王凱生，周應祥，王紅帥

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

在新時代推進西部大開發(fā)形成新格局的影響下，新疆大力開展水利工程建設，其中超長輸水隧洞在新疆水利發(fā)展布局中起著至關重要的作用。由于超長隧洞的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜這一特殊性，目前國內(nèi)對于長距離隧洞常采用TBM(全斷面硬巖掘進機)結(jié)合鉆爆法(用于機組檢修、組裝洞段)進行組合施工，大多數(shù)學者結(jié)合不同地質(zhì)條件的隧洞對TBM機組及施工關鍵技術進行研究，例如宋法亮等[1]根據(jù)高黎貢山隧道具有的高地應力、多斷層破碎帶的復雜地質(zhì)條件，通過調(diào)研實際案例，提出鋼筋排、鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時支護方案，并結(jié)合TBM機實際施工工序，設計高適應性的TBM以此減少由地質(zhì)因素引起的施工質(zhì)量及安全影響；洪開榮等[2]通過對TBM刀盤磨損試驗，結(jié)合對搭式HSP法、RTP巖體溫度法的超前地質(zhì)預報對高黎貢山隧道的TBM進行高適應性機組設計；吳世勇等[3]通過對錦屏二級水電站中深埋特長引水隧洞存在的高地應力、突涌水、溶洞以及斷層破碎帶等工程地質(zhì)問題進行分析，對其TBM施工工法進行研究，針對性地提出不良地質(zhì)條件下的施工措施；周建軍等[4]結(jié)合傳統(tǒng)鉆爆法和TBM導洞擴挖技術，研究不同工法結(jié)合的適應性，以此解決TBM遇軟弱地層引起的卡盾(大變形)問題；李建華等[5]針對深埋隧洞TBM掘進的關鍵技術問題，結(jié)合類似工程經(jīng)驗，提出圍巖與TBM相互作用機制理論、TBM適應性評價指標以及安全評估方法；李濤[6]通過現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值分析方法，以圍巖穩(wěn)定性判別標準和巖體完整性指標為基礎，探究隧洞破碎圍巖段噴錨支護技術；馬騁[7]等就TBM卡機施工程實例，分析塌方地質(zhì)與設備受損情況，提出針對性TBM脫困措施；鄧銘江等[8]結(jié)合北疆供水二期工程中TBM、盾構(gòu)并結(jié)合鉆爆法施工的特性，對提高TBM安全高效掘進技術水平提出了超前地質(zhì)預報技術、適應性裝備、智能化掘進、設備狀態(tài)實時監(jiān)測技術以及輔助破巖技術的發(fā)展研究方向。

由于TBM配套支護機組中機身固定機組(撐靴)以及一定施作范圍機組(護盾、錨桿鉆機)的區(qū)域工作特性，導致支護措施以及結(jié)構(gòu)施工的工序是根據(jù)不同類級圍巖進行調(diào)整的，部分學者針對TBM機施工支護與圍巖的相互作用機理進行了三維數(shù)值模擬研究，如：程建龍等[9]采用FLAC3D數(shù)值模擬雙護盾TBM在復合地層條件的圍巖掘進過程，研究圍巖變形、護盾受力特性以及相互作用機制；蔣邦友[10]以巖爆地質(zhì)條件為背景，結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析以及真三軸試驗，研究TBM施工中發(fā)生巖爆的孕育機制以及演化過程；唐彬[11]通過巖塊三軸壓縮試驗提供數(shù)據(jù)模擬TBM掘進過程中圍巖擾動、應力場以及位移演化過程，并結(jié)合應力、位移現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行施工支護的參數(shù)優(yōu)化設計；楊曉剛[12]以八十一大坂隧洞為仿真模擬的工程背景，進行仿真模擬研究TBM實際施工工序和工作參數(shù)，優(yōu)化設計參數(shù)，提出數(shù)值模擬結(jié)合三維動態(tài)可視化系統(tǒng)的嶄新分析方法。

由于超長輸水隧洞常伴隨不同圍巖類級劃分，其支護結(jié)構(gòu)設計參數(shù)也隨之變化，因此本文以新疆某大型輸水隧洞工程為依托，主要在不同圍巖工況下，利用已施工支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，對TBM隧洞初期支護結(jié)構(gòu)施工過程進行三維有限元數(shù)值模擬，分析不同圍巖的穩(wěn)定和初期支護結(jié)構(gòu)的受力特性，為初期支護結(jié)構(gòu)的安全分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 工程概況

新疆某輸水工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，由攔河引水樞紐、5條輸水隧洞、1座輸水渡槽、3座輸水倒虹吸、3座節(jié)制退(分)水閘、入庫建筑物等組成，輸水線路全長148.246km。其中輸水隧洞，總長為140.771km，采用5臺TBM施工，開挖直徑為7.8m。該工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜，隧洞主要通過的地層巖性有奧陶系中上統(tǒng)哈巴河組黑云母石英片巖、二云石英片巖、華力西晚期變質(zhì)花崗巖夾閃長巖、黑云母斜長花崗巖、片麻狀花崗巖等。

根據(jù)前期地質(zhì)勘探得知，全線洞段共分為4種圍巖類別，分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖甄別過程部分巖性類似Ⅳ類圍巖，為了保證支護結(jié)構(gòu)安全，對Ⅲ類圍巖進一步細分為Ⅲa、Ⅲb類，其對應的初期支護設計參數(shù)也有變化，根據(jù)現(xiàn)場實際圍巖揭露及支護情況，Ⅱ類、Ⅲa類支護情況良好，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類支護存在圍巖變形收斂較大情況，因此本文選取計算斷面為Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段中地質(zhì)巖性相對較差、覆蓋面最廣、最長，并考慮現(xiàn)場監(jiān)測對支護結(jié)構(gòu)影響最大以及特殊地層(斷層帶)的洞段，其目的為校核支護結(jié)構(gòu)安全裕度以及分析圍巖變形較大原因，計算斷面具體條件見表1。

表1 計算斷面地質(zhì)條件 單位：m

Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖初期支護結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)如下。

圖1 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

(1)Ⅲb類圍巖段初期支護設計：全斷面噴護12cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.5m，并架設HW125型鋼拱架，榀距1.5～2.0m。

(2)Ⅳ類圍巖段初期支護設計：全斷面噴護20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.2m，并架設HW150型鋼拱架，榀距1.2～1.5m。

(3)Ⅴ類圍巖段，初期支護設計：全斷面噴護20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.5m，間、排距1.0m，并架設HW150型鋼拱架，榀距0.9～1.2m。

2 TBM開挖仿真模擬

2.1 設計模型的選擇

設計模型采用地層-結(jié)構(gòu)模型，該模型能夠利用圍巖自身承載力，結(jié)合初期支護結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)聯(lián)合承載山巖壓力，并能很好的抑制圍巖持續(xù)變形，實現(xiàn)洞周快速自穩(wěn)。由于研究對象是深埋地下洞室支護結(jié)構(gòu)及圍巖，根據(jù)工程地質(zhì)學中的常取3～5倍洞徑范圍作為影響圈邊界的計算域，結(jié)合實際工程TBM機掘進工序(距離掌子面60m后噴射混凝土)選取圍巖計算范圍：上下左右尺寸均大于5倍洞徑，前后尺寸結(jié)合TBM機噴混工作臺距離，即水平方向?qū)?00m，垂直方向高100m，開挖方向長78m，計算模型整體視為三維應力-應變問題，采用彈塑性本構(gòu)關系。模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，圍巖整個模型共劃分三維實體單元21216個、Ⅲb類圍巖錨桿單元4992個、拱架單元1664個；Ⅳ類圍巖錨桿單元6240個、拱架單元2080個；Ⅴ類圍巖錨桿單元7488個、拱架單元為2496個；巖體、混凝土采用8節(jié)點6面體實體單元模擬，錨桿采用桿件單元模擬，拱架采用梁單元模擬。假定地層、噴混、錨桿和拱架材料均為各向同性。

圖2 計算模型及有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)及邊界條件

模型參數(shù)的選取是綜合勘察期、施工期巖塊試驗成果，類比附近已建工程巖體的原位試驗成果，結(jié)合施工揭露的圍巖基本地質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)面性狀，并參考SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄B各類圍巖物理力學參數(shù)經(jīng)驗取值，提出本次選取斷面的巖體參數(shù)具體見表2。

表2 計算斷面圍巖地質(zhì)參數(shù)

位移邊界參考相關文獻[7-10]確定：頂部自由，沿洞軸線兩側(cè)、前后平面法向約束，底部平面法向和切向約束。

荷載邊界：初始荷載為除各部件自重外，模型上部邊界施加均布荷載，上部荷載邊界主要分為覆蓋層壓力和外水壓力，其中外水壓力根據(jù)現(xiàn)場已開挖洞段地下水活動狀態(tài)資料近似取值；掘進荷載是根據(jù)現(xiàn)場施工單位提供刀盤推力以及護盾頂部油缸壓力進行推算后，以均布荷載的形式，在開挖每循環(huán)中作用到隧洞周圍以及掌子面。

2.3 開挖及初期支護仿真數(shù)值模擬關鍵技術

模擬隧洞開挖至初期支護施工全過程：隧洞的開挖問題實質(zhì)主要是應力的釋放，TBM開挖施工步驟十分復雜，其涉及護盾臨時支撐開挖過程中的應力釋放，出護盾后錨桿與拱架施工應力重分布、開挖至掌子面距離60m后的噴混施工應力重分布問題。因此，初期支護施工過程主要研究對象為圍巖收斂變形，即圍巖水平位移、豎向位移、錨桿、拱架和噴層受力特性。有限元計算中，初期支護施工時巖體應力釋放，若直接根據(jù)施工工序模擬，巖體應力早已有所釋放，初期支護體系起不到及時支撐作用，所以，考慮到隧洞開挖中的地層損失，結(jié)合該工程，將巖體進行分區(qū)，分為開挖區(qū)和洞周巖體影響區(qū)，開挖前采用軟化模量法對開挖區(qū)的彈性模量進行軟化，以此模擬開挖施工過程部分應力釋放。

計算模擬過程中，由于護盾長6m，為了模擬隧洞開挖出護盾過程，開挖步進為3m一循環(huán)，開挖2循環(huán)后，下一循開始前施作對應圍巖類別的錨桿和拱架，并去除最后1循環(huán)的護盾單元；由于初期支護噴射混凝土在掌子面開挖60m后施作，因此，噴層在模型拱架、錨桿施作60m后直接施作上去；整體總共設置了88個計算步(STEP)，具體內(nèi)容說明如下：

(1)初始地應力工況，根據(jù)地質(zhì)實測，考慮水平應力，圍巖網(wǎng)格單元進行應力賦值，以便仿真模擬巖體內(nèi)力，重新建立一個相同圍巖模型，對其進行邊界條件控制，強制讓邊界發(fā)生位移，使網(wǎng)格在自重及水平應力條件下產(chǎn)生應力重分布(構(gòu)造應力)，經(jīng)過反復試算直到與現(xiàn)場實際圍巖應力相符后，將網(wǎng)格各節(jié)點應力導入到需要開挖計算的模型中，并鎖死巖體模型最外位移邊界，以此模擬不受擾動圍巖。

(2)開挖前軟化開挖區(qū)域單元，以此模擬刀盤開挖擾動的掌子面圍巖。

(3)在開挖區(qū)域未去除前，施加錨桿、拱架單元施，使其支護結(jié)構(gòu)在巖體未卸荷前發(fā)揮支撐作用，其中Ⅴ類圍巖考慮應急噴混單元的施作。

(4)在開挖60m后，直接施作噴混，Ⅴ類圍巖應急噴混除外。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 初期支護安全評價指標

當隧洞開挖，原始平衡狀態(tài)被打破，圍巖向洞內(nèi)變形，直至重新達到平衡狀態(tài)，其變形情況與圍巖類別、埋深、地下水及構(gòu)造應力等多方面情況有關，為保證隧洞結(jié)構(gòu)安全和設計界限要求，需進行支護以阻止圍巖變形過大并盡快達到平衡，防止出現(xiàn)坍塌，并根據(jù)相關規(guī)范規(guī)定，確定圍巖變形指標和安全系數(shù)控制值，假定其作為圍巖穩(wěn)定性評定指標，結(jié)合初期支護結(jié)構(gòu)安全性輔以說明，綜合評價圍巖穩(wěn)定性，具體指標如下。

3.1.1圍巖變形控制指標

根據(jù)中華人民共和國電力行業(yè)標準DL/T 5415—2009《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術規(guī)程》中附錄M1中的規(guī)定，隧洞周邊允許位移相對值應符合規(guī)定。

結(jié)合該隧洞開挖洞徑為7.8m，高跨比為1，適用于上表情況，計算可得該隧洞洞周允許相對收斂變形如下表所示。根據(jù)相關專業(yè)隧道設計規(guī)范要求，拱頂下沉值和底部隆起值按照表4中的1倍選用，見表5。

表3 隧洞周邊允許位移相對值 單位：%

表4 洞周允許收斂 單位：mm

表5拱頂下沉和底部隆起控制值 單位：mm

3.1.2錨桿受力控制指標

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》中第4.2.3條規(guī)定，普通鋼筋的抗拉強度設計值、抗壓強度設計值應按表6采用。根據(jù)該隧洞現(xiàn)場錨桿牌號為HRB400，因此錨桿抗拉強度指標為360MPa，抗壓強度指標為360MPa。

表6 普通鋼筋強度設計值 單位：MPa

3.1.3型鋼拱架受力控制指標

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設計標準》中第5.4.1條規(guī)定，鋼材的強度設計值見表7，結(jié)合該隧洞支護結(jié)構(gòu)中選用的型鋼拱架型號為HW125和HW150，因此，型鋼拱架的強度控制指標為215MPa，端面承壓320MPa。

表7 鋼材的強度設計值 單位：MPa

3.1.4噴射混凝土受力控制指標

根據(jù)GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規(guī)范》中第4.3.1條規(guī)定，不同強度等級噴射混凝土的設計強度應按表8采用。結(jié)合該隧洞噴射混凝土強度等級為C30，因此，噴射混凝土抗壓強度指標為12.5MPa，抗拉強度指標為1.3MPa。

表8 噴射混凝土的強度設計值 單位：MPa

根據(jù)以上規(guī)范規(guī)定，采用綜合多指標評級圍巖穩(wěn)定，通過數(shù)值法求強度折減系數(shù)、圍巖變形、變形監(jiān)測收斂速率為主要評價依據(jù)，結(jié)合初期支護結(jié)構(gòu)和塑性區(qū)分布情況輔以評價圍巖穩(wěn)定。

3.2 Ⅲb類圍巖初期支護數(shù)值模擬分析

3.2.1圍巖收斂變形

為了減小模型邊界影響，選取中間部分圍巖進行收斂變形分析；圍巖拱頂與底部收斂變形云圖如圖3所示，圍巖變形計算結(jié)果見表9。結(jié)果表明，圍巖收斂為拱頂范圍沉降，底部隆起，邊墻兩側(cè)向外變形；Ⅲb類圍巖變形較小，最大拱頂沉降為14.7mm，底部隆起最大值為12mm，小于洞內(nèi)允許收斂值46.8mm，水平收斂為最大值為10.4mm，小于93.6mm。塑性區(qū)范圍在洞周拱肩及鎖腳部位為2～3m處較大。

圖3 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

表9 Ⅲb類圍巖變形計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：mm

3.2.2支護結(jié)構(gòu)受力

初期支護結(jié)構(gòu)受力云圖如圖4所示，初期支護結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果見表10，初期支護結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應力為26.9MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為31.8MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.044MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.062MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖4 初期支護受力分布云圖

表10 Ⅲb類初期支護受力計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：MPa

3.3 Ⅳ類圍巖初期支護數(shù)值模擬分析

3.3.1圍巖收斂變形

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖5所示，圍巖變形計算結(jié)果見表11，結(jié)果表明，圍巖變形收斂趨勢同Ⅲb相同，但圍巖變形相對較大，最大拱頂沉降為13.8mm，底部隆起最大值為11.9mm，均小于洞內(nèi)允許收斂值78mm，水平收斂為最大值為24.6mm，小于156mm。塑性區(qū)范圍主要分布在邊墻兩側(cè)為2.5～3.5m。

表11 Ⅳ類圍巖變形計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：mm

圖5 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

3.3.2支護結(jié)構(gòu)受力

初期支護結(jié)構(gòu)受力云圖如圖6所示，初期支護結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果見表12，初期支護結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應力為312MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為291MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.058MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖6 初期支護受力分布云圖

表12 Ⅲb類初期支護受力計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：MPa

3.4 Ⅴ類圍巖初期支護數(shù)值模擬分析

3.4.1圍巖收斂變形

由于實際工程的反饋，相對較差的Ⅴ圍巖按TBM機組固定的噴混橋(距離掌子面60m)施工，圍巖收斂變形較大，存在卡機的安全隱患，因此，本文的Ⅴ圍巖仿真模擬開挖支護過程中噴混是結(jié)合現(xiàn)場實際的應急噴混進行模擬的，應急噴混措施為出護盾立即噴混。

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖7所示。圍巖變形計算結(jié)果見表13，結(jié)果表明，圍巖變形最大，最大拱頂沉降為55.4mm，底部隆起最大值為40.7mm，均小于洞內(nèi)允許收斂值117mm，水平收斂為最大值為86mm，小于234mm。洞周均發(fā)生塑性破壞，邊墻兩側(cè)范圍最大約為4m。

圖7 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

表13 Ⅴ類圍巖變形計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：mm

3.4.2支護結(jié)構(gòu)受力

初期支護結(jié)構(gòu)受力云圖如圖8所示，初期支護結(jié)構(gòu)受力計算結(jié)果見表14，初期支護結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應力為306MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為311MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.042MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖8 初期支護受力分布云圖

表14 Ⅴ類初期支護受力計算結(jié)果統(tǒng)計表 單位：MPa

3.5 TBM掘進過程中巖體穩(wěn)定分析

由于Ⅴ類圍巖地質(zhì)條件最差，就TBM掘進過程對已聯(lián)合支護結(jié)構(gòu)形成自穩(wěn)的洞段影響最大，因此，本文對Ⅴ類圍巖開挖掘進過程進行測點位移分析。根據(jù)上述圍巖收斂分布云圖，在拱頂、拱腰、拱底中間部分對應取點進行開挖施工過程圍巖變形分析，其中結(jié)點間距離為3m，圖9為拱頂、拱腰、拱底結(jié)點選取圖。

圖9 圍巖拱頂、拱底收斂變形結(jié)點選取圖

圖10為初期支護施工過程圍巖拱頂、拱腰、拱底變形圖，從圖中可以看出，隧洞在未開挖時，圍巖受刀盤擾動，圍巖發(fā)生位移，但變形值相對較??；在出護盾(6m)后，即第3結(jié)點開始掘進時，第1結(jié)點處圍巖出現(xiàn)較為明顯的位移變化，但不是變幅最大時刻，說明開挖掘進過程中，圍巖已在護盾里發(fā)生部分收斂變形，但未發(fā)生較大變形，主要原因是開挖過程中TBM機撐靴使圍巖沒有出現(xiàn)較大的應力釋放；在出護盾后立即施作錨桿、拱架以及應急噴混，圍巖開始出現(xiàn)較大的應力釋放，但在進行后續(xù)開挖，圍巖變形相對于出護盾的時候變形幅度較緩，直至趨于穩(wěn)定，此時距離掌子面已12m左右，說明TBM掘進過程對已初期支護的圍巖擾動范圍為2～3倍洞徑，錨桿、拱架和應急噴混起到了及時支撐作用，與圍巖形成臨時聯(lián)合支護體系，成功抑制圍巖因開挖擾動導致的較大變形。相比于拱頂、拱底處變形，拱腰兩側(cè)變形變化幅度相對較緩。

圖10 為初期支護施工過程拱頂、拱腰、拱底圍巖變形曲線圖

4 結(jié)語

(1)Ⅲb類、Ⅳ類、Ⅴ類采用現(xiàn)階段初期支護能夠滿足圍巖穩(wěn)定，初期支護各結(jié)構(gòu)均在強度設計要求范圍內(nèi)，圍巖收斂呈頂部沉降、底部隆起、邊墻左右兩側(cè)向外延伸的趨勢。

(2)TBM掘進過程對已初期支護的圍巖擾動范圍為2～3倍洞徑，現(xiàn)階段設計的錨桿與拱架起到了及時支撐作用，與圍巖形成聯(lián)合支護體系，可以抑制圍巖因開挖擾動導致的較大變形。

(3)較差的Ⅴ類圍巖部分變形已在護盾內(nèi)發(fā)生，為防止較大幅度的收斂變形導致TBM卡機，建議此類洞段采用出護盾直接施作全套初期支護措施，后續(xù)施工遇到更差的圍巖，還需對現(xiàn)有的支護參數(shù)進行安全裕度的考慮。