节理密集地层输水隧洞支护参数优化研究

张峥，龙敏 （长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

随着我国基础建设快速发展，目前国内采用敞开式TBM 修建的隧洞数量越来越多。当敞开式TBM 穿越不良地质体时，围岩稳定性是施工中必须重视的问题之一[1]。节理密集地层作为一种典型的不良地质，TBM 在此类地层中施工容易出现围岩掉块、塌方、卡机等问题[2-6]，给隧洞施工与建设带来了极大的挑战。

本文依托东北地区某输水隧洞TBM 掘进段，采用正交试验与数值模拟手段，研究节理密集地层隧洞TBM 施工围岩稳定性影响因素，并对支护参数进行了优化探讨。研究可为类似工程提供参考。

1 工程概况

东北地区某输水隧洞设计为无压输水隧洞，全长18.531km，最大埋深约248m。隧洞采用TBM 与钻爆法联合施工，TBM 掘进段总长16.836km，钻爆法段长1.695km。隧洞进口端围岩主要穿越侏罗系中统呼日格组（J2h）凝灰岩，呈灰色～灰褐色，中硬岩，块状结构。洞身围岩主要为Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，Ⅲ类围岩占比较高。岩体节理裂隙较发育，裂隙面起伏粗糙，裂隙多闭合、少量微张方解石充填，岩体较完整，洞壁干燥，无明显渗水。

2 TBM掘进段支护设计及施工情况

TBM 掘进段采用敞开式TBM 进行施工，隧洞采用圆形断面，设计开挖直径为4.72m。TBM 掘进段采用复合式衬砌结构进行支护，由于洞内施工空间受限，施工期间隧洞仅施作初期支护，待隧洞贯通后施工二衬。

2.1 隧洞支护参数

Ⅲ类围岩段初期支护参数：顶拱180°范围，局部挂设Φ8@200×200mm钢筋网；局部L=1.5m，Φ22@1000mm砂浆锚杆；喷射10cm 厚C25 混凝土；二衬均为C30 钢筋混凝土，上半圆180°和下半圆180°厚度分别为31cm、41cm。

Ⅳ类围岩段初期支护参数：顶拱180°范围，挂设Φ8@150×150mm 钢筋网；L=1.5m，Φ22@900mm 砂浆锚杆；全环HW150钢拱架，间距1.8m；二衬均为C30 钢筋混凝土，上半圆240°和下半圆120°厚度分别为31cm、41cm。

Ⅴ类围岩段初期支护参数：顶拱180°范围，挂设Φ8@150×150mm 钢筋网；L=1.5m，Φ22@900mm 砂浆锚杆；全环HW150钢拱架，间距0.9m；二衬均为C30 钢筋混凝土，上半圆240°和下半圆120°厚度分别为31cm、41cm。

图1 Ⅳ级围岩初期支护示意图

2.2 现场施工情况

TBM 掘进段进口端500m 施工揭示，围岩为弱风化凝灰岩，围岩以Ⅲ类围岩为主，岩体节理裂隙发育，倾角为30°～50°，裂隙微张岩屑充填，完整性较差，洞壁略潮湿。在Ⅲ类围岩段落施工过程中，围岩存在一定自稳能力，局部也存在围岩剥落、掉块现象。图2 为Ⅲ类围岩段某断面洞壁围岩图像。

图2 Ⅲ类围岩段典型断面洞壁围岩图像

输水隧洞TBM 掘进段进口端局部存在Ⅳ、Ⅴ类围岩，局部穿越节理密集地层，岩体节理裂隙发育，围岩被节理裂隙切割后完整性较差，施工过程中可能出现严重的剥落、掉块等破坏情况，影响施工安全与进度。

3 节理岩体稳定性影响因素分析

为了更好地应对节理密集地层TBM 施工，采用正交试验方法，通过数值模拟计算，对节理密集地层隧洞TBM施工围岩稳定性影响因素进行探讨和分析。

3.1 正交试验设计

3.1.1 围岩稳定性评价指标选取

剪切滑移区是围岩节理面出现相互错动的区域，是诱发围岩渐进性破坏的主因，该指标能够定量化评价围岩稳定程度[7]。因此，试验选择岩体剪切滑移区作为围岩稳定性的评价指标。

3.1.2 试验方案

为研究节理密集地层隧洞围岩稳定性的影响因素，考虑岩块与节理面的力学参数，选用L16(43)正交表开展正交试验。结合类似工程经验，岩块参数选取弹性模量和粘聚力，节理面参数选择节理倾角和节理内摩擦角，每个因素安排4 个水平值。表1、表2 分别为正交试验参数表和正交试验设计表。

表1 节理岩体综合性质因素水平参数

表2 节理岩体综合性质正交试验表

建立节理密集地层隧洞开挖平面应变数值模型，围岩采用遍布节理本构模型进行模拟，隧洞埋深设置为150m，其余力学参数取为定值。在设置边界条件后，隧洞采用全断面一次开挖，探讨各试验中隧洞在无支护情况下的围岩剪切滑移区特征。

3.2 结果分析

限于篇幅，仅列出试验5 的围岩剪切滑移云图（图3），深色部分为剪切滑移区。通过内置FISH 语言编制数据提取代码，获得各试验工况下围岩剪切滑移区面积。以围岩的剪切滑移区面积作为评价指标进行极差分析，各因素极差结果见表3。

表3 极差分析表

图3 试验5围岩剪切滑移云图（节理倾角20°）

由表3 可知，在节理密集地层中，围岩性质对于围岩稳定性影响程度的排序为节理内摩擦角＞节理倾角＞岩块粘聚力＞岩块弹性模量。其中，节理内摩擦角和节理倾角的极差相近，且远大于岩块弹性模量和岩块粘聚力的极差。说明在节理密集地层隧洞中，节理面性质对围岩稳定性起控制作用，即围岩失稳破坏一般都是由节理面变形破坏引起的。

4 支护参数优化分析

4.1 计算工况设置

结合节理岩体稳定性影响因素分析结果，借鉴节理岩体钻爆法施工经验，考虑超前加固、提升初期支护刚度、调整锚杆布置形式等手段，对该输水隧洞节理岩体地层支护参数进行优化研究。同时，由于TBM 上的喷射混凝土设备距离护盾较远，施工过程中喷射混凝土常滞后施工。因此在优化中考虑在盾尾进行应急喷射混凝土支护，即在盾尾先喷射一定厚度混凝土，在喷射混凝土设备区域复喷至设计厚度。

选取Ⅳ类围岩典型开展支护参数优化研究，共设置2 个计算工况，具体见表4。

表4 模型力学参数表

4.2 数值模型的建立

为降低边界效应对计算结果的影响，左右边界至隧道距离取3～5 倍洞径，下边界至仰拱底部距离取3～5 倍洞径，上边界距隧道顶部取为27.625m，模型尺寸整体为50m×40m×1.8m。计算断面隧道埋深约为150m，地应力通过在顶部边界上施加应力实现。计算模型边界条件示意图见图4。

图4 计算模型边界条件示意图

为了较好地模拟节理岩体，模型中采用遍布节理模型来模拟围岩，围岩采用实体单元进行模拟，节理倾角设置为40°。模型中不考虑二衬的支护作用，初支喷射混凝土采用弹性实体单元，钢拱架、锚杆分别通过Beam、Cable 单元进行模拟。结合现场资料及类似工程经验，模型物理力学参数如表5、表6所示。

表5 模型力学参数表

表6 岩体节理面参数表

4.3 计算结果

4.3.1 围岩竖向变形

图5 为两种工况下的围岩竖向变形云图，可见在节理倾角（40°）的影响下，围岩竖向变形呈现出非对称的特征，其拱顶沉降最大值位于拱顶左侧。其中，采用原设计支护时，隧洞拱部沉降最大值为12.834mm，优化设计后拱部沉降最大值为8.210mm，较少幅度为36.03%，拱部沉降变形得到一定控制。

图5 围岩竖向变形云图（单位：m）

4.3.2 围岩水平变形

图6 为两种工况下的围岩水平变形云图。图中隧洞上半圆区域水平变形小于下半圆区域，这是因为初期支护喷射混凝土支护范围为上半圆240°，导致下半部分初期支护刚度较小，从而引起变形增大。其中，采用原设计支护时，隧洞下半圆水平收敛值为22.578mm，采用优化设计后，水平下半圆收敛值为19.138mm，减少幅度为15.24%，围岩水平收敛值也得到了一定控制。

图6 围岩水平变形云图（单位：m）

4.3.3 围岩剪切滑移区

由图7 可知，在采用优化设计后，围岩剪切滑移区分布特征出现了两方面明显的变化。①剪切滑移区面积得到了控制。采用原设计支护时，其围岩剪切滑移区面积为109.88m2，而优化设计后的面积为82.34m2，减少幅度为25.06%。②剪切滑移区分布特征出现了变化。在采用优化设计支护后，围岩剪切滑移区范围减小，且原设计支护拱顶上方处的剪切滑移区域消失，围岩稳定性也得到了一定的控制。

图7 围岩剪切滑移区云图

数值模拟结果表明，在节理密集地层中，隧洞开挖容易出现较大的围岩变形和剪切滑移区，现场施工中如果同时遭遇其他不良地质，可能出现局部塌方等异常现象，影响施工安全。在节理密集地层隧洞TBM 施工过程中，可以考虑采用超前加固、调整钢拱架间距、锚杆非对称布置、及时施作喷射混凝土等措施对支护参数进行优化，提高围岩稳定性，保证施工安全。

5 结论

在节理密集地层中，围岩性质对于围岩稳定性影响程度的排序为节理内摩擦角＞节理倾角＞岩块粘聚力＞岩块弹性模量，节理面性质对围岩稳定性起控制作用。

数值模拟结果表明，在节理密集地层隧洞TBM 施工中，采用超前加固、调整钢拱架间距、锚杆非对称布置、及时施作喷射混凝土等措施，能够控制围岩变形和围岩剪切滑移区，保证围岩稳定性，保证施工安全。