王才品,周 勇,魏 樺,李曉峰
(1.霍山縣水務(wù)局,安徽 霍山,237200;2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,浙江 杭州,311122;3.2510工程建設(shè)指揮部,北京,100000)
近年來,我國西部水電開發(fā)和南水北調(diào)工程建設(shè)加速,大量深埋水工隧洞工程先后開工建設(shè)。但隨著隧洞埋深的不斷增加,地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜,相應(yīng)的工程災(zāi)害也日趨頻繁,較為常見的如硬巖巖爆、軟弱圍巖大變形及流變、巖溶突水等,這些都對深埋隧洞的圍巖穩(wěn)定性造成了很大威脅[1]。其中,深埋軟巖水工隧洞工程因賦存高應(yīng)力條件、軟巖本身的低強(qiáng)度和塑性大變形產(chǎn)生了巨大的圍巖壓力,施工期通常表現(xiàn)為圍巖擠壓變形、自穩(wěn)能力差、流變特性顯著、甚至發(fā)生坍塌破壞等工程現(xiàn)象,易造成施工進(jìn)度拖延及安全隱患。在運(yùn)行期,由于水工隧洞運(yùn)行環(huán)境的特殊性,圍巖還將受軟巖流變效應(yīng)、長期浸水軟化效應(yīng)、內(nèi)外水壓力作用等多種因素的綜合作用,影響其正常運(yùn)行及長期穩(wěn)定性。目前,國內(nèi)外學(xué)者對深埋軟弱圍巖的公路、鐵路隧道均進(jìn)行了廣泛研究[2-7],但專門針對深埋軟巖水工隧洞的研究成果較少。
深埋軟巖隧道圍巖大變形是一種常見的、危害極大的施工地質(zhì)災(zāi)害[3]。軟弱圍巖開挖會產(chǎn)生具有累進(jìn)性擴(kuò)展和時(shí)間效應(yīng)的塑性變形,基本特點(diǎn)是變形量大、變形持續(xù)時(shí)間長、掌子面前后方變形影響范圍大、變形速度快[5]。由于常規(guī)支護(hù)難以抑制該類變形,給施工處理帶來了極大困難,處理不當(dāng)將造成塌方、侵限等,進(jìn)而造成施工機(jī)具損毀、襯砌開裂、工期延誤、施工成本增加等問題[3]。因此,深埋軟巖隧洞開挖支護(hù)設(shè)計(jì)對圍巖穩(wěn)定性與結(jié)構(gòu)安全性非常關(guān)鍵,需要充分考慮工程圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的短期和長期穩(wěn)定性。李磊[6]通過研究千枚巖隧道的擠壓性大變形機(jī)理,提出了考慮時(shí)空效應(yīng)的多層支護(hù)分析方法與控制技術(shù),為軟弱圍巖隧道的設(shè)計(jì)與施工提供了技術(shù)支撐。沙鵬等[8]深入分析了新建蘭渝鐵路多座長大深埋隧道層片狀圍巖的大變形破壞機(jī)制,認(rèn)為高地應(yīng)力條件和層片狀結(jié)構(gòu)的各向異性特征誘發(fā)了圍巖的不對稱擠出變形,并提出了一種針對層片狀巖體擾動各向異性的定向主動支護(hù)措施。張傳慶等[9]通過分析深埋綠泥石片巖隧洞圍巖變形特征,建立了基于多變形指標(biāo)圍巖穩(wěn)定控制方法,發(fā)展了當(dāng)前規(guī)范中提出的圍巖收斂變形控制標(biāo)準(zhǔn),可作為深埋軟巖隧洞穩(wěn)定性調(diào)控的主要手段之一。
另一方面,大量工程實(shí)踐表明,典型的深埋軟巖諸如片巖、泥巖、砂板巖、千枚巖等,通常具有明顯的層狀或各向異性特征,將導(dǎo)致隧洞圍巖出現(xiàn)非均勻、不對稱擠出變形,進(jìn)而會影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的聯(lián)合承載機(jī)制及穩(wěn)定性。巖石層理、片理、夾層和定向裂隙系統(tǒng)導(dǎo)致了巖體各向異性,如何準(zhǔn)確描述該特性一直是巖土力學(xué)研究的難題。許多研究者針對巖體各向異性進(jìn)行了各類理論和試驗(yàn)的深入研究工作,Jaeger[10]基于摩爾庫倫準(zhǔn)則發(fā)展了單弱面強(qiáng)度理論,為研究固有不連續(xù)面對巖體強(qiáng)度的影響提供了有益的起點(diǎn),Tien Y M[11]、Duveau G[12]等人對此進(jìn)行了有益的修正。Hoek等[13]通過對片頁巖、板巖和砂巖變角度的單軸、三軸室內(nèi)加載試驗(yàn),獲得了各類巖體在不同弱面加載角、不同圍巖下的強(qiáng)度各向異性特性試驗(yàn)曲線。張曉平[14]和單治鋼[15]等通過開展二云英片巖單軸壓縮小尺度試驗(yàn)研究,得出片巖單軸壓縮條件下的裂紋擴(kuò)展過程及強(qiáng)度存在顯著各向異性。張春生等[16]利用三維數(shù)碼攝像技術(shù),現(xiàn)場采集并精細(xì)統(tǒng)計(jì)了石英云母片巖巖體結(jié)構(gòu)的空間展布特征,并將該特征準(zhǔn)確還原于數(shù)值模型中,用于開展不同尺寸、不同結(jié)構(gòu)組成的各向異性特征研究。
綜上所述,深埋軟巖隧洞的開挖施工難度極大,軟巖的擠壓變形機(jī)理及控制技術(shù)復(fù)雜,而水工隧洞的特殊運(yùn)行環(huán)境又帶來了更大的不確定性,其開挖支護(hù)設(shè)計(jì)必須充分考慮圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)體系在施工及運(yùn)行階段的整體安全性和穩(wěn)定性。
依托某水電站深埋軟巖水工隧洞工程,針對其面臨的高地應(yīng)力、低強(qiáng)度、片巖各向異性及擠壓大變形等問題,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)研究、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值仿真等手段,提出了針對性的開挖支護(hù)方案與控制對策,將作為工程建設(shè)的重要依據(jù)。
某水電站位于四川省大渡河干流,廠壩間采用長約17.4 km 的兩條長引水隧洞連接,隧洞直徑約14 m。地質(zhì)勘察資料顯示,引水隧洞尾端的賦存環(huán)境十分復(fù)雜,成洞問題較突出,為強(qiáng)度偏弱的石英云母片巖夾少量云母石英片巖、變粒巖洞段,累計(jì)長度約2.8 km,約占隧洞總長的17%。實(shí)測地應(yīng)力表明,引水隧洞沿線普遍地應(yīng)力量級達(dá)17~31 MPa,其中深埋段達(dá)30 MPa以上,屬高地應(yīng)力條件。
圖1 根據(jù)現(xiàn)場長探洞揭示的巖性、地應(yīng)力條件,將隧洞末端分成三個(gè)區(qū)段(A段、B段、C段),其中引水隧洞A段地層(石英云母片巖),最大埋深約1 200 m,巖石天然抗壓強(qiáng)度15~30 MPa,飽和抗壓強(qiáng)度10~25 MPa,軟化系數(shù)0.5~0.56,屬于典型的深埋軟巖。巖層總體產(chǎn)狀為N45°~60°W,NE∠45°~85°,其巖體力學(xué)強(qiáng)度較低,具有明顯各向異性特征,巖體質(zhì)量以Ⅲ、Ⅳ類為主,局部V類。以下主要針對A段的巖體工程條件展開分析。
圖1 引水隧洞末端沿線地層巖性分區(qū)Fig.1 Stratigraphic lithology along the end of diversion tunnel
深埋軟巖的低強(qiáng)度和高地應(yīng)力環(huán)境會導(dǎo)致隧洞開挖后出現(xiàn)擠壓變形問題,不同的擠壓變形程度對應(yīng)不同的支護(hù)方案。應(yīng)該說,到目前為止有關(guān)深埋軟巖隧洞的實(shí)踐,已積累了比較豐富的工程經(jīng)驗(yàn),也有相關(guān)的解析理論公式,可幫助進(jìn)行各種工程環(huán)境下深埋軟巖隧洞的設(shè)計(jì),但對具體的工程還需針對性開展分析研究。
片理作為石英云母片巖中最普遍的結(jié)構(gòu)面,是導(dǎo)致片巖各向異性宏觀特征的主要原因。大量的室內(nèi)物理力學(xué)性試驗(yàn)、現(xiàn)場原位試驗(yàn)研究及數(shù)值試驗(yàn)研究[16]均表明,在不同片理方向加載時(shí)的巖體強(qiáng)度及變形模量均存在較大的差異,該類片巖的變形及強(qiáng)度各向異性突出。圖2 為采用室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬獲得的片巖強(qiáng)度各向異性特征。
圖2 片巖的強(qiáng)度各向異性特征Fig.2 Characteristics of strength anisotropy of schist
由于石英云母片巖的各向異性特性明顯,優(yōu)勢片理面與洞軸線的交切關(guān)系將會對隧洞不同部位的圍巖變形失穩(wěn)模式及穩(wěn)定性產(chǎn)生程度各異的影響[17],這將直接影響隧洞的軸線布置方案。針對這一問題,現(xiàn)場開展了補(bǔ)充論證,在CPD1勘探洞深埋軟巖洞段,因CPD1平洞軸線(N8°W)與優(yōu)勢片理面呈大角度相交,主洞內(nèi)的破壞現(xiàn)象并不明顯;而鄰近的K1720 支洞(軸線走向N53°W)順著片理走向開挖,洞壁出現(xiàn)了明顯的片理彎折破壞與鼓脹松弛變形現(xiàn)象,見圖3。對比探洞內(nèi)存在鮮明差異的巖體開挖響應(yīng)特征,表明片理各向異性對隧洞圍巖穩(wěn)定的影響具有明顯的方向性。
圖3 CPD1平洞K1725支洞邊墻應(yīng)力松弛Fig.3 Stress relaxation of side wall in K1725 branch of CPD1 adit
結(jié)合上述認(rèn)識,深埋軟巖隧洞布置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì),一方面需考察洞軸線與初始地應(yīng)力場的空間關(guān)系,另外則需重點(diǎn)分析洞軸線與優(yōu)勢片理面的有利交切關(guān)系。由于深埋段的地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,第一、第二主應(yīng)力量值基本相當(dāng)(分別達(dá)23~24 MPa 和27~31 MPa),且均近水平向,因此無論引水隧洞的軸線如何選擇,均難以避開高應(yīng)力軟巖擠壓作用的影響。圖4 為采用數(shù)值計(jì)算獲得的不同洞軸線方案下,隧洞開挖后的圍巖位移場分布對比情況。其中方案A 的洞軸線走向N4°W,與片理面斜交,最終的變形及穩(wěn)定問題相對不突出,較好地規(guī)避了片巖各向異性及不均勻地應(yīng)力場帶來的不利影響,可以作為引水隧洞軸線布置的最終推薦方案。
圖4 不同洞軸線方案下隧洞開挖后圍巖位移場分布Fig.4 Displacement field after tunnel excavation in different schemes
此外,由于深埋軟巖洞段面臨地應(yīng)力偏高、斷面應(yīng)力比偏大、強(qiáng)度應(yīng)力比偏低等不利初始應(yīng)力環(huán)境,洞軸線的優(yōu)化設(shè)計(jì)并不能完全消除圍巖擠壓大變形問題,在工程設(shè)計(jì)和實(shí)際開挖施工時(shí)應(yīng)提供足夠的支護(hù)壓力以維持軟巖隧洞的圍巖穩(wěn)定。
深埋軟巖隧洞工程中,圍巖擠壓變形問題相對顯著,如果軟弱圍巖的變形得不到有效控制,變形即會出現(xiàn)不收斂現(xiàn)象。通常,不收斂變形是圍巖變形量累計(jì)到一定程度的結(jié)果,這就需要預(yù)先制定“圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn)”,即要求通過合理的優(yōu)化開挖支護(hù)設(shè)計(jì),將圍巖總變形量控制在發(fā)生失穩(wěn)變形之前。
由于變形是地下工程開挖后最基本的圍巖響應(yīng)方式,目前工程上多以圍巖“收斂應(yīng)變率”建立相匹配的穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn),并已得到了廣泛的工程應(yīng)用和驗(yàn)證?!笆諗繎?yīng)變率”指隧洞圍巖收斂變形量與開挖直徑之比(或變形量與半徑之比),一般地,根據(jù)收斂應(yīng)變率的大小可經(jīng)驗(yàn)判斷隧洞圍巖的穩(wěn)定特性。
Hoek 等[7]人根據(jù)實(shí)例統(tǒng)計(jì)將軟巖隧洞按其擠壓變形特征分成5種典型類別或等級,見表1,不同的擠壓變形等級對應(yīng)不同的支護(hù)理念。比如,收斂應(yīng)變?yōu)?%~2.5%的輕微擠壓變形隧洞,可采取系統(tǒng)噴錨支護(hù)為主的加固措施來控制圍巖變形及穩(wěn)定;對非常嚴(yán)重的擠壓變形隧洞,除需對掌子面采取超前支護(hù)、系統(tǒng)噴層和錨桿施作應(yīng)緊跟掌子面外,還應(yīng)采用埋置鋼構(gòu)架或可伸縮型鋼拱架等強(qiáng)力加固措施,以規(guī)避圍巖大變形侵陷或失穩(wěn)問題。另外,對小洞徑的軟巖隧洞,在遇到嚴(yán)重?cái)D壓變形情況下,也可以采用封閉成環(huán)的剛性混凝土襯砌以提供強(qiáng)大的剛性支護(hù)力。Hoek等人提出的圍巖變形收斂應(yīng)變與支護(hù)類型之間相互匹配的對照表,可用于此類地下工程的初步支護(hù)設(shè)計(jì),這也給軟巖隧洞的變形控制標(biāo)準(zhǔn)的擬定提供了可資借鑒的依據(jù)。
表1 圍巖收斂應(yīng)變與支護(hù)類型的關(guān)系[7]Table 1 Relationship between convergence strain of surrounding rock and support type
GB 50086-2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[18]也給出了針對不同埋深條件的隧洞允許位移相對值(表2),等同于隧洞收斂應(yīng)變率。規(guī)范對埋深超過300 m的水工隧洞,Ⅲ類圍巖允許收斂應(yīng)變范圍是0.40%~1.20%,Ⅳ類圍巖允許收斂應(yīng)變范圍是0.80%~2.00%,塑性圍巖取表中較大值。但軟巖洞段的埋深普遍在600~1 200 m,遠(yuǎn)超規(guī)范中界定的300 m埋深范疇,且引水隧洞的直徑也達(dá)到了14 m,該規(guī)范已不再適用。結(jié)合工程實(shí)際條件,應(yīng)在該表的基礎(chǔ)上適度放寬圍巖收斂應(yīng)變的控制標(biāo)準(zhǔn)。
表2 隧洞周邊允許位移相對值[18]Table 2 Relative allowable displacement around the tunnel
圖5 深埋軟巖試驗(yàn)洞開挖變形過程及流變特征Fig.5 Deformation process and rheological characteristics of pilot deep-buried soft rock tunnel during excavation
深埋軟巖問題有其特殊性,軟巖隧洞的支護(hù)設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)把控支護(hù)時(shí)機(jī)與支護(hù)剛度的選擇,如新奧法[19]提出的“支護(hù)不能太早,不能太晚,不能太剛,不能太柔”,見圖6。深埋軟巖本身的低強(qiáng)度和大變形產(chǎn)生了巨大的圍巖壓力,出于安全經(jīng)濟(jì)上的考慮,長期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明,能適應(yīng)此類圍巖變形特性又不失控制變形能力的支護(hù)系統(tǒng)才能起到明顯的支護(hù)加固效果,即柔性支護(hù)系統(tǒng)。柔性支護(hù)系統(tǒng)可以提供持續(xù)有效的支護(hù)力,一方面保護(hù)了圍巖完整性,并可維持較好的應(yīng)力狀態(tài),增強(qiáng)圍巖的整體變形能力;另一方面,在協(xié)調(diào)變形過程中也適量釋放了圍巖變形能,有效降低圍巖壓力。
圖6 新奧法的基本原則之一[19]Fig.6 One basic principle of NATM
深埋軟巖水工隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是確保水工隧洞結(jié)構(gòu)的施工安全與長期穩(wěn)定,并注重設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)合理可行,這就需要充分利用現(xiàn)代圍巖壓力理論與現(xiàn)代支護(hù)原理加以開展。在工程可行性研究階段,依托長期實(shí)踐積累的豐富工程經(jīng)驗(yàn),秉承圍巖是隧洞承載和防滲的主體的設(shè)計(jì)理念,通過開展大量的科研試驗(yàn)工作,對軟巖隧洞設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化,制定了針對性的噴錨支護(hù)、混凝土襯砌、圍巖灌漿等方案,其中深埋軟巖段的系統(tǒng)噴錨支護(hù)措施以“系統(tǒng)錨桿+噴層+鋼拱架”為主。
具體的,軟巖水工隧洞的支護(hù)體系主要包括系統(tǒng)噴錨支護(hù)和混凝土襯砌結(jié)構(gòu)兩大部分。施工期圍巖穩(wěn)定主要依靠噴錨支護(hù)及圍巖自承載能力,隧洞開挖后,先實(shí)施一期支護(hù),包括系統(tǒng)錨桿、掛網(wǎng)、噴層、鋼拱架等。其中,當(dāng)掌子面穩(wěn)定性較差時(shí)(如受優(yōu)勢片理不利交切關(guān)系影響)或圍巖擠壓變形問題突出時(shí),應(yīng)進(jìn)行超前支護(hù)和緊跟掌子面的臨時(shí)支護(hù),并需充分保證初期支護(hù)的及時(shí)性和支護(hù)強(qiáng)度。而混凝土襯砌結(jié)構(gòu)作為水工隧洞永久支護(hù)的必要手段,一般需要待圍巖變形基本結(jié)束之后再施作。這樣在運(yùn)行期,圍巖、系統(tǒng)支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)能夠聯(lián)合承載,還可依靠系統(tǒng)固結(jié)灌漿,提高圍巖承載能力和防滲能力。另外,由于深埋軟巖隧洞開挖變形具有較強(qiáng)時(shí)效特性,支護(hù)時(shí)機(jī)的擬定也同樣關(guān)鍵,應(yīng)盡可能使圍巖與支護(hù)的變形協(xié)調(diào)發(fā)展,并在安全裕度足夠的前提下最大程度發(fā)揮支護(hù)體系的加固效果,以此提升設(shè)計(jì)方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
除了以上基本支護(hù)設(shè)計(jì)外,在遇到非常嚴(yán)重和極其嚴(yán)重的擠壓變形情況下,為匹配圍巖收斂變形的時(shí)效性特點(diǎn),還需嚴(yán)格采用“逐次施加、先柔后剛、多步控制”的漸進(jìn)支護(hù)方式。支護(hù)措施隨著掌子面推進(jìn),逐步由柔性變?yōu)閯傂詷?gòu)件,并以多重支護(hù)體系來共同實(shí)現(xiàn)對圍巖擠壓大變形的有效控制,此設(shè)計(jì)思路也適用于同類工程。具體可以采取如下策略:
(1)施加高強(qiáng)度、具有良好延展性的錨桿或錨索支護(hù)系統(tǒng),必要時(shí)采用可伸縮式鋼拱架。加強(qiáng)錨桿材質(zhì)的延性特征,使其達(dá)到峰值強(qiáng)度以后具備同等程度承載力的同時(shí),仍然有能力承擔(dān)圍巖變形。
(2)調(diào)整錨桿安裝時(shí)機(jī)和預(yù)張拉水平,使用能夠抵抗大變形的屈服性錨桿或錨索。適當(dāng)延后永久支護(hù)的安裝時(shí)間,在早期相對快速的變形發(fā)生以后再安裝系統(tǒng)支護(hù),使系統(tǒng)支護(hù)主要起到控制大變形發(fā)展速度和維持圍巖長期穩(wěn)定性的作用。
(3)使用可調(diào)式錨索,即安裝后若錨索應(yīng)力偏低,可以進(jìn)行二次張拉提高錨固力,錨索應(yīng)力接近設(shè)計(jì)允許值時(shí),可以放松錨索降低其受力水平。可調(diào)式錨索已經(jīng)在國外一些工程中使用,與普通錨索在設(shè)備和施工技術(shù)要求上基本沒有差別,僅需要在工藝上進(jìn)行適當(dāng)改造,工程應(yīng)用具有可行性。
(4)掌握各種支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合作用機(jī)理,調(diào)節(jié)各支護(hù)結(jié)構(gòu)的施作時(shí)間,使錨桿、錨索、金屬網(wǎng)、混凝土噴層和鋼拱架等支護(hù)措施充分發(fā)揮協(xié)同作用來維持圍巖和結(jié)構(gòu)的長期穩(wěn)定性。
(5)面對軟巖擠壓問題,噴層的厚度、強(qiáng)度和施作時(shí)機(jī)均是關(guān)鍵,有必要時(shí)需分層多次噴射。有條件可采用鋼纖維混凝土噴層或納米混凝土噴層。
深埋軟巖隧洞的施工爆破開挖一般應(yīng)遵循“弱爆破、短進(jìn)尺、早噴錨、強(qiáng)支護(hù)、緊封閉成拱”的基本原則,并加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與動態(tài)監(jiān)測反饋等,以實(shí)現(xiàn)對施工全過程的有效管控。
2.4.1 分層分幅分序開挖
針對深埋軟巖大斷面水工隧洞,建議采用分層分幅分序的開挖方案。包括隧洞分上下層開挖,在上層開挖時(shí)采用導(dǎo)洞、分幅開挖,在進(jìn)尺方向上視情況分序開挖,并綜合擬定三維層次化開挖支護(hù)方案,以盡量降低開挖擾動對圍巖的不利影響,為系統(tǒng)噴錨支護(hù)和鋼支撐施作提供合理可行的時(shí)間及空間,并在確保施工安全與圍巖穩(wěn)定的前提下注重建設(shè)效率的提升。同時(shí),掌子面受軟巖各向異性及高地應(yīng)力的影響突出,存在不均勻擠壓變形風(fēng)險(xiǎn),需嚴(yán)格限制每個(gè)循環(huán)的開挖進(jìn)尺,根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),建議最大進(jìn)尺不宜超過2 m。此外,對局部洞段圍巖自穩(wěn)能力差、極易掉塊或坍塌部位,建議進(jìn)行適當(dāng)超前支護(hù),比如深孔注漿、長大管棚、超前錨桿等,并在開挖面形成后立即進(jìn)行混凝土噴護(hù)或初期噴錨支護(hù),以延長圍巖自穩(wěn)持時(shí)。
2.4.2 優(yōu)化爆破設(shè)計(jì)參數(shù)
受制于片狀巖體的特殊巖體結(jié)構(gòu)效應(yīng),片巖隧洞在開挖過程中的爆破振動作用機(jī)理與常規(guī)巖體會有較大差異,其破巖過程因存在優(yōu)勢方向,將直接影響最終開挖成型效果。因此,要求施工承包人在施工過程中充分依據(jù)設(shè)計(jì)文件、地質(zhì)情況、爆破材料性能及鉆孔機(jī)械等條件進(jìn)行精細(xì)化爆破設(shè)計(jì),并通過積極開展現(xiàn)場爆破振動測試確定合理的爆破參數(shù),嚴(yán)格控制裝藥量和單響藥量,以防止過大的振動對圍巖的不良影響。鑒于工程問題的復(fù)雜性,還需通過不斷積累總結(jié)經(jīng)驗(yàn),調(diào)整優(yōu)化爆破參數(shù)或改善施工方法。
2.5.1 現(xiàn)場施工地質(zhì)預(yù)測預(yù)報(bào)
隧洞開挖在穿越斷層、軟弱帶等不利地質(zhì)條件洞段時(shí),容易出現(xiàn)較大規(guī)模松弛或塌落現(xiàn)象?,F(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)跟蹤及預(yù)測預(yù)報(bào)工作,充分利用前期地質(zhì)勘探資料及施工期超前物探與現(xiàn)場開挖揭示的地質(zhì)信息,對隧洞掌子面前方可能出現(xiàn)的不良水文及工程地質(zhì)問題,及早預(yù)警預(yù)報(bào),以便及時(shí)采取恰當(dāng)?shù)氖┕こ绦蚣爸ёo(hù)措施,以抑制不良地段圍巖發(fā)生大變形甚至塌方等工程安全風(fēng)險(xiǎn)。考慮到深埋軟巖隧洞的開挖施工難度極大,應(yīng)充分發(fā)揮地質(zhì)及設(shè)計(jì)人員在復(fù)雜地下工程建設(shè)中的主觀能動性。
2.5.2 施工期監(jiān)測反饋分析及動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)
深埋軟巖隧洞開挖穩(wěn)定問題有其復(fù)雜性和不確定性,建議開展全過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測反饋分析及動態(tài)開挖支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。在施工階段,應(yīng)注重現(xiàn)場安全監(jiān)測和檢測工作,及時(shí)復(fù)核各洞段圍巖分類、水文地質(zhì)條件、地應(yīng)力場及物理力學(xué)參數(shù),以典型監(jiān)測斷面為例,重點(diǎn)研究施工開挖、圍巖變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力三者之間的信息傳遞與時(shí)空響應(yīng)機(jī)制,精準(zhǔn)地預(yù)測分析圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性特征,動態(tài)調(diào)整優(yōu)化開挖支護(hù)的具體方案和實(shí)施時(shí)機(jī),以達(dá)到深埋隧洞建設(shè)圍巖穩(wěn)定、安全快速施工、經(jīng)濟(jì)合理的目的。
深埋軟巖工程問題需從軟巖力學(xué)特性、隧洞方案布置、系統(tǒng)支護(hù)設(shè)計(jì)、爆破開挖控制、施工地質(zhì)工作、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、安全監(jiān)測預(yù)警與動態(tài)反饋分析等方面采取一系列的應(yīng)對措施,來保證工程的安全高效施工和圍巖穩(wěn)定。依托某深埋軟巖水工隧洞,主要認(rèn)識有:
(1)深埋軟質(zhì)片巖的各向異性突出,優(yōu)勢片理面對軟巖隧洞圍巖穩(wěn)定的影響具有明顯的方向性。經(jīng)綜合分析,推薦洞軸線走向?yàn)镹4°W,與片理面斜交,可較好規(guī)避片巖各向異性的不利影響。
(2)深埋軟巖隧洞工程環(huán)境復(fù)雜、各向異性突出、擠壓變形明顯,建議采用3%~5%的收斂應(yīng)變率作為圍巖變形控制標(biāo)準(zhǔn),以確保圍巖開挖后不發(fā)生顯著失穩(wěn)破壞與侵陷問題。當(dāng)圍巖質(zhì)量較好時(shí),控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)更為嚴(yán)格。
(3)深埋軟巖水工隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)秉承圍巖是隧洞承載和防滲的主體的設(shè)計(jì)理念,但在面臨突出擠壓變形問題時(shí),需嚴(yán)格采用“逐次施加、先柔后剛、多步控制”的漸進(jìn)支護(hù)方式進(jìn)行圍巖穩(wěn)定調(diào)控,以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)合理的目的。在施工期,圍巖穩(wěn)定主要依靠噴錨支護(hù)及圍巖自承載能力,運(yùn)行期則依靠隧洞圍巖、系統(tǒng)支護(hù)和襯砌結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載。