深埋软岩输水隧洞TBM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

摘要：软弱围岩挤压大变形、支护结构变形失效、TBM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TBM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TBM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6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；TBM；挤压变形；管片加固

中图分类号：TU47文献标志码：A文献标识码

Study on TBM construction monitoring and segment long-term stability of deep buried soft rock tunnel

ZHU  Liping1，ZHANG  Hui2，JIANG  Haibo3*

（1 Xinjiang Development and Construction Administration for Yili River Basin，Urumqi，Xinjiang 830000，China;

2 China Water Resources Beifang Investigation，Design and Research Co.Ltd，Tianjin 300222，China;

3 College of Water

Conservancy and Architectural Engineering，Shihezi University，Shihezi，Xinjiang 832003，China）

Abstract：  Large deformation of soft surrounding rock， deformation and failure of supporting structure， and TBM shield stuck machine are the key technical problems of trans-basin water diversion tunnel under complex geological conditions. Large soft rock expansion deformation occurs in the construction of a deep-buried soft rock water transmission tunnel in China. In the TBM construction process， the vertical joints of the roof segment on the left and right segments are affected by bias pressure， resulting in a large number of table errors. In order to ensure the long-term safe operation of tunnel lining structure， some segments of wrong and wrong platform are reinforced in longitudinal ring direction by steel support， self-feeding hollow bolt chemical grouting or cement grouting according to the calculation of large deformation reinforcement of strong expansion surrounding rock under TBM construction. Choose bad broken face after reinforcement long-term stability simulation analysis of tunnel surrounding rock， combining with six run-time monitoring cross section of the measured data and monitoring indicators for comparative analysis of segment crack fault does not continue to expand after reinforcement shows that the disposal scheme is very successful， research results can provide reference and reference for other similar projects.

Key words： water conveyance tunnel;swelling soft rock;TBM;extrusion deformation；segment reinforcement

經过半个世纪的发展，TBM掘进技术日臻成熟［1］，已在众多水利水电、能源及铁路工程中得到广泛应用［2-3］。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［4］。当TBM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［5］，而且大量工程实践表明围岩挤压大变形导致的TBM卡机灾害是占比最大的地质灾害之一［6］。

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。SINGH B等［7］和GOEL R K等［8］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；SAKURAI S等［9］、AYDAN 等［10］和GOEL R K等［11］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500mm。对此何满潮等［12］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NPR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［13］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［14］，为降低软弱围岩大变形的的影响，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，提出适应于围岩大变形的新型锚喷支护体系，研究其与围岩的相互作用机制，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［15］。

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TBM施工中遭遇错台量较大的问题，本文通过TBM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实现了从洞内快速加固处理，省去了停机拆刀、搭设临时工作架等工序，减少了人工投入。本文，采用MIDAS GTS有限元软件对超前加固前、后2种工况进行模拟分析，并结合对运行期6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TBM施工提供理论技术支撑。

1 达坂隧洞TBM施工段工程地质条件

达坂输水隧洞全长30.69km，线路呈东西向布置，走向在NW274.7°～NW299.7°之间。在TBM施工出渣过程中，粒径大于20cm的不规则岩块占20%～25%，出渣量超出正常量的30%。隧洞TBM掘进后围岩应力重分布，当顶拱变形量大于26.5cm，侧拱变形量大于17.0cm，粒径30～40cm的不规则岩块占35%～50%，如图1所示，出渣量超出正常量60%，无豆砾石充填。

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0.9～11.4MPa，平均为4.8MPa；变形模量为100.4～323.7MPa，平均为601.7MPa；弹性模量为103.4～1 519.2MPa，平均为633.4MPa。饱水条件下其单轴抗压强度为0.20～15.6MPa，平均为3.6MPa；变形模量为20.5～2 628.9MPa，平均为520.4MPa；弹性模量为23.3～2 696.3MPa，平均为536.9MPa。软化系数为0.21～0.74。另外，

由于TBM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3 670～3 685环、7 932～7 935环、7 940～7 963环的左右拱脚受挤压变形错台，并导致边墙开裂。

2 达坂隧洞TBM施工强膨胀岩挤压大变形加固设计与稳定性分析

2.1 挤压大变形开裂段加固設计

为了确保达坂隧洞TBM掘进中围岩大变形错台段衬砌的长期安全，决定对达坂隧洞3 670～3 685环、7 932～7 935环、7 940～7 963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5.0cm。

2.2 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II、III、IV、V、V1类）和考虑壁厚采用Φ25自进式中空锚杆注浆加固围岩的效果（II、III、IV、V、V1类）A-1、A、B、C、C-2、D、E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、力学指标进行分析计算研究。管片几何参数：内径净空尺寸6m；管片材料参数：C40钢筋混凝土，弹性模量33 GPa，泊松比0.167。

双护盾TBM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2所示，其中P±1为上覆土荷载、P±2为隧洞底部的土压力反力、Pg为管片自重反力、P水2为内外水压力导致的反力、q±1和q±2为侧向土压力、P膨为围岩膨胀压力，Pw外和Pw内分别为外水和内水压力、N为埋深、D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η（η≤1）。根据等效刚度为ηEI，考虑弯矩增大系数ζ（ζ≤1），则管片的弯矩为（1+ζ）M，管片接头弯矩为（1-ζ）M。此模型若取η=1、ζ=0，则成为均质圆环模型，如图3所示。

2.3 稳定性数值模拟

2.3.1 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0.3倍，不同围岩的物理力学参数取值如表1。围岩抗压强度按公式σc=2ccosφ/（1-sinφ）计算，抗拉强度按公式σs=6ccosφ/（3+sinφ）计算，相关参数按照表1中参数取值。隧洞和管片的体型如图4所示，整个计算模型二维单元和地应力计算模型单元如图5所示。

2.3.2 设计原则及计算工况

（1）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2。

（2）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3。

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24 kN/m3计算，钢筋混凝土按25 kN/m3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4.7m；外水压力Pe：按均布力作用于衬砌外表面，计算公式为Pe=βeγwHe，γw为水的容重，He为外水压力水头，βe为外水压力折减系数，各类围岩所取计算断面的He、βe的取值见表2;灌浆压力：根据设计考虑，取0.1～0.3MPa，为均布力；膨胀压力：Ⅳ围岩0.2MPa，Ⅴ围岩0.25MPa，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8度，水平加速度取0.2g。

（3）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4、表5、图6和图7。

（4）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V、V1类围岩承担地应力场的20%；按IV类围岩承担地应力场的15%（是实测荷载的1～2倍）；III类围岩承担地应力场的12%；II类围岩承担地应力场的10% 进行计算分析，各断面管片衬砌有1.2～2.0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斷面能承受地应力的百分数在12.0%～37.1%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3～4m孔深化灌、预应力锚杆、Φ25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。

3 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Ⅳ、Ⅴ类围岩以及不良地质约占总洞长的94.8%；隧洞运行期的6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6），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（冬季停水）对隧洞进行全面检查，并对隧洞的结构安全性进行全面的评估，从而证明达坂隧洞洞室是稳定的。

4 结论

达坂引水隧洞已经安全通水多年，总结极软岩TBM隧洞大变形工程处治方法和效果方面的经验如下：

（1） 薄层状极软岩TBM隧洞施工过程中常采用双护盾TBM的施工方法，如何减少和避免管片产生的错台、卡机等现象是一个十分棘手的问题，在类似工程的设备选型阶段，应该充分考虑围岩的时效变形特性，预留足够的扩挖量，尽可能减少工程施工中卡机现象的发生。

（2） 达坂隧洞因大变形导致管片衬砌结构开裂和错台后，通过系统的试验和数值计算后，提出钢支撑、化灌、Φ25自进式中空锚杆注浆和预应力锚杆等联合加固方法，通过现场安全监测、压浆等检查，可以有效加固围岩；加固后管片错台不再继续扩展，处置方案十分成功。

（3） 在挤压大变形的隧洞工程施工前应详细分析TBM卡机对结构带来的安全风险，并考虑合理的管片结构型式和强度，以确保衬砌结构的长期安全。

（4） 对管片的配筋和加固设计复核后，证明隧洞的加固设计可以确保洞室长期稳定运行的要求。

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（责任编辑：编辑张忠）

收稿日期：2022-03-17

基金项目：国家自然科学基金（51769031），兵团区域创新引导计划（青年科技骨干人才培养计划）（2021BB004）

作者简介：朱利平（1968—），男，高级工程师，现从事水利水电工程建设管理工作，e-mail：980128226qq.com。

*通信作者：姜海波（1982—），男，教授，博士生导师，从事寒旱区地下隧洞损伤及稳定研究，e-mail：klaud_123@163.com。