喬國龍，孟懷宇

（1.遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧本溪 117200；2.遼寧省水資源管理集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 110000）

0 引言

TBM法開挖隧洞具有成型斷面好、圍巖擾動小、支護(hù)跟進(jìn)及時等特點(diǎn)，對圍巖地質(zhì)條件良好的洞段進(jìn)行支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，能夠最大限度地利用圍巖自身承載力來滿足工程運(yùn)行需要，同時加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資，因此，支護(hù)參數(shù)優(yōu)化十分必要。

工程是遼寧省重點(diǎn)輸水工程的一部分，主體工程為隧洞工程。主洞長18.9 km，TBM施工段共計10.7 km，其中Ⅱ～Ⅲ類圍巖段7.6 km。TBM施工段斷面為圓形，開挖洞徑為8.0 m?；诔踉O(shè)階段地勘成果，TBM開挖Ⅱ～Ⅲ類圍巖洞段錨噴支護(hù)采用：局部噴150 mm厚的C30混凝土，布設(shè)局部錨桿φ22，入巖長2.5 m，局部頂拱掛網(wǎng)φ8@200 mm×200 mm?；炷烈r砌采用采用C30，襯砌厚度為300 mm。實(shí)際開挖過程中，由于圍巖強(qiáng)度和石英含量對比前期地勘成果均有較大幅度增加，加之TBM開挖松動圈較小，同時為加快施工進(jìn)度，節(jié)省工程投資，故考慮對TBM開挖Ⅱ～Ⅲ類圍巖洞段支護(hù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 優(yōu)化依據(jù)

1）SL279-2002《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》表9.1-2規(guī)定“非限裂設(shè)計原則下，Ⅲ類圍巖不襯砌、混凝土、錨噴”，該段工程TBM開挖段為無壓隧洞，非限裂設(shè)計，Ⅱ、Ⅲ類圍巖取消襯砌滿足規(guī)范要求。

2）SL377-2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》表9.1-4規(guī)定“Ⅲ類圍巖洞室開挖跨度5≤B≤10，支護(hù)方式為120 mm鋼筋網(wǎng)噴射混凝土或80～100 mm鋼筋網(wǎng)噴射混凝土，布置長2.0～3.0 m、間距1.0～1.5 m砂漿錨桿”。此次優(yōu)化基于揭露圍巖地質(zhì)條件的提高，按規(guī)范關(guān)于Ⅲ類圍巖支護(hù)的規(guī)定，錨噴支護(hù)可作為永久性支護(hù)，優(yōu)化設(shè)計滿足規(guī)范要求。

3）工程類比。遼寧省大伙房水庫輸水工程與該工程在圍巖條件、隧洞斷面型式、支護(hù)模式、施工方法、輔助工法等方面具有類似性，且工程自運(yùn)行以來，狀態(tài)良好，基本未發(fā)現(xiàn)噴錨掉塊現(xiàn)象，對工程有借鑒意義。

根據(jù)工程類比，并結(jié)合有關(guān)規(guī)范規(guī)定，此次優(yōu)化設(shè)計可行。

2 優(yōu)化分析

2.1 結(jié)構(gòu)計算假定

隧洞襯砌結(jié)構(gòu)計算根據(jù)襯砌型式、圍巖條件、荷載作用形式，確定合適的計算方法和計算模型，初步規(guī)定：對于Ⅱ類、Ⅲa、Ⅲb類圍巖洞段，視圍巖是承受荷載的主體，分析圍巖穩(wěn)定性和進(jìn)行斷面結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.2 計算方法及計算程序

《同濟(jì)曙光—有限元正分析平臺2010》軟件中地層結(jié)構(gòu)法計算，該程序由上海同巖土木工程科技有限公司編制。

《FLAC3D》是美國Itasca咨詢公司開發(fā)的三維快速拉格朗日分析程序，該程序采用有限差分方法進(jìn)行計算，在模擬巖土工程問題方面，比有限元的數(shù)值積分更精確。

《SDCAD5.0》程序計算，由中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計院工程設(shè)計院編制。

2.3 設(shè)計荷載及荷載組合

2.3.1 設(shè)計荷載確定

1）圍巖壓力。對Ⅱ類圍巖，考慮把巖體作為主要承載結(jié)構(gòu)，可不計圍巖的松動壓力。對開挖后的孔口周邊應(yīng)力及最大位移進(jìn)行分析，必要時進(jìn)行支護(hù)處理。對Ⅲ類圍巖，首先進(jìn)行無支護(hù)時的最大位移分析，對滿足允許位移值的Ⅲ類圍巖洞段，可不計圍巖的松動壓力。但需要根據(jù)圍巖的完整性、透水性、軟化性及耐久性要求進(jìn)行襯砌設(shè)計。

2）外水壓力。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料及鉆孔壓水試驗(yàn)成果，此段工程巖體透水率小，屬地下水貧乏區(qū)。借鑒大伙房水庫輸水工程經(jīng)驗(yàn)，為減少外水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的不利影響，在做好排水措施前提下，一般隧洞巖體段統(tǒng)一取外水壓力0.05 MPa。

3）圍巖彈性抗力。對于隧洞的襯砌，具備下列條件才可考慮彈性抗力，即：洞周沒有不利的滑動面，在內(nèi)水壓力作用下不致產(chǎn)生滑動和抬動；圍巖厚度大于隧洞開挖直徑的3倍；襯砌和圍巖間的空隙必須回填密實(shí)。

2.3.2 荷載組合

1）計算工況。運(yùn)行期持久狀況；檢修（施工）偶然狀況。

2）荷載作用效用組合。運(yùn)行期：圍巖壓力（地應(yīng)力）+襯砌自重+彈性抗力+內(nèi)水壓力+外水壓力；檢修期：圍巖壓力（地應(yīng)力）+襯砌自重+彈性抗力+外水壓力；施工期：圍巖壓力（地應(yīng)力）+襯砌自重+彈性抗力+灌漿壓力。

2.3.3 計算斷面參數(shù)

支護(hù)設(shè)計斷面參數(shù)、材料物理力學(xué)參數(shù)見表1，2。

表1 支護(hù)設(shè)計

表2 支護(hù)材料的物理力學(xué)參數(shù)表

3 隧洞支護(hù)計算分析

3.1 同濟(jì)曙光計算

1）計算模型

隧洞最大開挖跨度8 m，最大開挖高度8 m，高跨比為1.0。計算模型圍巖選取樁號D136+422～D144+911 km之間的Ⅲb類圍巖，根據(jù)地勘報告此范圍巖埋深在30～430 m之間。報告計算中選取200 m埋深進(jìn)行計算，開挖支護(hù)圖如圖1所示。

圖1 無壓隧洞Ⅲb類圍巖開挖支護(hù)圖

2）圍巖支護(hù)參數(shù)

計算選取樁號段的Ⅲb類圍巖參數(shù)，100 mm厚C30噴射混凝土。具體參數(shù)見表3。

表3 圍巖及支護(hù)襯砌結(jié)構(gòu)有限元計算參數(shù)表

有限元數(shù)值分析采用平面應(yīng)變彈塑性本構(gòu)模型和D-P屈服準(zhǔn)則，噴射混凝土層采用桿單元模擬。

開挖采用全斷面一次性開挖，計算荷載只考慮地應(yīng)力（自重應(yīng)力+構(gòu)造應(yīng)力）。

3）計算結(jié)果

①圍巖變形。圖2為圍巖開挖后的位移填色圖（單位：mm）。

通過填色圖可以看出，圍巖開挖變形最大值主要發(fā)生在拱腰部位以及頂拱和底板中央部位。故選取此4處典型部位進(jìn)行變形特性分析。變形趨勢：頂拱下沉，兩側(cè)向臨空面收斂，底板上鼓。典型部位位移值見表4。

表4 圍巖開挖后典型部位變形量表mm

開挖后，拱頂最大下沉量為20.5 mm，底板上鼓量為17.7 mm，邊墻向洞內(nèi)最大收斂值為3.9 mm；水平相對位移7.5 mm，豎向相對位移38.2 mm。

從計算得出：隧洞開挖水平相對位移為0.007 5/8.0×100%=0.094%，豎向相對位移為0.038 2/8.0×100%=0.478%，小于規(guī)范限值，所以隧洞開挖變形量都在穩(wěn)定范圍內(nèi)。

②圍巖應(yīng)力分析。圖3為圍巖噴錨后最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力填色圖。從圖3中可以看出，應(yīng)力值比較大的部位位于拱頂、拱肩、拱腰、拱腳。

圖3 主應(yīng)力填色圖

典型部位的最大、最小主應(yīng)力值見表5。

表5 圍巖全斷面開挖主應(yīng)力結(jié)果表kPa

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)手冊》，常見巖石抗拉強(qiáng)度值見表6。

表6 常見巖石抗拉強(qiáng)度kg/cm2

綜上分析，按照既定斷面尺寸在Ⅲb類圍巖中全斷面開挖，圍巖比較穩(wěn)定，圍巖不發(fā)生屈服破壞。

3.2 FLAC3D計算

1）幾何模型建立

選取隧洞上下及兩側(cè)各40 m（5倍洞徑）區(qū)域作為計算范圍，整個模型共剖分了3 900個單元。計算采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日差分法（FLAC），摩爾—庫倫本構(gòu)模型。

2）邊界條件

模型四周采用固定約束，地應(yīng)力以水平應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力方向與主隧洞軸線方向基本一致或夾角較小，其水平主壓應(yīng)力值與深度的線性回歸關(guān)系如下：深度0～400 m，σH=7.85+0.031H；深度 400～650 m，σH=20 MPa；深度大于 650 m，σH=-25.73+0.069H。其中，H為深度，m。此外，豎直應(yīng)力采用自重應(yīng)力。

3）計算參數(shù)選取，見表3。

4）計算結(jié)果

①隧洞周邊允許相對位移值，見表7。

表7 允許相對位移值m

從表8可以看出，只有600 m埋深無支護(hù)情況下不滿足規(guī)范條件，在錨桿支護(hù)后即可滿足規(guī)范值要求。隧洞斷面橫向及豎向位移值見圖4。

②塑性區(qū)

從塑性區(qū)發(fā)展上看（圖5），破壞區(qū)域并未沿環(huán)向完全貫通，破壞區(qū)域主要集中在頂拱和仰拱部位，適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)可以減小塑性區(qū)和圍巖松動圈發(fā)展范圍，有利于圍巖的穩(wěn)定。

綜上所述，建議進(jìn)行錨噴支護(hù)處理，錨桿間距1.2～1.5 m，排距1.2～1.5 m，長2 m，無需襯砌支護(hù)。

3.3 SDCAD5.0計算

計算所采用的程序是“水工隧洞鋼筋混凝土襯砌計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)SDCAD5.1”，采用線彈性有限元法計算。計算成果見表8。

綜上所述，各種工況下錨噴支護(hù)均能滿足要求；由于此計算方法無法填加水平應(yīng)力，所以計算數(shù)值均小于前2種方法。

4 結(jié)論

圖4 165 m埋深位移圖

圖5 塑性區(qū)圖

表8 內(nèi)力計算成果表

上述3種軟件計算來看，TBM開挖段Ⅱ～Ⅲ類圍巖錨噴支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定范疇。同濟(jì)曙光基于有限元理論，F(xiàn)LAC3D基于有限差分法理論，同濟(jì)曙光計算成果與FLAC3D計算成果水平向位移有所差別，這與軟件中構(gòu)造應(yīng)力的選取有關(guān)。根據(jù)位移和應(yīng)力云圖，F(xiàn)LAC3D更接近規(guī)范和現(xiàn)場實(shí)際情況，計算結(jié)論以FLAC3D結(jié)論為主。

通過分析計算可以得出：隧洞Ⅲ類圍巖相對位移值上看，無支護(hù)情況下不滿足規(guī)范條件，在錨桿支護(hù)后即可滿足規(guī)范值要求，支護(hù)參數(shù)較為合理；從塑性區(qū)發(fā)展上看，破壞區(qū)域并未沿環(huán)向完全貫通，破壞區(qū)域主要集中在頂拱和仰拱部位，適當(dāng)?shù)闹ёo(hù)可以減小塑性區(qū)和圍巖松動圈發(fā)展范圍，有利于圍巖的穩(wěn)定；對于Ⅱ～Ⅲ類圍巖，由于圍巖整體穩(wěn)定，一般不會產(chǎn)生塑性變形，在不支護(hù)情況下大部分能滿足規(guī)范要求。隧洞斷面滿足規(guī)范位移要求,初選的支護(hù)參數(shù)較為合理。

綜合分析認(rèn)為，TBM開挖段Ⅱ～Ⅲ類圍巖進(jìn)行錨噴支護(hù)處理，錨桿間距1.2～1.5 m，排距1.2～1.5 m，長2 m，無需襯砌支護(hù)即可滿足要求，此次優(yōu)化計算合理，結(jié)果可行。