深埋隧洞施工期围岩变形与应力分析及稳定性评价

杨发栋

（华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，310014）

0 引言

随着我国巨型水电工程的开发，地下隧洞出现长大深埋工程，往往由于复杂的地质条件和地应力特征使得岩体力学问题比较突出。深埋长大隧洞由于其特殊的应力环境和岩体力学特性，采用TBM法及钻爆法等不同开挖方式引起的隧洞围岩变形及应力调整响应方式也存在一定的差异。通过某水电工程引水隧洞施工期围岩变形与应力监测手段来分析和评价围岩开挖响应及稳定特性，探索深埋脆性大理岩隧洞开挖采用TBM法和钻爆法两种不同施工方法的围岩响应特征差异，从而为工程开挖支护优化设计和工程施工安全提供重要依据。

1 监测布置及仪器埋设概况

该水电工程4条引水隧洞的开挖均采用从两端对向施工。东端2号、4号洞和西端1-4号洞采用钻爆法，监测仪器的安装埋设基本能跟进隧洞开挖；东端1号、3号洞由于采用TBM法开挖，监测仪器的安装埋设十分困难，故而采取了从超前掘进的2号、4号洞向1号、3号洞预埋的方法。对于围岩质量检测，主要开展了岩体质量与松弛深度检测及断面松弛深度声波检测等。

截至2009年12月31日，施工期本阶段引水隧洞在东端已安装埋设多点位移计82套，共306支传感器；锚杆应力计102组，共204支传感器；锚索测力计6台；温度计4支；收敛测点471（含临时收敛）个；应变片49组。引水隧洞东端C4标和C5标的测点完好率为96.99%。

2 监测资料分析

2.1 TBM法施工洞段

2.1.1 围岩变形分析

1号、3号TBM法隧洞安全监测分为本洞正常埋设断面和从2号、4号隧洞预埋断面。截至2009年12月底，1号洞正常埋设1个变形监测断面，共6支传感器；从2号、4号洞向1号、3号洞预埋21套多点位移计共105支传感器。实测洞壁累计位移汇总见表1。

从超前掘进的2号、4号洞向1号、3号洞预埋的多点位移计共21套，其中19套多点位移计已经测到了TBM通过时产生的洞壁围岩松弛变形。1号洞右壁最大实测位移为8.01 mm；3号洞右壁最大实测位移为55.21 mm。由变形监测数据和图1可知：①TBM通过监测断面后，洞壁围岩松弛变形很快趋于稳定，围岩松弛变形量大小及松弛影响深度与围岩类别密切相关；②TBM掘进会在一定的时空上引起围岩的变形，掘进扰动引起的围岩变形空间上比较明显的范围约在2倍洞径范围左右，围岩变形最明显的区域为TBM掘进断面0D～1D（D为隧洞直径）之间，围岩变形深度小于4.0 m；围岩变形比较明显的时段长约为48 h左右，围岩变形最明显的时间段为TBM掘进过断面后24 h内。建议在该时空范围内应及时支护；③围岩完整性越好，松弛变形量越小，松弛影响深度越浅；围岩完整性越差，松弛变形量越大，松弛影响深度越深。

2.1.2 应力监测分析

1号和3号TBM组装洞内安装埋设了5个锚杆应力计监测断面，共25组50支传感器；预埋了3组岩石应力计。其中：12支传感器已失效无读数，占24%；实测应力为负值、处于受压状态的有6支，占12%；实测应力在0～100 MPa之间的有27支，占54%；实测应力在100～200 MPa之间的有3支，占6%；实测应力大于200 MPa的有2支，实测最大值为211.5 MPa。锚杆应力计的测值都在强度极限范围内，且监测数据表明测值已基本稳定，说明1号和3号TBM组装洞内的系统锚杆受力状态已基本稳定。

表1 1号、3号隧洞TBM法施工洞段洞壁累计位移汇总表（20091221）Table 1 Accumulative displacement values of the wall of tunnel 1#and tunnel 3#excavated by TBM method(December 21,2009)

预埋的岩石应力计实测的围岩应力成果与深埋隧洞的锚杆应力监测变化规律基本吻合，在开挖初期围岩应力剧烈调整，很快便趋于稳定，见图2所示。TBM法掘进扰动引起的围岩应力调整，最大时间区间为TBM掘进至断面后0D～1D（D为隧洞直径），应力集中较明显的范围约在4 m以内，最明显的范围约在2 m以内，也基本符合T2y5灰白色厚层状粗晶脆性大理岩开挖应力响应基本特征。

图1 监测TBM法施工洞段多点位移计实测典型时程位移过程线Fig.1 Graph of displacement of the tunnel section excavated by TBM method,monitored by multi-point displacement meter at typi⁃cal times

图2 岩石应力计实测竖向应力（上图）和水平应力（下图）时程曲线图Fig.2 Vertical stress(upper one)and horizontal stress(lower one)of the rock monitored by stress gauge

2.1.3围岩断面松弛深度分析

通过统计TBM法掘进洞段部分断面声波检测成果及典型断面松弛深度，对测试成果的大值和小值添加趋势线（如图3），得出TBM法施工洞段围岩的松弛深度范围界限约为0.1D～0.35D（D为隧洞直径）。从总体上来看，TBM法隧洞开挖过程引起的围岩松弛深度较钻爆法要浅。

2.2 钻爆法施工洞段

2.2.1 围岩变形分析

钻爆法已开挖洞段地层岩性主要为T2y5、T2y6的大理岩，层面约N10°～20°E SE∠80°～85°，断续延伸，围岩分类主要为Ⅲ类，局部Ⅱ类和Ⅳ类。截至2009年12月底，实测洞壁累计位移汇总见表2，典型断面实测时程过程线见图4～图6。

图3 TBM法掘进洞段部分断面声波检测成果统计及典型断面松弛深度Fig.3 Acoustic detection results of some tunnel section excavated by TBM method and relaxation depth on some typical sections

图4 M2-14+745-3多点位移计实测过程线（预埋以距孔口23.3 m为参考不动点）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)

图5 M2-14+880-1多点位移计实测过程线（预埋以距孔口23.3 m为参考不动点）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)

图6 M4-13+800-1多点位移计实测位移过程线Fig.6 Graph of the monitored value by multi-point displacement meter M4-13+800-1

表2 2号、4号隧洞钻爆法施工洞段洞壁累计位移汇总表（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)

经分析可知：①2号和4号钻爆法隧洞内共安装埋设多点位移计70套（包括向1号、3号TBM法隧洞预埋的多点位移计），其中38套多点位移计已经测到了2号和4号洞进行落底开挖时产生的洞壁围岩二次松弛变形。②2号洞左壁最大实测位移为14.63 mm，洞顶最大实测位移为4.68 mm，右壁最大实测位移为8.20 mm；4号洞左壁最大实测位移为62.30 mm，洞顶最大实测位移为0.65 mm，右壁最大实测位移为23.65 mm。③隧洞落底开挖通过监测断面后洞壁围岩松弛变形也很快趋于稳定，围岩松弛变形量大小及松弛影响深度与围岩类别密切相关；围岩完整性越好，松弛变形量越小，松弛影响深度越浅；反之，围岩完整性越差，松弛变形量越大，松弛影响深度越深。④受下断面开挖爆破影响，M4-13+400-1、3和M4-13+800-1变形明显，实测最大孔口累计位移达82.71 mm（M4-13+800-1），该部位由于层面发育并相互切割，围岩较破碎，受下游侧半幅断面爆破开挖振动影响，局部围岩松弛深度已达6 m以上，建议该部位增加松动圈测试和施工单位尽快支护，严格控制落底开挖爆破药量，并加密观测。

2.2.2 应力监测分析

2号和4号钻爆法隧洞内共埋设安装了18个锚杆应力计监测断面，共58组118支传感器。各锚杆应力计实测应力汇总见表3。其中：22支传感器已失效无读数，占18.7%；实测应力为负值、处于受压状态的有27支，占22.88%；实测应力在0～100 MPa之间的有62支，占52.54%；实测应力在100～200MPa之间的有6支，占5.08%；实测应力大于200 MPa的有1支，实测最大值为229.74 MPa。。锚杆应力的测值都在强度极限范围内，且监测数据表明测值已基本稳定，说明2号和4号钻爆法隧洞内系统锚杆受力状态已基本稳定。

表3 2号、4号隧洞钻爆法施工洞段锚杆实测应力汇总表（20091221）Table 3 Monitored stress values of the sections of tunnel 2#and tunnel 4#excavated by drilling and blasting method(December 21,2009)

图7 钻爆法掘进洞段部分断面声波检测成果统计及典型断面松弛深度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 围岩断面松弛深度分析

通过统计钻爆法掘进洞段部分断面声波检测成果及典型断面松弛深度，对测试成果的大值和小值添加趋势线（如图7），得出钻爆法施工洞段围岩的松弛深度范围界限约为0.15D～0.45D（D为隧洞直径）。从总体上来看，钻爆法隧洞开挖过程引起的围岩松弛深度较TBM法要大，这为支护方案的优化设计提供了一定依据，使得TBM法与钻爆法的支护参数存在差异。

3 结语

（1）施工期TBM法隧洞开挖实测围岩变形最大值为55.21 mm，实测最大锚杆应力为211.5 MPa；施工期钻爆法隧洞开挖实测围岩变形最大值为62.30 mm，实测最大锚杆应力为229.74 MPa。可以看出，钻爆法引起的围岩变形和应力调整量大于TBM法。

（2）结合围岩变形和断面松弛圈测试成果看，TBM法掘进产生的洞壁围岩松弛变形较钻爆法开挖时产生的洞壁围岩二次松弛变形影响深度要小，一般Ⅲ类围岩的松弛影响深度，TBM法约为0.1D～0.35D左右，钻爆法约为0.15D～0.45D左右（D为隧洞直径）。开挖产生的洞壁围岩松弛变形很快趋于稳定，这与大理岩强度特征随着围压的增高会表现出明显的脆-延-塑转换特征基本一致。

（3）通过施工期现场巡视和搜集整理部分围岩破坏特征可以看出，该水电工程引水隧洞围岩的高应力破坏可以分成缓和型和强烈型，其中缓和型又可以分成脆性破坏和非脆性破坏。完整性较好的II类围岩中常见片帮、应力节理、“V”型破坏是典型的脆性破坏；在II类和III类围岩中可以观察到具有明显的脆性特征或受微节理发育而具有明显非脆性特征的破裂、破碎；III类岩体和岩体质量更差的洞段常见鼓帮、应力型坍塌的非脆性破坏。强烈的高应力破坏便是岩爆，目前岩爆的机理、预防与控制是深埋隧洞围岩稳定及安全性态分析的重要课题。■

[1]吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].南京:河海大学出版社,1990.

[2]于学馥,郑颖人.地下工程围岩稳定性分析[M].北京:煤炭工业出版社,1983.

[3]中国水电顾问集团华东勘测设计研究院.锦屏二级水电站引水隧洞围岩监测阶段性成果报告[R].2010.