深埋硬巖隧洞圍巖變形量分形結(jié)構(gòu)研究

蘇喜寶 廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司

近年來，隨著人們生活水平越來越高，快速提升了基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量，也在不斷提升隧道工程巖體的埋深，與淺部巖體相比，深部巖體力學(xué)狀態(tài)存在顯著差異，并且地質(zhì)災(zāi)害類型存在較大的差別且較為頻繁。深部工程存在巖溶水壓高、地溫高、地應(yīng)力高和工程擾動(dòng)等情況，特別是在地應(yīng)力高的情況下有很大幾率會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害[1]。在高應(yīng)力環(huán)境中，硬脆性巖體會(huì)完成向巖性巖體的轉(zhuǎn)化，在高地應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)榈偷貞?yīng)力的過程中巖體又會(huì)轉(zhuǎn)化回來，在改變溫度、外荷載等條件的情況下將釋放儲(chǔ)存在巖體內(nèi)部的彈性能，極易導(dǎo)致脆性破壞在巖體中發(fā)生，如塌方、崩落、劈裂等，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)有爆巖等事件發(fā)生，會(huì)在很大程度上影響工程的使用性和安全性。

1.工程概況

珠江三角洲水資源配置工程就是向珠江三角洲東部引入珠江三角洲河網(wǎng)區(qū)西部的西江水系，從而完成對(duì)東莞市、深圳市、廣州市南沙區(qū)的供水，保證東部地區(qū)城市長(zhǎng)遠(yuǎn)用水的問題得到解決。在本次工程中是在佛山市順德區(qū)杏壇鎮(zhèn)的鯉魚洲島上設(shè)置的取水口，并由西向東布置輸水線路，工程受水區(qū)共擁有5228km2的行政區(qū)總面積。工程方案位置分布示意圖如圖1所示。

圖1 工程方案位置分布示意圖

2.推薦線路工程隧洞情況

由于本工程涉及的隧洞較多，本文將主要針對(duì)1#、2#、3#隧洞開展研究，下面為各隧洞的具體情況。

2.1 1#隧洞

本段線路屬于丘陵、低山地貌，擁有15°-35°的坡度和60m-160m的地面高程。

與工程鉆孔和地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果相結(jié)合，大部分沿線山體表層都被全風(fēng)化土和坡積層覆蓋，擁有10m-20m的厚度。

在實(shí)際中在本隧洞施工過程中將使用鉆爆法，隧洞進(jìn)洞點(diǎn)擁有60m左右高程，出洞點(diǎn)位53m高程，洞線穿過的山區(qū)擁有最高為160m的海拔高程，該段隧洞擁有606m的長(zhǎng)度，隧洞底板擁有55m-57m高程，大多為40m-100m埋深。

有強(qiáng)風(fēng)化花崗巖處于設(shè)計(jì)進(jìn)洞點(diǎn)位置，存在發(fā)育較為完全的裂縫，在施工時(shí)應(yīng)該有效落實(shí)鎖口和支護(hù)工作，并且需要支護(hù)洞臉邊坡，合理設(shè)置排水和截水設(shè)施。在隧洞的洞身位置多為弱風(fēng)化花崗巖，在鉆孔聲波測(cè)試中擁有3960m/s-5333m/s的縱波速度，擁有4774m/s的平均值，擁有13.7×103MP-60.7×103Mpa的靜彈模量，40.4×103MPa的平均值，29.5×103MPa-68.4×103Mpa的動(dòng)彈模量，50.0×103MPa的平均值，巖體擁有較為完整的完整程度，堅(jiān)硬的巖質(zhì)，擁有80-100MPa的單軸飽和抗壓強(qiáng)度。主要為Ⅲ圍巖，擁有較好的工程地質(zhì)條件。出洞口擁有較為嚴(yán)重的巖體風(fēng)化情況，存在20m的全風(fēng)化帶厚度，由于是在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖內(nèi)設(shè)計(jì)出洞點(diǎn)，屬于土洞進(jìn)洞，所以擁有較差的工程地質(zhì)條件，需保證超前支護(hù)措施有效落實(shí)，鎖口及時(shí)，有效支護(hù)洞臉邊坡，并完成排水、截水設(shè)施設(shè)置。

2.2 2#隧洞

本隧洞段與1#隧洞地貌相同，擁有10°-20°的坡度，60m-110m的高程，有沖溝存在山體中，沖溝為5m-10m切深。

與鉆孔和工程地質(zhì)測(cè)繪結(jié)果相結(jié)合，該地段為黑云母二長(zhǎng)花崗巖巖性，全風(fēng)化土和坡積層覆蓋沿線大部分山體表層，擁有20m-30m厚度。

本段隧洞施工同樣擬采用鉆爆法，隧洞進(jìn)洞點(diǎn)為60m左右高程，出洞點(diǎn)為53m高程，山頂為110m高程，該段隧洞擁有594m的長(zhǎng)度，隧洞底板擁有55m-57m高程，30-50m埋深。

設(shè)計(jì)進(jìn)洞點(diǎn)基本情況和所需處理與1#隧洞基本相同，不同之處在于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖覆蓋隧洞沿線大部分洞身，擁有2469m/s～3150m/s的縱波速度，2949m/s的平均值，0.8×103M Pa～2.6×103Mpa靜彈模量，1.9×103MPa的平均值，7.8×103MPa～15.5×103Mpa的動(dòng)彈模量，12.8×103MPa的平均值，巖層存在較破碎的完整程度，稍硬的巖質(zhì)，擁有60MPa～90MPa的單軸飽和抗壓強(qiáng)度，主要為Ⅴ類圍巖，擁有較差的工程地質(zhì)條件。出洞口擁有較為嚴(yán)重的巖體風(fēng)化情況，存在20m-30m的全風(fēng)化帶厚度，由于是在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖內(nèi)設(shè)計(jì)出洞點(diǎn)，屬于土洞進(jìn)洞，所以擁有較差的工程地質(zhì)條件，需保證超前支護(hù)措施有效落實(shí)，鎖口及時(shí)，有效支護(hù)洞臉邊坡，并且完成排水、截水措施設(shè)置[2]。

2.3 3#隧洞

2.3.1 3#隧洞鉆爆段

鉆爆段處于3#隧洞上游，地貌為丘陵、低山，本段隧洞沿線擁有60m-160m的地面高程，10°-35°的坡度。與相關(guān)的鉆探和測(cè)繪結(jié)果相結(jié)合，該地層為早志留世混合巖巖性，全風(fēng)化土和坡積層覆蓋了大部分沿線山體，擁有10-15m的厚度。

在設(shè)計(jì)中采用48m左右的進(jìn)洞點(diǎn)高程，45m出洞點(diǎn)高程，洞線山頂擁有110m高程，該段隧洞擁有500m長(zhǎng)度，隧洞底板擁有40m-43m高程，20m-70m埋深。

有強(qiáng)風(fēng)化巖處于進(jìn)洞點(diǎn)位置，存在發(fā)育較為完全的裂縫，在施工過程中應(yīng)該及時(shí)落實(shí)鎖口和支護(hù)措施，并且有效支護(hù)洞臉邊坡，完成排水、截水設(shè)施設(shè)置。弱風(fēng)化花崗巖擁有3960 m/s～5333m/s的縱波速度，4774m/s的平均值，擁有13.7×103MPa～60.7×103Mpa的靜彈模量，40.4×103MPa的平均值，29.5×103MPa～68.4×103Mpa的動(dòng)彈模量，40.4×103MPa的平均值，巖體擁有較為完整的完整程度，為堅(jiān)硬巖質(zhì)，擁有75 MPa～100MPa的單軸飽和抗壓強(qiáng)度，并且以Ⅲ類圍巖為主，擁有較好的工程地質(zhì)條件；出洞口擁有較為嚴(yán)重的巖體風(fēng)化情況，存在20m的全風(fēng)化帶厚度，由于是在強(qiáng)風(fēng)化花崗巖內(nèi)設(shè)計(jì)出洞點(diǎn)，所以擁有較差的工程地質(zhì)條件，需保證超前支護(hù)措施有效落實(shí)，鎖口及時(shí)，有效支護(hù)洞臉邊坡，并完成排水、截水設(shè)施設(shè)置。

2.3.2 3#隧洞TBM段

本隧洞段地貌為丘陵、低山地貌，隧洞沿線擁有10°-35°的坡度，80m-240m的地面高程。有沖溝存在于山體中，沖溝為10m-30m切深。

與相關(guān)的鉆探和測(cè)繪結(jié)果相結(jié)合，該地層為早志留世混合巖巖性，全風(fēng)化土和坡積層覆蓋了大部分沿線山體，存在2m-14m的厚度。

在本段隧洞施工中擬采用TBM法，隧洞進(jìn)洞點(diǎn)設(shè)計(jì)為45m左右高程，出洞點(diǎn)為54m，洞線所經(jīng)山區(qū)最高擁有240m的海拔高程，該段隧洞擁有6017m的長(zhǎng)度，隧洞底板擁有41m-42m的高程，40m-200m的埋深。

由于在設(shè)計(jì)中以較差弱風(fēng)化花崗巖作為進(jìn)洞點(diǎn)位置，裂縫較發(fā)育，工程存在較差的地質(zhì)條件，在開展實(shí)際施工的過程中應(yīng)該注意開展超前支護(hù)施工，保證鎖口及時(shí)，有效支護(hù)洞臉邊坡，并且完成排水、截水設(shè)施設(shè)置。隧洞沿線大多需要穿過微風(fēng)化花崗巖和弱風(fēng)化花崗巖，擁有3361m/s～5195m/s的縱波速度，4626m/s平均縱波速度，3.6×103MPa～55.1×103Mpa的靜彈模量，36.0×103MPa的平均靜彈模量，18.5×103MPa～63.5×103Mpa的動(dòng)彈模量，45.7×103MPa的平均動(dòng)彈模量，巖體擁有較為完整的完整程度，堅(jiān)硬的巖質(zhì)，80MPa～110MPa的單軸飽和抗壓強(qiáng)度，主要以Ⅲ類圍巖為主，擁有較好的工程地質(zhì)條件；因?yàn)槌龆袋c(diǎn)巖性為弱風(fēng)化花崗巖，存在發(fā)育較好的裂縫，在實(shí)際施工過程中應(yīng)該保證超前支護(hù)施工及時(shí)有效，鎖口及時(shí)，合理支護(hù)洞臉邊坡，并且完成排水截水設(shè)施設(shè)置。

因?yàn)楸径嗡矶葱枰獜臄鄬悠扑閹Т┻^，并且大角度相交于輸水線路，會(huì)在較小程度上影響圍巖的穩(wěn)定性。構(gòu)造范圍內(nèi)存在破碎的圍巖，擁有較差的穩(wěn)定性，再加上擁有豐富的地下水，很可能導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)的情況發(fā)生，在施工過程中需要對(duì)支護(hù)和排水措施進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)[3]。

3.變形量分形計(jì)算

在分形幾何學(xué)中分形維數(shù)是重要的組成部分，能夠?qū)Ψ中螏缀误w復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確描述，使復(fù)雜幾何形體不規(guī)則性的量度得到準(zhǔn)確反映。在變化的過程中其具有連續(xù)性和離散型等特點(diǎn)，所以可以通過分形維數(shù)的合理利用來定量描述出分形結(jié)構(gòu)的破碎、不規(guī)則以及自相似程度，能夠完成不規(guī)則事物內(nèi)在規(guī)律表征的表達(dá)[4]。在分形維數(shù)中信息維數(shù)、容量維數(shù)、幾何維數(shù)以及相似性維數(shù)較為常見。與分形維數(shù)的特點(diǎn)相結(jié)合，本文在隧洞圍巖變形開展研究時(shí)，與相似維數(shù)的概念有效融合，計(jì)算深埋隧洞圍巖變形量的流程如下：1）在時(shí)間范圍內(nèi)完成不同t值的選取，并且在總的時(shí)間過程內(nèi)統(tǒng)計(jì)出某監(jiān)測(cè)點(diǎn)選取時(shí)間過程內(nèi)的位移增量和總位移增量；2）計(jì)算有關(guān)指數(shù)的公式為

其中監(jiān)測(cè)位移的總時(shí)間范圍用T表示，T時(shí)間范圍的時(shí)間間隔用t表示，T始終大于或等于t；3）完成直角坐標(biāo)系的建立，在借助以下公式完成線性擬合

其中橫坐標(biāo)用lgt表示，縱坐標(biāo)用lgc（εt）表示。在完成線性擬合后，對(duì)各圖中的擬合直線和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果擬合直線的自相似性較好，則證明在時(shí)間上隧洞圍巖的變形量存在分形特征[5]。另外這個(gè)公式最終得出的Dt值就是變形量的分形維數(shù)。

最終通過計(jì)算證明，在開展深埋巖體隧洞開挖施工時(shí)，在時(shí)間上圍巖的形變具有分形特征，并且自相似性特征較好，當(dāng)隧洞擁有500m-1800m內(nèi)的埋深時(shí)，在不斷提升埋深的過程中將顯著增加變形量的分形維數(shù)，同時(shí)在不斷增加隧洞深度的過程中也會(huì)提升發(fā)生圍巖災(zāi)害的頻率。

4.推薦線路隧洞TBM適宜性分析

最終本次工程通過合理對(duì)比各種施工方案，決定采取推薦線路方案，將工程的重點(diǎn)集中在隧洞工程方面，在結(jié)合本次工程隧洞工程地質(zhì)情況和變形量分形計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定隧洞擁有600m的最大埋深。在開展隧洞施工時(shí)分別使用TBM和鉆爆法等工藝。在充分考慮巖石強(qiáng)度、巖體地應(yīng)力、完整性、地下水、耐磨性等因素的情況下，與TBM的施工特點(diǎn)相結(jié)合，有效分析TBM施工的適宜性，從高到低分別為A、B、C三個(gè)級(jí)別[6]。具體分類標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。最終3#隧洞TBM段的評(píng)價(jià)結(jié)果為A-B，證明其適宜TBM施工。

表1 TBM施工適宜性分類標(biāo)準(zhǔn)

5.結(jié)束語

（1）在推薦線路中隧洞需要在花崗巖巖體中穿過，在隧洞施工中主要涉及Ⅱ～Ⅲ類圍巖，擁有較好的隧道工程地質(zhì)條件。

（2）變形量分形計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)隧洞埋深處于500m-1800m范圍時(shí)，埋深與變形量的分形維數(shù)呈正比例關(guān)系，通過綜合研判最終本次工程確定600m的最大埋深，不但能夠滿足工程需求，還能夠使發(fā)生圍巖災(zāi)害的頻率有效降低。

（3）在3#隧洞T BM段中使用TBM施工技術(shù)能夠滿足科學(xué)性和合理性的要求。