深埋软岩输水隧洞TBM施工...预警与管片长期稳定性的研究_朱利平.pdf

第 卷 第 期 年 月石河子大学学报（自然科学版）（）收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（），兵团区域创新引导计划（青年科技骨干人才培养计划）（）作者简介：朱利平（），男，高级工程师，现从事水利水电工程建设管理工作，：。通信作者：姜海波（），男，教授，博士生导师，从事寒旱区地下隧洞损伤及稳定研究，：。：.文章编号：（）深埋软岩输水隧洞 施工监测预警与管片长期稳定性的研究朱利平，章慧，姜海波（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐；中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津；石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子）摘要：软弱围岩挤压大变形、支护结构变形失效、护盾卡机等是复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞的关键技术问题，国内某深埋软岩输水隧洞在施工时出现软岩膨胀大变形，在隧洞 施工过程中顶管片在左、右侧管片上纵缝受偏压影响，其错台量较大，为了确保隧洞衬砌结构长期安全运行，本文通过 施工强膨胀围岩挤压大变形加固计算，对错台部分管片采用钢支撑纵环向加固、自进式中空锚杆化灌或水泥灌浆加固措施；选择不利断面对加固后的隧洞围岩进行长期稳定性仿真计算分析，并结合运行期 个监测断面的实测数据与监控指标进行对比分析，加固后管片裂缝错台不再继续扩展，表明该处置方案十分成功，研究成果可为其他类似工程提供借鉴与参考。关键词：输水隧洞；膨胀软岩；挤压变形；管片加固中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，：；经过半个世纪的发展，掘进技术日臻成熟，已在众多水利水电、能源及铁路工程中得到广泛应用。近年来，越来越多的复杂地质、高埋深和超长隧洞工程开始建设，将不可避免地需要穿越具有复杂地质构造的山岭地区，面临着自然环境恶劣、地震烈度高、不良地质多发等不利因素。石河子大学学报（自然科学版）第 卷当 穿越极软岩地层时，面临挤压大变形与卡机脱困的严峻挑战，而且大量工程实践表明围岩挤压大变形导致的 卡机灾害是占比最大的地质灾害之一。软岩是西部地区重大工程建设中常遭遇的不良地质现象，如兰渝铁路的马家坡隧道，其大变形段主要是泥岩夹砂岩互层为主，木寨岭隧道大变形主要是薄层状碳质板岩为主，兰西铁路乌鞘岭隧道大变形主要以层状板岩和千枚岩为主。极软岩隧道工程发生挤压大变形后，诱发初支侵限、二衬开裂等重大工程灾害。等和 等提出隧道工程产生挤压变形的判断判据，该判据主要是建立埋深与岩体质量分级指标之间的关系；等、等和 等提出了隧道工程挤压变形的等级划分方法。在软岩隧洞开挖应力调整阶段完成后，围岩在相对稳定应力作用下发生持续蠕变，其累计变形量可达 。对此何满潮等研发了具有较高恒定支护力和拉伸变形量、适应软岩隧洞大变形的负泊松比 材料新型锚杆（索）结构，并开展了其与岩体相互作用的本构模型分析与物理试验研究；张传庆等提出了潜在挤压比的概念，建立了基于潜在挤压比的地下工程软岩挤压程度的评价方法。目前针对隧洞软弱围岩大变形控制、大变形分类治理及其新型支护体系作用机制的研究尚不充分，迫切需要研究基于不同诱因驱动的围岩大变形特征及变形控制策略，以及适应于围岩大变形新型锚喷支护体系与围岩的相互作用机制，并分析不同锚固支护类型对围岩大变形的控制效应。针对国内某深埋软岩输水隧洞在施工时出现软岩膨胀大变形和隧洞 施工中遭遇错台量较大的问题，本文通过 施工强膨胀围岩挤压大变形加固计算，对错台部分管片采用钢支撑纵环向加固、自进式中空锚杆化灌或水泥灌浆加固措施，采用 有限元软件对超前加固前、后 种工况进行模拟分析，并结合对运行期 个监测断面的实测数据与监控指标的对比分析，验证超前钻注一体机的预加固效果，旨在为软岩等不良地质条件下 施工提供理论技术支撑。达坂隧洞 施工段工程地质条件 达坂输水隧洞全长.，线路呈东西向布置，走向在.之间。在 施工出渣过程中，粒径大于 的不规则岩块占，出渣量超出正常量的。隧洞 掘进后围岩应力重分布，当顶拱变形量大于.，侧拱变形量大于.，粒径 的不规则岩块占，如图 所示，出渣量超出正常量，无豆砾石充填。图 隧洞地质条件及施工情况由于围岩节理裂隙发育程度不一，其物理力学特性参数较为分散，单轴抗压强度和弹性模量均较低。天然状态下其单轴抗压强度为.，平均为.；变形模量为.，平均为.；弹性模量为.，平均为.。饱水条件下其单轴抗压强度为.，平均为.；变形模量为.，平均为.；弹性模量为.，平 均 为.。软 化 系 数 为.。另外，由于 施工掘进揭露的泥质岩类段具有膨胀性、较高的地应力场和大变形等问题，顶管片 环、环、环的左右拱脚受挤压变形错台，并导致边墙开裂。达坂隧洞 施工强膨胀岩挤压大变形加固设计与稳定性分析.挤压大变形开裂段加固设计 为了确保达坂隧洞 掘进中围岩大变形错台段衬砌的长期安全，决定对达坂隧洞 环、环、环的错台段进行加固，主要采用钢支撑环向加固、自进式中空锚杆化灌或水泥浆加固措施，加固后的钢支撑、网筋、锚杆端部等净保护层厚度确保.。.大变形段管片配筋与加固计算稳定分析 按照荷载计算方法以及上覆岩层的岩土压力，分别对不考虑壁厚注浆加固围岩的效果（围岩为、类）和考虑壁厚采用 自进式中空锚杆注浆加固围岩的效果（、类）、五种围岩的管片进行校核。根据地应力场分布规律对隧洞不同围岩类别时的物理、第 期朱利平，等：深埋软岩输水隧洞 施工监测预警与管片长期稳定性的研究 力学指标进行分析计算研究。管片几何参数：内径净空尺寸；管片材料参数：钢筋混凝土，弹性模量 ，泊松比.。双护盾 开挖隧洞管片结构与地层间的相互作用模型采用荷载结构模式，如图 所示，其中 为上覆土荷载、为隧洞底部的土压力反力、为管片自重反力、水为内外水压力导致的反力、和 为侧向土压力、膨为围岩膨胀压力，外和 内分别为外水和内水压力、为埋深、为护盾隧洞外径。等效刚度圆环模型考虑管片接头的整体刚度降低，折减系数为（）。根据等效刚度为，考虑弯矩增大系数（），则管片的弯矩为（），管片接头弯矩为（）。此模型若取、，则成为均质圆环模型，如图 所示。图 等效刚度圆环模型荷载系统图 圆环模型.稳定性数值模拟.计算模型二维计算模型中管片衬砌用梁单元来模拟，岩体抗力用弹簧来模拟。岩体抗力仅考虑受压，从而设定了径向岩体抗力弹簧在受拉情况下自动脱落。由于切向地应力抗力参数缺乏试验资料，切向地应力弹簧抗力刚度系数取径向抗压刚度系数的.倍。围岩抗压强度按公式 （）计算，抗拉强度按公式 （）计算，相关参数按照表 中参数取值。隧洞和管片的体型如图所示，整个计算模型二维单元和地应力计算模型单元如图 所示。表 达坂隧洞各类围岩的物理力学参数岩性及代号（）（）.注：为天然密度，为弹性模量，为泊松比，为凝聚力，为内摩擦角，为抗压强度，为抗拉强度，为单位弹抗系数，为坚固系数，为膨胀力。图 隧洞和管片体图 计算模型单元.设计原则及计算工况（）设计原则。对达坂隧洞遭遇的极软岩等不良地质条件，根据支护参数与荷载的敏感性，采用多种计算方法，并结合现场监测预警技术，选择极软岩等不利地质洞段进行管片结构长期稳定性分析研究。采用内加固管片，外加固围岩等措施，使极软岩洞段加固后形成环向成拱，纵向成梁的承载结构。各计算断面及设计原则见表。（）计算荷载。作用在管片上的基本荷载：围岩变形压力、衬砌自重、内水压力、外水压力、灌浆压力、膨胀压力、施工荷载、弹性抗力、地震荷载等，荷载组合见表。各荷载计算情况如下：围岩变形压力：按最大围岩变形压力作用于衬砌表面；衬砌自重：混凝土按 计算，钢筋混凝土按 计算；内水压力：无压隧洞按静水压力分布计算，水深按隧洞最大过水流量对应水深加一定超高考虑，隧洞段内水头取.；外水压力：按均布力作用于衬砌外表面，计算公式 为，为水的容重，为外水压力水头，为外水压力折减系数，各类围岩所取计算断面的、的取值见表；灌浆压力：根据设计考虑，取.，为 均 布 力；膨 胀 压 力：围 岩.，围岩.，施工荷载影响较小；弹性抗力：依据围岩类别确定；地震作用：基本烈度为 度，水平加速度取.。石河子大学学报（自然科学版）第 卷表 各计算断面及设计原则序号断面环数围岩类别开挖前管片类型固结情况埋深 复核设计原则外水头 线流 和 平均已加固限裂.线流、股状涌水 和 已加固限裂.线流、股状涌水 和 已加固限裂.线流 和 已加固限裂.无水 和 已加固限裂.无水已加固限裂.无水已加固限裂.线流、股状涌水已加固限裂.线流、股状涌水已加固限裂.线流、股状涌水已加固限裂.表 荷载组合表荷载工况围岩变形压力 衬砌自重 内水压力 外水压力 灌浆压力 膨胀压力 施工荷载 弹性抗力地震荷载 施工方法施工期运行期检修期 （）荷载工况。施工期工况：自重外水压力灌浆压力围岩压力施工荷载弹性抗力，无围岩膨胀压力。运行期工况：自重外水压力内水压力围岩压力弹性抗力地震荷载，有围岩膨胀压力。检修期工况：自重外水压力围岩压力弹性抗力，有围岩膨胀压力。作用在管片上的围岩外压主要来自洞室开挖后地应力释放和围岩回弹变形。围岩压力的大小很复杂，与地应力、围岩性质、管片安装时间、灌浆时间、衬砌刚度等许多因素有关，精确的分析需要大量现场监测资料。围岩的变形大致可以分成两部分，即弹性变形和粘塑性变形。弹性变形部分在洞室开挖后较短时间内就可以完成，此时管片和围岩之间还没灌浆，此部分变形往往对衬砌不造成围岩压力；另一部分粘塑性变形具有一定的滞后效应，与围岩的粘性、力学强度指标、地应力量级等因素有关，是造成衬砌围岩压力的主要原因。对于地下结构，地震作用的影响相对地面结构要小得多。隧洞围岩与衬砌在地震波作用下的动力响应分析相对繁琐。由于衬砌采用管片结构，地震引起的轴向应力对隧洞的影响较小，本研究主要考虑垂直于隧洞轴线的水平向地震作用，这与最大地应力释放荷载方向相同，属于不利组合。按拟静力法考虑衬砌的惯性力和内水动惯性水压。计算参数及计算结果见表、表、图 和图。表 各断面运行期顶拱顶底拱最大、侧拱弯矩及对应的轴力序号工况拱顶、底拱最大侧拱弯矩（）轴力弯矩（）轴力备注 运行期.运行期.图 运行期.运行期.运行期.运行期.图 运行期.运行期.运行期.表 各类围岩管片实际配筋管片类型围岩类别含筋率（）主环配筋情况面积（.）面积（）备注.滑行段及类无外水、.类有外水，类无外水、.类有外水，类无外水、.类有外水，、类无外水、.类高地应力，类无高外水洞段（有外水）.类高地应力，类高外水，抢险洞段第 期朱利平，等：深埋软岩输水隧洞 施工监测预警与管片长期稳定性的研究 图 断面运行期轴力图图 断面运行期弯矩图 （）运行期部分工况管片加固计算分析。管片加固设计后，各断面计算工况在计算分荷载组合下，管片呈偏心受压状态，计算按小偏心受压配筋复核计算得出的承受地应力的百分数。按、类围岩承担地应力场的；按 类围岩承担地应力场的（是实测荷载的 倍）；类围岩承担地应力场的；类围岩承担地应力场的 进行计算分析，各断面管片衬砌有.的安全度。计算研究复校设计原则按照限裂或抗裂进行控制，在地应力、灌浆压力、内水压力、外水压力、及膨胀压力、地震荷载（施工期、运行期、检修期）作用组合下，并不是结构的抗裂或限裂的控制工况，而是仅在地应力的作用下按照抗裂或限裂的工况控制，仅在地应力的作用下各断面能承受地应力的百分数在.之间。按施工期、运行期、检修期荷载组合作用下复核计算出的承受地应力的百分比基本都比按限裂或抗裂计算出的能承受地应力的百分比小。假如在施工时仅在外荷载作用下管片已经出现裂缝，而在施工期、运行期、检修荷载（主要灌浆压力、外水压力及膨胀压力）组合作用下呈偏心受压状态，通过采用长 孔深化灌、预应力锚杆、自进式中空锚杆注浆、钢支撑联合加固等措施后，管片错台和裂缝不再继续扩展，可以确保洞室长期稳定。达坂隧洞运行期监测预警与设计监控指标的对比分析 达坂隧洞的地质条件极为复杂，土洞和、类围岩以及不良地质约占总洞长的.；隧洞运行期的 个预警监测断面，代表典型地质条件下的结构长期性能演化特征，以及从施工期埋设的多点位移计、埋入式测缝计、渗压计、钢筋计、土压力计实测的最大值小于设计监控指标（表），从而证明隧洞衬砌结构是安全的。另外，该隧洞已安全通水多年，参照类似地下工程的做法，每年检修期（冬