TBM隧洞围岩分级方法及支护体系研究

邓铭江,谭忠盛

(1.新疆水利发展投资(集团)有限公司,新疆 乌鲁木齐 830000;2.北京交通大学 城市地下工程教育部重点实验室,北京 100044)

0 引言

随着综合国力不断提升,我国在水利、铁路、公路交通等领域的基础设施建设规模也在不断增大,深埋超特长隧洞是工程建设的重点环节之一。TBM工法以其安全高效、高度机械化、节约人力资源等优势,正广泛应用于长距离岩质隧洞施工中,特别在深埋超特长隧洞施工领域,具有不可替代的地位和作用[1-3]。

目前TBM隧洞设计所采用的围岩分级主要参考GB 50487—2008《水利水电工程地质勘察规范》[4]、GB/T 50218—2014《工程岩体分级标准》[5]等国家标准和规范[4-5]。其中,《水利水电工程地质勘察规范》以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素为基本判据,围岩强度应力比为限定判据进行围岩分级[4];《工程岩体分级标准》则以修正围岩基本质量指标[BQ]为判据进行围岩分级[5]。上述标准和规范大多数基于矿山法隧洞施工,以反映围岩稳定性的因素为评价指标,并未考虑围岩的可掘性,而TBM施工不仅与围岩稳定性相关,还与围岩可掘性有关,特别在围岩完整性较好时,围岩可掘性是影响施工进度和成本的主要因素。针对TBM隧洞围岩可掘性分级,王玉杰等[6]在隧洞围岩基本分类的基础上,重点分析了TBM掘进效率和不良地质条件,构建了TBM施工适宜性围岩分类方法;刘佳伟等[7]以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法;吴志军等[8]建立了一套适用于TBM施工的岩体可掘性分级系统,并实现了可掘性等级的准确感知识别。现有关于TBM隧洞围岩分级的研究或针对围岩稳定性,或针对围岩可掘性(设备适应性),缺乏对围岩稳定性和围岩可掘性的综合考虑,且大都基于少量工程数据,缺乏代表性。

TBM隧洞施工时刀盘全断面掘进,因此掘进过程中地应力释放量较大且释放速率较快,同时受机械设备限制,难以做到及时支护,但另一方面隧洞断面为圆形,洞周应力分布均匀。矿山法隧洞施工一般分台阶开挖并及时施作初期支护,围岩压力逐步释放,但爆破振动对围岩的扰动较大,常用的非圆形断面形式也容易导致局部应力集中。由于TBM工法与矿山法施工存在很大差异,实际工程中支护过度与支护不足的情况也时有发生[9],因此有必要在TBM隧洞围岩分级的基础上,研究相对应的支护体系及支护参数。

本文依托北疆供水二期工程,通过数值分析、现场试验等方法,结合大量施工揭露的地质情况及掘进参数进行统计分析,提出TBM隧洞的围岩分级及相应的支护体系。依托工程覆盖的地质种类多、范围广,具有较强的代表性,以期研究成果为类似工程的设计施工提供参考。

1 TBM隧洞围岩分级方法

1.1 依托工程概况

北疆供水二期工程隧洞全长540 km,分为XE隧洞(洞径7.83 m)、KS隧洞(洞径7.03 m)和SS隧洞(洞径5.53 m)3段,采用18台敞开式TBM分段掘进,其中单机掘进最长26 km,最大埋深700 m,隧洞岩性以华力西晚期侵入岩为主,岩石单轴饱和抗压强度最大215 MPa,石英质量分数最高达56%,隧洞围岩条件总体较好。

1)XE隧洞主要穿越华力西期侵入的片麻花岗岩地层,主要岩性包括泥盆系黑云母片麻岩、石炭系凝灰质砂岩、奥陶系黑云母石英片岩等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩占比分别为38%、46%、12%、4%。

2)KS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰质砂岩、凝灰岩、钙质砂岩地层,主要岩性包括华力西晚期侵入黑云母花岗岩、二叠和三叠系的泥岩、砂岩夹砂砾岩等,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩占比分别为45%、41%、11%、3%。

3)SS隧洞主要穿越泥盆系和石炭系的凝灰质砂岩、凝灰岩以及华力西晚期侵入的花岗岩地层,主要岩性包括华力西期花岗岩、侏罗系与白垩系的泥岩和砂岩,其中Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩占比分别为39%、30%、4%、27%。

1.2 围岩分级方法概述

1.2.1 围岩分级背景

隧洞围岩分级是隧洞稳定性分析、支护设计及施工方法选择的基础,但由于TBM隧洞工程相对较少,其围岩分级一般参照矿山法隧洞的围岩分级进行,如水工勘察规范的HC分级法[4]、Q分级法[10]、RMR分级法[11]、GSI分级法[12]等。因为TBM法和矿山法施工差异较大,相同级别的围岩稳定性是不一样的,此外在较完整硬岩地层中掘进时,围岩的强度和可掘性对施工效率及刀具磨损影响极大[13],因此需要根据TBM的施工特性进行围岩分级。本文以围岩稳定性和掘进效率为分级依据,综合考虑反映围岩稳定性的岩性指标(岩石坚硬程度、岩体完整程度、围岩基本质量指标)和反映围岩可掘性的岩性指标(岩石磨蚀性),提出针对TBM隧洞的围岩分级体系。

1.2.2 围岩分级指标

1)安全系数。根据郑颖人等[14]的研究,引入强度折减法中的强度折减系数,即围岩安全系数(简称安全系数FS),将其作为评判围岩稳定性的主要依据。它是通过不断折减黏聚力和内摩擦因数,同时进行弹塑性数值计算直至岩土体达到破坏,该过程中,在岩土体从实际状态到破坏状态岩土体强度降低的倍数,即强度折减系数(安全系数)。计算公式如下:

FS=c/c′。

(1)

式中:c为黏聚力,MPa;c′为经数值计算折减后岩土体达到破坏状态的黏聚力,MPa;FS为强度折减系数(安全系数)。

2)纯掘进速度。纯掘进速度PR为设备实时导出的掘进参数,单位为mm/min,将其作为评判TBM掘进效率的主要依据。

3)岩石坚硬程度与岩体完整程度。岩石坚硬程度用岩石单轴饱和抗压强度Rc进行评价;岩体完整程度用岩体完整性系数KV进行评价,计算公式如下:

KV=vpm/vpr。

(2)

式中:vpm为岩体纵波速度;vpr为岩石(块)纵波速度。

4)围岩基本质量指标。围岩基本质量指标BQ值根据岩石坚硬程度(Rc)、岩体完整程度(KV)的定量指标确定,按下式计算:

BQ=100+3Rc+250KV。

(3)

式中:当Rc>90KV+30时,取Rc=90KV+30;当KV>0.04Rc+0.4时,取KV=0.04Rc+0.4。

5)岩石磨蚀性。岩石磨蚀性反映岩石的耐磨性能,可通过Cerchar岩石磨蚀性试验进行测试。该试验要求使用圆锥角为90°的钢针(推荐硬度为HRC 54～56)在70 N的恒定荷载作用下于岩样表面划过10 mm,之后测量钢针磨损面的直径(单位mm),其值的10倍为最终指标CAI值[15]。参考相关文献[16],刀具磨损量与岩石磨蚀性指数CAI值密切相关,可将CAI值分为低磨蚀性(<3)、中等磨蚀性(3～4)和高磨蚀性(>4)3个等级。

依托工程参照《水利水电工程地质勘察规范》将水工隧洞围岩分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类,大致对应《铁路隧道设计规范》和《公路隧道设计规范》中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ(Ⅵ)级围岩。本章统计了实际施工揭露的各类围岩数据,通过分析各项岩性指标与纯掘进速度PR及安全系数FS的关系,为TBM隧洞围岩分级提供依据。

1.3 岩性指标与掘进速度关系

在既有相关规范中,Ⅱ、Ⅲ类围岩稳定性较好,但同类围岩的可掘性存在较大差异。为分析各类围岩岩性指标对掘进速度的影响,统计了18台TBM近2 000组Ⅱ、Ⅲ类围岩断面的Rc、KV、BQ、PR,其中Ⅱ、Ⅲ类围岩数据各1 000组,其统计指标如表1所示。分别绘制Rc与PR关系曲线、KV与PR关系曲线及BQ与PR关系曲线,如图1—3所示。

图1 Ⅱ、Ⅲ类围岩Rc与PR关系曲线

表1 Ⅱ、Ⅲ类围岩数据统计指标

1)Rc与PR的关系。由图1可知,根据掘进速度与围岩强度的变化规律可看出有4个明显的分区。①对于Ⅲ类围岩,PR在60～85 mm/min时,PR随Rc增大而减小的速率较慢,对应的Rc为55～120 MPa;PR在45～60 mm/min时,PR随Rc增大而减小的速率较快,对应的Rc为70～130 MPa。②对于Ⅱ类围岩,PR在30～45 mm/min时,PR随Rc增大而减小的速率较快,对应的Rc为70～170 MPa;PR在15～30 mm/min时,PR随Rc增大而减小的速率较慢,并趋于稳定,对应的Rc>90 MPa。

2)KV与PR的关系。由图2可知,根据掘进速度与岩体完整性系数的变化规律可看出有3个明显的分区。①对于Ⅲ类围岩,整体完整性一般,KV最高为0.65,PR在60～85 mm/min时,PR随KV增大而减小的速率较慢,对应的KV为0.30～0.45;PR在45～60 mm/min时,PR随KV增大而减小的速率较快,对应的KV为0.45～0.65。②对于Ⅱ类围岩,整体完整性好,KV最高为0.75,PR随KV增大而减小的速率较慢,KV主要分布在0.55～0.75。

图2 Ⅱ、Ⅲ类围岩KV与PR关系曲线

3)BQ与PR的关系。由图3可知,根据掘进速度与围岩基本质量指标变化规律可看出有3个明显分区。①对于Ⅲ类围岩,基本质量指标BQ相对较低,最高为500,其中PR在60～85 mm/min时,PR随BQ增大而减小的速率较慢,对应的BQ为350～420;PR在30～60 mm/min时,PR随BQ增大而减小的速率较快,对应的BQ为420～500。②对于Ⅱ类围岩,基本质量指标BQ较高,最高达到588,PR随BQ增大而减小的速率较慢,BQ主要分布在500～600。

图3 Ⅱ、Ⅲ类围岩BQ与PR关系曲线

1.4 围岩基本质量指标与安全系数的关系

在既有相关规范中,对于Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩,同类围岩的稳定性存在较大差异。为分析各类围岩安全系数的范围,统计了18台TBM近1 000组Ⅲ～Ⅴ类围岩的岩体质量数据,其中Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩数据分别为400、300、300组,计算其BQ和FS值,其统计指标如表2所示。绘制BQ与FS关系曲线,如图4所示。

图4 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩BQ与FS关系曲线

表2 Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩数据统计指标

由图4可知,根据安全系数与围岩基本质量指标的变化规律可看出有6个明显的分区。1)对于Ⅴ类围岩,其基本质量指标BQ最低,图中可看出有2个明显分区,即当BQ<210时,FS随之增大而增大的速率较慢,当BQ在210～250时,FS随之增大而增大的速率稍快。2)对于 Ⅳ类围岩,其基本质量指标BQ较低,图中可看出有2个明显分区,即当BQ在250～310时,FS随之增大而增大的速率较慢;当BQ在310～350时,FS随之增大而增大的速率较快。3)对于Ⅲ类围岩,其基本质量指标BQ相对较高,图中可看出有2个明显分区,即当BQ在350～420时,FS随之增大而增大的速率较快;当BQ在420～500时,FS随之增大而增大的速率较慢。

按照各类围岩的BQ值,分类统计其Rc值和KV值,发现Ⅲ～Ⅴ类围岩的Rc值分别在以下范围内:70～120 MPa、≥55 MPa、25～60 MPa、10～40 MPa、5～20 MPa、≤5 MPa;KV值分别在以下范围内:0.45～0.65、0.30～0.45、0.25～0.70、0.15～0.70、0.20～0.55、≤0.35。

1.5 TBM隧洞围岩分级

1.5.1 一般地质围岩分级

Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩稳定性相对较好,而可掘性差异较大,故主要依据纯掘进速度PR对围岩进行分级,Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩稳定性差异较大,故主要依据无支护围岩安全系数FS对围岩进行分级,综合1.2节和1.3节的分析结果,根据岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩体完整性系数KV、围岩基本质量指标BQ和磨蚀性指数CAI综合判断围岩级别,提出TBM隧洞围岩分级标准如表3所示。其中,工作条件指TBM对不同围岩的掘进适应性,实际工程中,工作条件不仅受围岩可掘性影响,也会受围岩完整性的影响,因此综合考虑Rc、KV和CAI 3项指标,将工作条件定性分为A(工作条件好)、B(工作条件一般)、C(工作条件差)3级。同时,结合本文研究所收集的Ⅱ～Ⅴ类围岩条件下的纯掘进速度数据,根据表3提出的分级标准对纯掘进速度数据进行分类整理,基于数据统计分析,给出了不同围岩级别条件下对应的纯掘进速度参考值。

表3 TBM隧洞围岩分级

1.5.2 不良地质分级修正

在实际使用中,还应考虑地下水、主要软弱结构面产状、初始应力状态等因素对围岩基本质量指标BQ进行修正,以修正后的围岩基本质量指标值[BQ]对照表1确定围岩级别。围岩基本质量指标修正值[BQ]可按下式计算[5],其中K1、K2、K3取值可分别按表4—6确定。

表4 地下水影响修正系数K1

表5 主要软弱结构面产状影响修正系数K2

表6 初始应力状态影响修正系数K3

[BQ]=BQ-100(K1+K2+K3)。

(4)

式中:K1为地下水影响修正系数;K2为主要软弱结构面产状影响修正系数;K3为初始应力状态影响修正系数。

1.5.3 特殊围岩分级建议

高地应力软岩大变形和硬岩岩爆地段围岩属于特殊围岩,隧洞设计不适合采用上述围岩分级方法。

1)针对软岩大变形问题,目前研究主要将强度应力比、相对变形量、绝对变形量、原始地应力、饱和单轴抗压强度等指标作为软岩大变形分级依据[17]。建议综合考虑地应力σmax、强度应力比Rc/σmax及相对变形量(单侧变形量与隧洞半径之比),对大变形及工作条件等级进行划分。

2)针对岩爆问题,目前研究主要将强度应力比、声响特征、运动特征、岩块形状特征、断口特征、发生部位、时效特征、影响深度等因素作为岩爆分级依据[18]。建议参考引汉济渭工程秦岭TBM隧洞岩爆分级方法与相关规范,主要考虑岩石强度应力比等因素对岩爆等级进行划分。

2 TBM隧洞支护体系及参数

2.1 TBM隧洞施工特性分析

目前敞开式TBM隧洞施工,由于设备的局限性,难以做到及时支护。护盾脱出后才可以架设钢拱架和施作锚杆,但喷混凝土一般都滞后掌子面60～100 m,而且无法进行全环喷射,同时锚杆的打设范围不足,角度也不够垂直岩面。在较长时间和较大范围内只有钢架或“锚杆+钢架”承担所有围岩压力,设计的“锚杆+钢架+网喷混凝土”共同承载的支护体系不能很好地发挥作用。

据有关研究资料可知,掌子面前方1.5～2.5倍洞径处围岩开始变形,而在掌子面后方2～4倍洞径处围岩变形趋于稳定[19],TBM隧洞施工围岩变形和支护特性可分为5个阶段,如图5所示。

D为洞径。

1)阶段Ⅰ是从刀盘至盾尾的距离(约0.8倍洞径),为围岩急速变形阶段,变形量占总变形量的20%～30%。

2)阶段Ⅱ是从盾尾脱出至物料台尾的距离(约1.7倍洞径),为围岩快速变形阶段,变形量占总变形量的30%～45%。该阶段主要施作钢筋排、钢拱架及锚杆,钢拱架施作完成后即可承载,锚杆随锚固剂的凝固而逐渐发挥承载作用,这一阶段大部分围岩压力由钢拱架承担。

3)阶段Ⅲ是从物料台尾至喷桥的距离(约6.0倍洞径),为围岩缓慢变形阶段,变形量占总变形量的10%～20%。该阶段锚杆已经充分发挥作用,钢拱架和锚杆共同承担围岩压力。

4)阶段 Ⅳ是从喷桥至喷桥尾的距离(约9.5倍洞径),为围岩变形极缓阶段,变形量小于总变形量的5%。该阶段主要施作喷混凝土,承载结构同阶段Ⅲ。

5)阶段Ⅴ为喷混凝土发挥作用之后的阶段,围岩变形基本稳定,钢拱架、钢筋排、锚杆和喷混凝土共同承担围岩压力。

在TBM隧洞施工特性分析基础上,结合不同级别围岩的稳定性,确定隧洞支护体系及参数,提出了7套支护结构设计图。其中,Ⅰa、Ⅰb、Ⅱa、Ⅱb级围岩稳定性好,无需支护,其他级别围岩及特殊围岩需采取相应支护措施确保其稳定。

2.2 Ⅲa级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅲa级围岩主要为硬岩和极硬岩,围岩整体较完整,自稳能力较强,但局部可能裂隙发育,因此以施作局部支护为主,提高其稳定性。

2.2.1 支护体系及参数

Ⅲa级围岩隧洞支护体系主要包括随机锚杆、局部网喷混凝土、全环衬砌,支护体系及参数如表7和图6所示。

(a) 横断面

2.2.2 现场验证

选取XE隧洞已揭露的Ⅲa级围岩典型断面K49+342、K99+867、K49+626和K136+424进行围岩变形监测,拱顶沉降历时曲线如图7所示。围岩变形在监测到第5 天时基本稳定,最大累计沉降15.4 mm,小于规范允许变形量[20]。

图7 Ⅲa级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

2.3 Ⅲb级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅲb级围岩主要为硬岩和极硬岩,围岩整体较破碎,自稳能力较差,局部裂隙发育,因此以施作系统支护为主,提高其稳定性。Ⅲb级围岩支护体系主要包括型钢拱架、系统锚杆、网喷混凝土及衬砌。

2.3.1 计算分析

为确定隧洞合理支护参数,选取XE隧洞Ⅲb级围岩已揭露的典型区段K39+510～+693、K40+326～+365、K45+385～+401和K48+050～+170进行分析,隧洞直径7.83 m,埋深260～530 m,主要岩性为华力西期花岗岩、黑云母石英片岩和黑云母斜长花岗岩,侧压力系数1.2～2.2,建立数值模型,计算不同锚杆长度-间距比及环向布设范围、钢拱架型号及间距与安全系数FS的关系,计算结果如图8所示。

(a) 锚杆长度-间距比与安全系数关系曲线

选取XE隧洞Ⅲb级围岩典型区段K39+510～+693、K45+385～+401和K48+050～+170分析衬砌结构的安全性。计算荷载主要考虑围岩压力和衬砌水压力,围岩压力可根据有关规范确定,水压力可根据水头高度乘以衬砌水压力折减系数得到,该区段的地下水头高度250～510 m。计算得到不同衬砌厚度与结构安全系数关系曲线,如图9所示。

图9 Ⅲb级围岩隧洞不同衬砌厚度与结构安全系数关系曲线

2.3.2 支护体系及参数

根据上述计算结果,确定Ⅲb级围岩隧洞合理支护参数如表8所示,支护体系如图10所示。

(a) 横断面

表8 Ⅲb级围岩隧洞支护参数

2.3.3 现场验证

选取XE隧洞Ⅲb级围岩典型断面K39+611、K40+326、K40+365和K39+520进行围岩变形及拱架、锚杆、喷混凝土受力监测,监测结果如图11和图12所示。

图11 Ⅲb级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

(a) 拱架应力

隧洞拱顶沉降监测到第5天时基本稳定,最大累计沉降值为18.3 mm,稳定后钢拱架应力为17.15 MPa,锚杆轴力为6.14 kN,喷混凝土应力为2.96 MPa,均小于规范允许值[20]。

2.4 Ⅳa级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅳa级围岩主要为较软岩和硬岩,裂隙较发育,岩体较破碎,自稳能力差,需要采用较强的支护体系确保隧洞的围岩稳定,支护体系主要包括型钢拱架、系统锚杆、网喷混凝土及衬砌。

2.4.1 计算分析

为确定隧洞合理支护参数,选取XE隧洞 Ⅳa级围岩已揭露的典型区段K40+252～+300、K44+172～+180、K49+651～+699、K98+586～+599和K139+979～+996进行分析,隧洞直径7.83 m,埋深320～500 m,主要岩性为华力西期花岗岩、黑云母石英片岩和黑云斜长片麻岩,侧压力系数1.2～1.3,建立数值模型,计算不同锚杆长度-间距比及环向布设范围、钢拱架型号及间距、喷混凝土时机及强度与安全系数FS的关系,如图13所示。

(a) 锚杆长度-间距比与安全系数关系曲线

选取XE隧洞 Ⅳ级围岩的典型区段K40+252～+300、K44+172～+180和K49+651～+699,分析衬砌结构的安全性。该区段水头高度310～485 m,外水压力折减系数0.1～0.2,计算得到衬砌厚度与结构安全系数关系,如图14所示。

图14 Ⅳa级围岩隧洞不同衬砌厚度与结构安全系数关系曲线

2.4.2 支护体系及参数

根据上述计算结果,确定 Ⅳa级围岩隧洞合理支护参数如表9所示,支护体系如图15所示。

(a) 横断面

表9 Ⅳa级围岩隧洞支护参数

2.4.3 现场验证

选取XE隧洞 Ⅳa级围岩典型断面K40+271、K98+586、K139+979和K49+697进行围岩变形及拱架、锚杆、喷混凝土受力监测,监测结果如图16和图17所示。

图16 Ⅳa级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

(a) 拱架应力

隧洞拱顶沉降在监测到第5 天时基本稳定,最大累计沉降为30.2 mm,达到稳定的拱架应力为20.93 MPa,锚杆轴力为11.27 kN,喷混凝土应力为3.59 MPa,均小于规范允许值[20]。

2.5 Ⅳb级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅳb级围岩主要为软岩、较软岩和硬岩,裂隙较发育,岩体破碎,自稳能力较差,且变形发展较快,变形量较大,因此需及时施作支护措施,尽早封闭成环,保证围岩稳定,创造安全施工环境。支护体系主要包括型钢拱架、系统锚杆、网喷混凝土及衬砌。

2.5.1 计算分析

为确定隧洞合理支护参数,选取XE隧洞Ⅳb级围岩已揭露的典型区段K44+181～+238、K49+702～+759、K136+979～K137+003和K39+961～+989进行分析,隧洞直径7.83 m,埋深320～430 m,主要岩性为华力西期花岗岩和黑云母石英片岩,侧压力系数1.2～1.3,建立数值模型,计算不同锚杆长度-间距比及环向布设范围、钢拱架型号及间距、喷混凝土时机及强度与安全系数FS的关系,如图18所示。

(a) 锚杆长度-间距比与安全系数关系曲线

2.5.2 支护体系及参数

根据上述计算结果,确定 Ⅳb级围岩隧洞合理支护参数如表10所示,支护体系如图19所示,Ⅳb级围岩隧洞衬砌参数与 Ⅳa相同。

(a) 横断面

表10 Ⅳb级围岩隧洞支护参数

2.5.3 现场验证

选取XE隧洞4个 Ⅳb级围岩典型断面K44+181、K136+979、K49+707和K39+989进行隧洞拱顶沉降及拱架、锚杆、喷混凝土受力监测,监测结果如图20和图21所示。

图20 Ⅳb级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

(a) 拱架应力

隧洞拱顶沉降在监测到第5天时基本稳定,最大累计沉降为50.4 mm,达到稳定的拱架应力为26.58 MPa,锚杆轴力为10.68 kN,喷混凝土应力为5.8 MPa,均小于规范允许值[20]。

2.6 Ⅴa级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅴa级围岩主要为较软岩,岩体破碎,自稳能力差,TBM护盾通过后,顶部掉块现象频发,因此考虑增加钢筋排,同时由于在破碎围岩中锚杆施作能力和作用效果有限,卡钻、塌孔问题凸显,故取消系统锚杆,支护体系主要包括钢筋排、型钢拱架、网喷混凝土及衬砌。

2.6.1 计算分析

为确定隧洞合理支护参数,选取XE隧洞Ⅴa级围岩已揭露的典型区段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266进行分析,隧洞直径7.83 m,埋深190～430 m,主要岩性为华力西期花岗岩、黑云母石英片岩、黑云母斜长花岗岩和黑云母片麻花岗岩,侧压力系数1.3～1.7,建立数值模型,计算不同拱架型号及间距、喷混凝土时机及强度与安全系数FS的关系,如图22所示。

(a) 拱架间距与安全系数关系曲线

选取XE隧洞Ⅴa级围岩典型区段K49+759～+850、K11+095～+104和K45+254～+266,分析衬砌结构的安全性。该区段水头高度150～402 m,外水压力折减系数0.1～0.3,建模计算衬砌厚度与结构安全系数关系,如图23所示。

图23 Ⅴa级围岩隧洞不同衬砌厚度与结构安全系数关系曲线

2.6.2 支护体系及参数

根据上述计算结果,确定Ⅴa级围岩隧洞合理支护参数如表11所示,支护体系如图24所示。

(a) 横断面

表11 Ⅴa级围岩隧洞支护参数

2.6.3 现场验证

选取XE隧洞4个Ⅴa级围岩典型断面K49+785、K49+780、K49+770和K49+850进行隧洞拱顶沉降及拱架、锚杆、喷混凝土受力监测,监测结果如图25—26所示。

图25 Ⅴa级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

(a) 拱架应力

隧洞拱顶沉降在监测第7天时基本稳定,最大累计沉降84.2 mm,达到稳定时拱架应力为32.27 MPa,喷混凝土应力为9.28 MPa,均小于规范允许值[20],锚杆轴力仅为2.43 kN,锚杆作用效果不显著。

2.7 Ⅴb级围岩隧洞支护体系及参数

Ⅴb级围岩主要为极软岩和软岩,岩体极破碎,自稳能力极差,掘进过程中易发生卡机等事故,围岩出露护盾后来不及施作支护,易发生塌方,因此以超前支护及加强初期支护为主,保证围岩稳定性,支护体系主要包括超前管棚、钢筋排、型钢拱架、网喷混凝土及衬砌。

2.7.1 计算分析

为确定隧洞合理支护参数,选取XE隧洞Ⅴb级围岩已揭露的典型区段K49+860～+870、K49+875～+890和K49+900～+910进行分析,隧洞直径7.83 m,埋深400～430 m,主要岩性为华力西期变质花岗岩和黑云母斜长花岗岩,侧压力系数1.3～1.5,建立数值模型,计算不同拱架型号及间距、喷混凝土时机及强度与安全系数FS的关系,如图27所示。

(a) 拱架间距与安全系数关系曲线

2.7.2 支护体系及参数

根据上述计算结果,确定Ⅴb级围岩隧洞合理支护参数如表12所示,支护体系如图28所示,Ⅴb级围岩隧洞衬砌参数与Ⅴa同。

(a) 横断面

表12 Ⅴb级围岩支护参数

2.7.3 现场验证

选取XE隧洞4个Ⅴb级围岩典型断面K49+865、K49+890、K49+880和K49+910进行隧洞拱顶沉降及拱架、锚杆、喷混凝土受力监测,监测结果如图29和图30所示。

图29 Ⅴb级围岩隧洞拱顶沉降历时曲线

(a) 拱架应力

隧洞拱顶沉降在监测到第7天时基本稳定,最大累计沉降为87.0 mm,达到稳定的拱架应力为39.49 MPa,喷混凝土应力为9.74 MPa,小于规范允许值[20],锚杆轴力为2.34 kN,锚杆作用效果不显著。

2.8 特殊围岩支护措施建议

针对高地应力软岩大变形及岩爆洞段等不良地质应根据实际情况采取针对性的处理措施。

1)高地应力软岩大变形隧洞主要问题为初期支护变形侵限、喷混凝土开裂剥落、拱架弯折破坏、隧底隆起变形和衬砌开裂破坏。因此应采取主动控制措施,通过长锚杆或预应力锚杆和围岩注浆形成加固圈,充分发挥围岩自承载能力,合理预留变形量,加强初期支护刚度,以有效控制隧洞变形。

2)高地应力岩爆段隧洞主要问题为支护结构破坏、人员伤亡、机械设备损坏、卡机等。因此应采取控制掘进速度、高压喷水、加密加长(预应力)锚杆、加密钢拱架、柔性钢丝网、喷(纤维)混凝土及超前应力释放等主动控制措施,降低岩爆对人员和施工的影响。

3 结论与讨论

依托北疆供水二期工程,对TBM隧洞围岩分级方法、支护体系及支护参数进行研究,得出以下主要结论。

1)在完整硬岩地层主要考虑围岩可掘性对掘进速度的影响,在破碎软弱围岩地层主要考虑围岩稳定性的差异,通过分析不同岩性指标随掘进速度PR或安全系数FS的变化规律,将水工TBM隧洞围岩分为10级,并为大变形和岩爆的分级依据提出建议。

2)针对敞开式TBM的施工特点,对各级围岩不同支护参数下的围岩稳定性进行对比计算,兼顾安全性和经济性,提出适用于水工隧洞各级围岩的支护体系和支护参数,形成相应的7套设计图,并为大变形和岩爆段的支护措施提出建议。

本文研究基于18台敞开式TBM集群施工收集的现场数据,隧洞断面直径涵盖7.83、7.03、5.53 m共3种类型,数据采集段主要穿越片麻花岗岩、凝灰质砂岩、黑云母花岗岩、黑云母片麻岩和黑云母石英片岩地层。研究成果可为类似断面和地质条件的工程掘进与支护设计提供借鉴和参考。