到破壞，顆粒間聯(lián)結(jié)力弱，孔隙多，孔隙空間相對(duì)較大，釋放了一部分黏土礦物吸水膨脹產(chǎn)生的作用力。

3 TBM掘進(jìn)支護(hù)措施

3.1 超前加固措施

TBM掘進(jìn)蝕變巖洞段以巖石掉塊、塌落為主，塌落體為散體、塊狀結(jié)構(gòu)，形成大量渣體。蝕變花崗巖超前加固措施是保障工程順利進(jìn)行和連續(xù)掘進(jìn)的關(guān)鍵措施之一，亦是保證安全生產(chǎn)的主要技術(shù)手段。

(1)從護(hù)盾頂部蝕變巖堆積處鋼拱架下適當(dāng)位置，采用Φ40中空注漿鋼花管或Φ25自進(jìn)式中空錨桿(管身造孔)鉆入冒落巖體，進(jìn)行注漿，使得上部松散體膠結(jié)成連續(xù)體，恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性。

(2)為避免掌子面前方坍塌造成刀盤被卡住，在刀盤內(nèi)已經(jīng)設(shè)計(jì)的孔位進(jìn)行前方和斜上超前鉆孔，進(jìn)行超前灌漿加固，刀盤前方采用中空玻璃鋼注漿錨桿，上方采用中空注漿錨桿。

(3)超前加固采用雙組分化學(xué)灌漿材料，主要為避免灌漿過程中人為對(duì)刀盤及護(hù)盾造成卡機(jī)現(xiàn)象。

3.2 支護(hù)措施

(1)根據(jù)圍巖蝕變程度、塌方高度，通過數(shù)值分析確定支護(hù)參數(shù)。強(qiáng)蝕變有水段采用HW150鋼拱架支護(hù)，榀距0.3～0.35m，縱向連接采用Φ20鋼筋，環(huán)間距1m，局部采用槽鋼連接。在底拱遇水泥化變軟洞段，采用增加鋼板(厚1cm)或槽鋼(10#)墊在拱架外緣防止拱架沉陷，局部采用干硬性混凝土硬化。頂拱150°范圍采用Φ20鋼筋排，間距6～8cm?？紤]支護(hù)的整體穩(wěn)定，滲、滴、線狀、股狀出水蝕變巖洞段采用噴射納米粗纖維混凝土，厚度20cm。

(2)考慮撐靴部位巖石強(qiáng)度和接地比壓不足的問題，支護(hù)采用掛網(wǎng)噴射納米混凝土，厚度20cm，噴混凝土硬化后，進(jìn)行鋼花管注漿，花管直徑40mm，深度和間排距根據(jù)蝕變深度和現(xiàn)場(chǎng)灌漿效果確定。為滿足TBM連續(xù)掘進(jìn)，避免長(zhǎng)時(shí)間停滯造成卡機(jī)現(xiàn)象，注漿材料采用化學(xué)灌漿。

3.3 支撐系統(tǒng)承載能力分析

針對(duì)巖石蝕變程度和涌水情況對(duì)鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)承載能力進(jìn)行分析。

3.3.1計(jì)算方法

采用MIDAS GTS軟件進(jìn)行模型建立及結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析，混凝土結(jié)構(gòu)采用各向同性彈性材料進(jìn)行模擬。地基采用僅能考慮受壓的彈性彈簧材料。

圖1 蝕變巖段考慮塌落拱壓重的鋼結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)承載能力分析計(jì)算結(jié)果

3.3.2計(jì)算荷載

支護(hù)系統(tǒng)承受的荷載包括自重、圍巖塌落荷載、圍巖初始地應(yīng)力釋放、外水壓力、施工荷載等。塌落荷載按現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的實(shí)際塌落深度進(jìn)行計(jì)算，地應(yīng)力考慮1%～3%。

3.3.3計(jì)算結(jié)果

在同時(shí)承擔(dān)塌落荷載及變形地應(yīng)力釋放荷載條件下，計(jì)算鋼拱架頂部位移最大，約為7.3mm，鋼拱架側(cè)壁受壓最大，為53.2MPa，如圖1所示。

3.4 回填和固結(jié)

強(qiáng)蝕變段支護(hù)系統(tǒng)上方，巖石存在掉塊、塌方現(xiàn)場(chǎng)，塌落體為散體、塊狀結(jié)構(gòu)，塌落最大深度約4m，考慮強(qiáng)蝕變段遇水軟化嚴(yán)重，危及洞室穩(wěn)定，此段及時(shí)進(jìn)行回填和固結(jié)灌漿，蝕變巖無水洞段，回填流動(dòng)性較好的M10砂漿或流動(dòng)性較好的一級(jí)配混凝土，對(duì)蝕變有外水洞段，進(jìn)行化學(xué)灌漿，對(duì)頂部空腔做到滿填滿灌，確保洞室穩(wěn)定。

4 結(jié)語

以新疆某隧洞成功穿越富水蝕變巖洞段為背景，介紹了TBM掘進(jìn)富水蝕變巖的超前加固、支護(hù)措施，并對(duì)支護(hù)系統(tǒng)整體穩(wěn)定及安全性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，加固及支護(hù)措施安全有效，目前該洞段已施工完成，監(jiān)測(cè)資料顯示圍巖、拱架變形、應(yīng)力已趨于穩(wěn)定。

TBM開挖的富水蝕變巖洞段的成功通過，為TBM開挖的深埋長(zhǎng)隧洞處理不良地質(zhì)洞段的設(shè)計(jì)提供了工程案例，對(duì)類似工程具有一定的參考意義。