开敞式TBM在塑性变形洞段的施工

2011-04-25杜士斌徐利芬

水电站设计 2011年2期

关键词：洞段仰拱塑性变形

杜士斌，李强，徐利芬

(辽宁水利土木工程咨询有限公司，辽宁沈阳 110003)

1 前言

在隧洞工程设计中，洞线布置应力避通过各种不良地层。在施工方法的比较与选择上，对于各种不良地质洞段，则尽可能地采用钻爆法而不采用TBM施工。

然而，任何一座隧洞工程，其地质条件都不可能是单一的。

国内外的经验表明，凡是确定采用TBM施工的隧洞，无论是开敞式TBM，还是双护盾TBM，都会毫无例外地、程度不同地遇到某些不良地质条件，导致塌方、涌水、卡机、岩爆、围岩塑性变性侵占隧洞设计断面的情况发生及由此带来的处理难题。

变形量大、持续时间长的塑性变形岩体，属不良地质条件之一。

本文通过大伙房输水隧洞731m塑性变形洞段的施工，从设计和施工角度，总结了开敞式TBM在塑性变形洞段施工的经验和教训。

2 731m洞段地质条件及在施工中存在的问题

该洞段围岩主要为正常斑岩、煌斑岩和构造岩。岩体节理裂隙发育，多为节理密集带。

该段发育30多条规模大小不一的断层，其中4条为较大断层。断层与洞轴线小角度相交，缓倾角，有断层泥，起伏光滑，对洞室稳定十分不利。

受断层和岩脉侵入影响，正常斑岩与煌斑岩的接触带岩体破碎，稳定性差。

掘进初期隧洞呈干燥状态。随着时间的推移，逐渐出现渗流。

煌斑岩脉质脆，隐裂隙十分发育。在地下水长期浸泡下，膨胀泥化，顺水流出。

本洞段在TBM掘进过程中，多次发生大面积塌方，被认定为不良地质段。该段施工中存在的主要问题是:

(1)正常斑岩大量夹泥且遇水软化崩解，难以成孔施作系统锚杆;

(2)连续发生大面积塌方，最长12m，宽0.5～4.0m，深0.3～1.5m，共53.52m3，后续大量塌方掉块被挡在钢拱架和钢筋网上部;

(3)鉴于TBM撑靴单扇宽980mm，如按600 mm间距架设I16钢拱架，将被撑靴挤压产生严重变形，起不到支护作用，只能采用1.2m间距;

(4)由于TBM辅助设备喷射混凝土系统，其工作范围只能达到300°圆心角，下部60°圆心角的仰拱部位，喷射混凝土不能封闭;

(5)由于TBM机头下支撑在步进过程中对地面压力大，故在下支撑落地部位未对钢拱架进行纵向连接。

3 TBM通过后围岩塑性变形严重

该洞段岩石饱和抗压强度在30MPa左右。洞室埋深250～300m。按照以岩石单轴饱和抗压强度与最大主应力的比值作为评价初始地应力对工程岩体稳定性影响的指标，则该洞段属于高初始应力区［1］。其主要表征是:开挖过程中洞壁岩体位移显著，持续时间较长，成洞性差。

TBM掘进通过后出现的问题是:

(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)顶拱钢拱架部位的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、特别是从仰拱岩体中涌出;

(6)60°圆心角仰拱部位裸露的钢拱架普遍产生“N”字形严重变形等。

在处理前进行的断面测量表明，该段围岩的塑性变形严重侵占了二次衬砌混凝土断面，乃至隧洞净空断面(见表2)。该段Ⅳ、Ⅴ级围岩设计衬砌厚度260mm，凡超过此值者即为侵占隧洞净空断面。

表1 仰拱隆起高度

表2 围岩塑性变形侵占衬砌混凝土断面情况

4 临时的仰拱封闭处理

为了保证施工安全，遏制塑性大变形的持续发展，在原有初期支护基础上，对仰拱进行了封闭处理。措施包括:

(1)对仰拱裸露变形的钢拱架进行处理，采用间距1.0m的Ⅰ10工字钢进行纵向连接，打设φ25锁脚锚杆，使其形成环向封闭的骨架;

(2)浇筑C25仰拱混凝土与边顶拱混凝土连接，使其形成一个环形的混凝土薄壁结构;

(3)在顶拱120°范围内设置系统锚杆，将钢拱架、钢筋网、喷射混凝土和围岩连成一体，形成一个完整的承载体。

处理前、后现场监控量测的对比见表3。从表3可以看出:

(1)仰拱封闭前，各现场监控量测断面的隧洞周边水平收敛速度均大于0.2mm/d，仰拱封闭后均小于0.2mm/d;

(2)仰拱封闭后的拱顶垂直位移速度均小于0.1mm/d，基本趋于稳定。

表3 仰拱封闭前、后围岩收敛变形速度对比

这表明:

(1)封闭仰拱有效地阻止了围岩收敛变形的大幅度增长;

(2)随后增设的锚杆支护措施使围岩变形进一步得到控制;

(3)对于高地应力区软弱岩体的隧洞施工，及时进行钢拱架、锚、网、喷，特别是及时采取仰拱封闭措施的极端重要性。

5 初期支护侵占设计断面的最终处理

对侵占设计断面洞段进行处理的要求是:确保施工安全，保证结构安全，满足隧洞过水能力要求。

处理主要包括:对全段进行固结灌浆，加固围岩，提高其完整性及强度指标;对地质条件差、塑性变形严重的洞段，全部拆除原有的初期支护，进行扩挖;按照承载结构设计，重新进行初期支护;满足稳定要求后，及时进行混凝土衬砌。

5.1 固结灌浆

浆材:采用可灌性、可控性好的HSC特种浆材。

布孔:每20m为一施工段，每段布设16环灌浆孔，环距1288mm。单数环每环按圆心角40°布设9个灌浆孔，双数环每环按圆心角45°布设8个灌浆孔。

孔深:5m。

抬动观测装置:每段布设5套。

灌浆方法:孔内循环、全孔一次灌浆法。

灌浆顺序:每段从上、下游向中间钻灌;每环从仰拱向边顶拱钻灌。

灌浆压力:以不破坏原初期支护为原则，取0.7～1.0MPa。

设计灌浆标准:5Lu。

结束标准:在设计压力下单位注入量不大于1L/min，持续灌注5min结束。

封孔:用锚固剂平顺封闭孔口。

5.2 对原初期支护的处理原则

(1)侵占衬砌断面小于50mm的，不予处理;

(2)侵占衬砌断面在50～150mm的，采用风镐凿除;

(3)侵占衬砌断面大于150mm的，采用爆破法拆除并扩挖。

据此确定:采用爆破处理的洞段长256m，扩挖直径φ8.76m。

5.3 初期支护参数

(1)随机锚杆 φ25，L=3.0m;

(2)顶拱 120°范围超前小导管 φ42，L=3m，外插角5°～10°，环向间距30cm;

(3)Ⅰ16钢拱架，间距0.5m，Ⅰ10工字钢连接，间距1～2m;

(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，t=200mm。

5.4 二次混凝土衬砌

(1)扩挖段采用掺加抗裂防水剂CSA的C30混凝土衬砌，t=600mm，双层配筋φ25@200。

(2)非扩挖段则采用掺加抗裂防水剂CSA的C30混凝土，按成洞洞径7.16m衬砌，单层配筋φ25@200。

对塑性变形洞段的处理，从第一次灌浆试验到全部处理结束历时近两年，耗资近两千万元。

6 经验教训

6.1 开敞式TBM施工更符合新奥法设计理念

岩体的本构关系和强度特征表明，深埋岩体长期在高地应力或极高地应力作用下，由于受到周围岩体的约束，无论坚硬岩体或软弱岩体，都可承受相当高的应力水平，处于平衡状态。隧洞开挖破坏了这种平衡状态。坚硬岩体会因开挖而突然卸荷，但变形量并不很显著。软弱岩体则在失去高地应力约束后，无胶结的松散围岩会因膨胀而产生塌方;得到及时支护的围岩，产生塑性大变形，延续时间长。

大伙房输水隧洞731m洞段在TBM掘进后的变形发展，充分验证了软弱岩体的这种本构特征。

规范明确提出，对于“出现围岩坍塌失稳的不良地质洞段，应严格按新奥法进行施工。”［2］

就开敞式TBM而言，具有以下特点:

(1)仅在前支撑系统设有较短(3.1m)的顶护盾和侧护盾;

(2)整个主机基本敞开于已经开挖完成的洞室内，具有一定的操作空间;

(3)可及时进行锚杆、挂网、喷射混凝土、安装钢拱架等初期支护;

(4)锚喷支护属柔性结构，适应围岩的变形能力;

(5)对支护衬砌参数可以结合工程类比、仿真理论计算及现场监控量测验证，进行动态设计，及时进行调整和优化，支护措施更具有灵活性;

(6)采用开敞式TBM进行初期支护，更符合现代隧洞工程施工的新奥法设计理念。［3］

这就说明，为什么采用开敞式TBM，可以顺利地进行这731m洞段的施工。如果采用双护盾TBM，对于这样的洞段，可能会因连续卡机而改用钻爆法施工。

6.2 及时封闭仰拱的重要性

731m塑性变形洞段的变形机理是:

(1)在高应力区的软弱岩体内开挖隧洞，打破了原来的平衡状态;

(2)在围岩压力作用下，四周洞壁均产生向洞内的变形，以调整应力重分布;

(3)初期支护可以防止围岩松动变形向深处发展;

(4)但同时初期支护也与围岩一道共同承受围岩压力;

(5)在仰拱未封闭的情况下，仰拱既承受原本它固有的那部分围岩压力，又需额外地承受着来自边顶拱初期支护传递过来的集中荷载;

(6)由于仰拱部位同属软弱岩体，因而拱脚部位在集中荷载作用下产生下沉，从而带动了整个边顶拱的下沉;

(7)仰拱拱脚以外的自由面，在围岩压力和边顶拱集中荷载作用下，必然产生起鼓或隆起;

(8)原本已成环的Ⅰ16钢拱架，由于没有纵向连接，也没有混凝土的固定和支撑，在极大的围岩压力作用下，相当于一个柔性杆件而产生“N”字形的变形，其变形量正是整个洞室的收敛变形量。

由此不难看出，731m洞段塑性变形持续发展的关键是没有及时封闭仰拱。

关于及时封闭仰拱的重要性，已有不少论述。锚喷支护规范指出，在塑性变形洞段施工中，“必须设置仰拱，形成全封闭环，以提高支护抗力。”［4］《公路隧道施工》一书也明确提出:“当围岩压力极大，其变形速率难以收敛时，应及时封闭仰拱。”［5］731m塑性变形洞段封闭仰拱的实践也证明，封闭仰拱可以有效地阻止围岩收敛变形的大幅度增长。

特别需要指出的是，采用开敞式TBM施工，具有长约30m左右的设备桥，在距离掌子面2～3倍开挖洞径后，具备进行仰拱封闭的条件。关键是施工的组织者和管理者，要对及时封闭仰拱的重要性和施工的安全性给予足够的重视，对事后处理的难度和耗资的昂贵有一个清醒的认识。

6.3 开敞式TBM施工隧洞的断面尺寸设计

采用开敞式TBM施工的水工隧洞，其断面尺寸设计的总体原则是:

(1)有压隧洞和无压隧洞的成洞洞径Dc，均应满足使用功能要求;

(2)二次永久衬砌的型式和厚度Ty，应考虑与初期支护和围岩的联合作用，保证其结构的安全与稳定;

(3)无压隧洞的二次衬砌，在按减糙设计的情况下，对塑性变形洞段则应视地质条件确定是否按承载结构进行设计;

(4)初期支护的型式和厚度Tc，应充分考虑与围岩的联合作用，保证结构在施工期的安全与稳定;

(5)设计的开挖洞径Dw，除应满足成洞洞径、永久衬砌厚度和初期支护厚度外，尚应预留施工期允许的隧洞周边收敛变形量(半径变形量);

(6)在采用固定直径TBM掘进的情况下，通常是以比较差的Ⅳ、Ⅴ级围岩作为设计的控制性断面，并以此作为采购TBM的一项重要参数。

这样，如果采用TBM掘进的洞轴线，而不是采用设计的洞轴线作为衬砌的洞轴线(即成洞的洞轴线)［6］，

如果采用设计的洞轴线作为衬砌的洞轴线，则开挖洞径尚应考虑TBM蛇形掘进的偏差量P，

关于预留允许的周边收敛变形量的几点说明:

(1)所有隧洞的施工，都会产生收敛变形;

(2)隧洞断面尺寸的设计，应预留允许的周边收敛变形量;

(3)不设允许的周边收敛变形量是没有道理的;

(4)预留太大的允许周边收敛变形量会给工程造成浪费;

(5)预留允许的周边收敛变形量，可为塑性变形等不良地质洞段的施工要否采取封闭仰拱等加强支护措施及其实施时机的决策提供依据。

6.4 关于开敞式TBM的辅助设施

国内已建和在建采用TBM施工的隧洞工程，基本都遭遇过软弱围岩(软岩、断层破碎带或节理裂隙密集发育等)及其它不良地质洞段。由于洞线比较长，多在崇山峻岭之中，详尽的地质勘察工作难度很大，隧洞工程施工存在着许多不可预见的因素和地质风险。由于地质条件的复杂性和TBM必要的辅助设施不配套，致使原设计采用TBM施工的隧洞不得不被迫改用钻爆法施工。为此，笔者建议，采用开敞式TBM的设备采购或定货，除必须配备锚杆钻机、钢拱架安装器、自动喷射混凝土系统外，尚应适当配备:

(1)超前勘探取芯设备，以便进行最可靠的中期超前地质预报;

(2)超前预注浆系统，以便超前进行围岩加固;

(3)人工喷射混凝土系统，以便及时对软弱围岩进行初期喷射混凝土支护、塌方处理乃至用喷射混凝土进行仰拱封闭;

(4)在刀盘设置扩孔刀，供软弱围岩洞段扩挖，以增加局部预留变形量等。

其目的是:遇到各种不良地质条件，做到有对策、有手段，保证施工人员和设备安全，保证施工的顺利进行。