富水蚀变岩隧洞TBM掘进支护措施与稳定性研究

辛凤茂，于 茂，解 红

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000)

蚀变岩是高温流体作用下经物理与化学变化引起围岩化学成分和结构构造改变后的岩体，具有强度低、易潮解、易崩解、完整性差等特点。蚀变岩的强度与分布范围既取决于流体的物理化学性质，如pH、温度、压力等，也取决于原岩的物理化学性质，如孔隙度、渗透性、裂隙发育程度、主要结构面的张开宽度与方向、与流体的远近、与流体化学性质的差异等。流体与原岩的化学性质差异越大，原岩交代蚀变越强烈。蚀变带可呈线型、面型、体型展布，分布规律性差。因此，蚀变岩的工程地质特性特殊而复杂。在富水蚀变地层中进行隧洞等地下工程施工时，水-岩软化损伤、渗流冲刷裹挟作用导致地层部分矿物流失或变质，显著影响岩体的工程地质性状。穿越蚀变岩的隧洞施工过程中，往往由于对蚀变岩体体性质及特殊性认识不足，导致出现围岩大变形、突泥涌水、塌方等一系列安全事故。

在我国的水电及隧道工程建设中，已遇到过多处蚀变岩特殊地质条件，在其工程特性方面开展了较多的研究。例如大岗山高拱坝坝区、二滩拱坝右岸基岩、小湾水电站拱坝及坝肩、苏家河口水电站枢纽区、广州抽水蓄能电站地下洞群、平江抽水蓄能电站、琅琊山抽水蓄能电站地下厂房、天池抽水蓄能电站地下厂房、青龙水电站引水隧洞、洛湛线北岗隧道与清水隧道、贵广高铁贺州段东科岭隧道、海西高速安坪隧道等工程。目前，有关蚀变岩体的研究主要集中在岩石本身的物理化学性质和工程特性方面，且研究范围主要是水电站区蚀变带及隧道钻爆法施工中蚀变岩处理技术，在深埋长隧洞TBM施工法方面开展研究工作较少，本文以新疆某隧洞TBM成功通过花岗岩蚀变带为例。

1 工程概况

新疆某隧洞工程全长超过40km，洞径5.3m，最大埋深超过2200m，属深埋长隧洞。隧洞自南而北横穿博罗科努山，围岩岩性复杂多变，沉积岩、火山岩、变质岩均有分布。其主要包括志留系、泥盆系、石炭系的砂岩、变质砂岩、凝灰岩、凝灰质砂岩以及华力西期花岗岩，少量为奥陶系灰岩和第三系泥岩。

隧洞开挖采用两台敞开式TBM和钻爆法相结合的施工方案，其中出口TBM自出口逆坡向上游掘进，设计掘进里程约18km，当进尺约3.3km处时进入华力西中期侵入的二长花岗岩蚀变带，从隧洞揭露的蚀变岩看，蚀变岩具有范围大、性状差、分布不规则的特点，蚀变岩洞段存在变形、塌方掉块、承载力低、流砂等工程地质问题。

表1 强蚀变花岗岩物理力学性质试验成果

2 工程地质条件

华力西中期侵入的二长花岗岩具有不同程度的蚀变，根据蚀变岩的表观特征、矿物蚀变程度、岩石强度、岩体地震波等，对蚀变岩划分为强蚀变、中等蚀变、轻微蚀变三种。本文以强蚀变为例进行论述。

强蚀变岩石的组织结构完全破坏或残留少量心石，可见原始结构痕迹。除石英外，其余矿物大部分或全部蚀变为次生矿物。干燥状态呈密实状，潮湿时呈松散土状或砂状。岩体裂隙不明显。锤击有松软感，出现凹坑，手捏即碎，用钢钎可插入。纵波速一般小于1000m/s，回弹值多小于10。易潮解，遇水快速崩解。强蚀变花岗岩在洞底积水的作用下出现明显的软化，用铁锹可以铲动，软化深度一般在0.5m以上。强蚀变的花岗岩以干燥状态为主时，在拱顶位置多有碎屑或小岩块塌落，塌落的岩块无明显棱角，易形成较大的空腔，在护盾边缘常有大量的砂状碎屑流出，若以潮湿—湿状态，表现出明显的塑性变形。

施工期对蚀变岩洞段取样进行了物理力学性质试验，成果见表1。

蚀变岩还具备膨胀性和崩解性，强蚀变岩的自由膨胀率为15%～22%，侧向约束膨胀率为0.67%～1.60%。虽然岩石的自由膨胀率较大，但岩石孔隙比高，颗粒间孔隙空间大，受到侧向约束后，强蚀变岩产生的轴向方向的膨胀率较小。强蚀变岩的膨胀力为0.993～2.578kPa。虽然强蚀变岩蚀变产生的黏土矿物含量较多，但由于岩石结构受到破坏，颗粒间联结力弱，孔隙多，孔隙空间相对较大，释放了一部分黏土矿物吸水膨胀产生的作用力。

3 TBM掘进支护措施

3.1 超前加固措施

TBM掘进蚀变岩洞段以岩石掉块、塌落为主，塌落体为散体、块状结构，形成大量渣体。蚀变花岗岩超前加固措施是保障工程顺利进行和连续掘进的关键措施之一，亦是保证安全生产的主要技术手段。

(1)从护盾顶部蚀变岩堆积处钢拱架下适当位置，采用Φ40中空注浆钢花管或Φ25自进式中空锚杆(管身造孔)钻入冒落岩体，进行注浆，使得上部松散体胶结成连续体，恢复结构的整体性。

(2)为避免掌子面前方坍塌造成刀盘被卡住，在刀盘内已经设计的孔位进行前方和斜上超前钻孔，进行超前灌浆加固，刀盘前方采用中空玻璃钢注浆锚杆，上方采用中空注浆锚杆。

(3)超前加固采用双组分化学灌浆材料，主要为避免灌浆过程中人为对刀盘及护盾造成卡机现象。

3.2 支护措施

(1)根据围岩蚀变程度、塌方高度，通过数值分析确定支护参数。强蚀变有水段采用HW150钢拱架支护，榀距0.3～0.35m，纵向连接采用Φ20钢筋，环间距1m，局部采用槽钢连接。在底拱遇水泥化变软洞段，采用增加钢板(厚1cm)或槽钢(10#)垫在拱架外缘防止拱架沉陷，局部采用干硬性混凝土硬化。顶拱150°范围采用Φ20钢筋排，间距6～8cm。考虑支护的整体稳定，渗、滴、线状、股状出水蚀变岩洞段采用喷射纳米粗纤维混凝土，厚度20cm。

(2)考虑撑靴部位岩石强度和接地比压不足的问题，支护采用挂网喷射纳米混凝土，厚度20cm，喷混凝土硬化后，进行钢花管注浆，花管直径40mm，深度和间排距根据蚀变深度和现场灌浆效果确定。为满足TBM连续掘进，避免长时间停滞造成卡机现象，注浆材料采用化学灌浆。

3.3 支撑系统承载能力分析

针对岩石蚀变程度和涌水情况对钢结构支撑系统承载能力进行分析。

3.3.1计算方法

采用MIDAS GTS软件进行模型建立及结构内力分析，混凝土结构采用各向同性弹性材料进行模拟。地基采用仅能考虑受压的弹性弹簧材料。

图1 蚀变岩段考虑塌落拱压重的钢结构支撑系统承载能力分析计算结果

3.3.2计算荷载

支护系统承受的荷载包括自重、围岩塌落荷载、围岩初始地应力释放、外水压力、施工荷载等。塌落荷载按现场监测的实际塌落深度进行计算，地应力考虑1%～3%。

3.3.3计算结果

在同时承担塌落荷载及变形地应力释放荷载条件下，计算钢拱架顶部位移最大，约为7.3mm，钢拱架侧壁受压最大，为53.2MPa，如图1所示。

3.4 回填和固结

强蚀变段支护系统上方，岩石存在掉块、塌方现场，塌落体为散体、块状结构，塌落最大深度约4m，考虑强蚀变段遇水软化严重，危及洞室稳定，此段及时进行回填和固结灌浆，蚀变岩无水洞段，回填流动性较好的M10砂浆或流动性较好的一级配混凝土，对蚀变有外水洞段，进行化学灌浆，对顶部空腔做到满填满灌，确保洞室稳定。

4 结语

以新疆某隧洞成功穿越富水蚀变岩洞段为背景，介绍了TBM掘进富水蚀变岩的超前加固、支护措施，并对支护系统整体稳定及安全性进行了分析。结果表明，加固及支护措施安全有效，目前该洞段已施工完成，监测资料显示围岩、拱架变形、应力已趋于稳定。

TBM开挖的富水蚀变岩洞段的成功通过，为TBM开挖的深埋长隧洞处理不良地质洞段的设计提供了工程案例，对类似工程具有一定的参考意义。