TBM 施工隧洞塑性变形围岩的处理与监测分析

2010-08-08黄志文

东北水利水电 2010年9期

杨胜，黄志文，陈霞

（1.辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳110003；2.辽宁省辽阳县小屯镇水利站，辽宁辽阳111000）

1 工程概述

大伙房水库输水隧洞长85.32 km，开挖洞径8.0 m，属大断面超长隧洞，自流输水。隧洞工程施工采用以隧洞掘进机（TBM）为主、钻爆法（D&B）为辅的联合施工方案。TBM1施工段段长22.68 km（桩号21+610.82—44+288）。为了确保单机掘进长度、方便施工及运行期的维护与管理，在本施工段设置了3条中间施工支洞。TBM1施工段的施工特点是：① 中间施工支洞将其分成两段；②顺坡掘进；③锚喷初期支护伴随TBM掘进同步进行；④二次混凝土衬砌是在TBM完成第一段掘进，实现TBM设备转场并开始进行第二段掘进后，方可在第一段进行。

2 地质状况

TBM1施工段26+960—27+691洞段，围岩主要为正长斑岩、煌斑岩及构造岩,肉红色～黑色，岩体节理裂隙发育,围岩多为节理密集带，多微张～张开，充填泥质。此段共发育了30多条规模大小不一的断层,其中规模较大的几条断层对洞室稳定影响较大。

3 塑性变形

TBM掘进至主洞桩号26+960时，遭遇断层破碎带和含煌斑岩侵入带。在TBM掘进通过26+960—27+691洞段后，经临时监控量测结果显示围岩收敛，其中局部收敛变形较大，尤其是27+418.7—27+674.7洞段变形后已严重侵占了二次（永久）衬砌断面，发生了塑性变形：①围岩变形致使后配套拖车护栏被迫拆除，喷射混凝土设备通过受阻；②顶拱钢拱架部位喷射混凝土掉块严重，钢拱架外露并产生变形；③边拱喷射混凝土产生裂缝，局部隆起；④仰拱承受边顶拱的高压荷载普遍隆起（见表1），运输轨道扭曲变形；⑤煌斑岩在高强挤压下，从边拱混凝土裂缝、特别是仰拱岩体中涌出；⑥60°圆心角仰拱部位裸露的钢拱架普遍产生“N”字形严重变形。

4 处理措施

TBM通过该洞段后，为保证洞室稳定和人员、设备安全，遏制塑性大变形的持续发展，在原有初期支护基础上，采取加密钢拱架间距、手喷混凝土，并增加φ50钢管、[16槽钢、I10工字钢连接筋增加支护强度等技术措施。

但随后根据监控量测成果表明，该洞洞段的围岩收敛变形仍在继续，27+469.5—27+650段洞室结构已处于不稳定状态。于是开始对该段采取浇筑混凝土封闭仰拱，同时底板和顶拱120°范围内实施φ25 L=4 m的自钻式锚杆等措施进一步加固。加固后根据监控量测成果表明，围岩收敛速度明显降低，围岩基本稳定；有效地阻止了围岩收敛变形的大幅度增长；随后增设的锚杆支护措施使围岩变形进一步得到控制。

表1 仰拱隆起高度表

由于27+208.7—27+678.2洞段变形后已严重侵占二次衬砌混凝土断面（见表2），必须进行侵占断面处理。为此，经全面研究设计，决定对该洞段进行全面处理。

表2 围岩塑性变形侵占衬砌混凝土断面表

1）固结灌浆。对变形较大洞段（27+418.7—27+674.7）进行固结灌浆，灌浆采用HSC浆液，有效控制不良地质段超挖。

2）对原初期支护的处理。局部侵占衬砌断面小于50 mm，不予处理；侵占衬砌断面在50～150 mm，采用风镐凿除；侵占衬砌断面大于150 mm，采用爆破法拆除并扩挖。

采用爆破处理的洞段是27+418.7—27+674.7，长256 m，扩挖直径φ8.76 m。由于围岩地质条件较差，扩挖采用分步开挖的方式进行，先开挖顶拱240°范围上半断面，重新支护钢拱架底座支撑在下半断面台阶上，上半断面扩挖一定距离后再开挖下半断面。

3）重新确定初期支护参数。①随机锚杆φ25，L=3.0 m。②顶拱120°范围超前小导管φ42，L=3 m，外插角 5°～10°，环向间距 30 cm。③I16钢拱架，间距0.5 m，I10工字钢连接，间距1～2 m。④顶拱180°范围挂φ8@150×150钢筋网，拱腰以下局部挂网。⑤全环喷射C25混凝土，厚度200 mm。

4）二次混凝土衬砌。扩挖段采用掺加抗裂防水剂CSA的C30混凝土衬砌，厚度600 mm，双层配筋φ25@200；非扩挖段采用掺加抗裂防水剂CSA的C30混凝土，单层配筋φ25@200；衬砌后成洞洞径为7.16 m，保证设计断面尺寸。

5 观测仪器设计与安装

为长期准确观测该不良地质洞段扩挖衬砌后的围岩是否处于稳定状态，给后期工程安全运行提供可靠数据，在主洞桩号27+560处增设了一个永久观测仪器断面，具体布置形式如图1所示。其中多点位移计采用四点式，量程分别为0，3，8，15 m，由洞壁钻孔埋设至围岩内部；土压力计和渗压计安装在洞壁表面，喷射混凝土时将其覆盖；衬砌混凝土应变计（采用二向应变计）和无应力计埋设在混凝土衬砌中；钢筋计绑扎在受力钢筋上。

图1 27+560观测断面监测仪器布置示意图

6 监测成果分析

6.1 围岩变形

该观测断面仪器安装初期围岩变形量变化较大，1～6个月后测值已基本趋于稳定。M4-4-01多点位移计测点的变形范围为-1.61～5.21 mm，M4-4-02多点位移计测点的变形范围为-0.64～4.81 mm，M4-4-03多点位移计测点的变形范围为-0.66～1.54 mm。实测位移与时间关系曲线见图2（以测值变形量最大的M4-4-01多点位移计为例）。

图2 M4-4-01位移—时间曲线

6.2 接触面压应力

从该断面3支土压力计观测到的测值分析，该接触面压应力均较小，监测界面处于微受压状态。E-4-01土压力计的压应力测值范围为-0.009 1～0.046 MPa，E-4-02土压力计的压应力测值范围为-0.002 6～0.343 9 MPa，E-4-03 土压力计的压应力测值范围为-0.002 2～0.182 8 MPa。实测压应力与时间关系曲线见图3（以测值变化量最大的E-4-02土压力计为例）。

图3 压应力-时间过程曲线

6.3 渗透压力

P-4-01渗压计的渗透压力测值范围为-1.92～0.49 kPa，数值变化小，说明该测区内外水压力很小。P-4-02渗压计的渗透压力测值范围为-0.87～42.5 kPa，数值变化较大。经分析，是因为2009年9月22日试通水时从排水孔倒灌进水所致，对围岩稳定无大影响。实测渗透压力与时间关系曲线见图4（以测值变化量最大的P-4-02渗压计为例）。

图4 渗透压力-时间过程曲线

6.4 混凝土应变

目前观测到的混凝土应力应变以压应变为主，变化值较小，未出现拉应变现象。混凝土质量处于安全状态。S2-4-01混凝土应变计测值范围为-167.12～46.53 με，S2-4-02 混凝土应变计测值范围为-161.43～32.60 με，N-4-01 无应力计测值范围为0.00～90.21 με。实测混凝土应变与时间关系曲线见图5（以测值变化量最大的S2-4-01混凝土应变计为例）。

图5 混凝土应变-时间过程曲线

6.5 钢筋应力

4支钢筋计实测的钢筋应力变幅较小，变化稳定，说明钢筋受力趋于稳定状态。R-04-01钢筋计测值范围为0.00～73.84 MPa，R-04-02钢筋计测值范围为0.00～17.61 MPa，R-04-03钢筋计测值范围为0.00～11.79 MPa，R-04-03钢筋计测值范围为0.00～10.17 MPa。实测钢筋应力与时间关系曲线见图6（以测值变化量最大的R-04-01钢筋计为例）。