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        敞開式TBM通過不良地質(zhì)洞段鋼管片支護(hù)系統(tǒng)研究

        2022-12-19 08:38:14孫強(qiáng)楊海于茂
        東北水利水電 2022年12期
        關(guān)鍵詞:洞段鋼梁管片

        孫強(qiáng),楊海,于茂

        (1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司,天津 300222;2.中衛(wèi)市水務(wù)局,寧夏 中衛(wèi) 755000)

        0 引言

        隨著國內(nèi)城市的快速發(fā)展,各地引調(diào)水工程也越來越多,在長距離引調(diào)水工程中,水工輸水隧洞扮演著重要角色。我國是多山國家,在西部地區(qū)的調(diào)水工程中,隧洞呈現(xiàn)出地質(zhì)條件多樣化、地質(zhì)條件差、埋深大、單洞距離長等特點(diǎn)。

        目前,傳統(tǒng)鋼管片多用在地鐵、公路、鐵路等項(xiàng)目的盾構(gòu)隧道,水工隧洞采用護(hù)盾式TBM 襯砌時,均采用混凝土管片,但未在敞開式TBM 開挖水工隧洞中采用。因此,在充分研究鋼管片優(yōu)缺點(diǎn)的前提下,發(fā)揮鋼管片靈活支護(hù)、襯砌的優(yōu)勢,開發(fā)鋼管片的作用,研究其在敞開式TBM 開挖水工隧洞中的應(yīng)用,意義很大[1,2]。

        本文依托天山輸水隧洞,針對隧洞通過斷層破碎帶、大變形等不良地質(zhì)洞段,開展一種強(qiáng)度高、重量輕、整體裝備速度快、便于加工和修正、施工更靈活的鋼管片支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用技術(shù)研究,可為工程后續(xù)順利施工提供技術(shù)支撐,還可為類似不良地質(zhì)隧洞提供借鑒。

        1 工程背景

        天山輸水隧洞全長約41.8 km,最大埋深約2 268 m,隧洞為無壓洞,縱坡0.177%,采用“TBM+鉆爆法”結(jié)合施工,開挖段由2 臺敞開式TBM 相向開挖,隧洞開挖完成后采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土襯砌。

        TBM 掘進(jìn)機(jī)在開挖過程中,遭遇了大斷層、突泥、大變形等不良地質(zhì)條件,其中TBM 掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾承受的壓力較大,且護(hù)盾后巖體易發(fā)生大范圍塌方。該洞段主要地層為志留系上統(tǒng)博羅霍洛山組(S3b),屬濱海相-淺海相沉積。受構(gòu)造及熱接觸變質(zhì)作用影響,地層巖性為變質(zhì)粉砂巖或變質(zhì)泥質(zhì)粉砂巖,灰黑色、粉砂結(jié)構(gòu),局部發(fā)育方解石脈,整體圍巖較差,已連續(xù)1 600 m 采用“鋼筋排+鋼拱架”支護(hù),效果不理想。因此,針對以上特殊地質(zhì)條件,本文提出采用敞開式TBM 開挖鋼管片支護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行處理。

        2 鋼管片設(shè)計

        管片設(shè)計是從隧洞橫斷方向和縱斷方向開始。通常,管片的斷面取決于橫斷方向的設(shè)計,而縱向連接、地基沉降帶來的影響等,一般根據(jù)需要在縱斷方向的設(shè)計中研究[3-6]。

        從降低制作費(fèi)用、加快拼裝速度、提高防水性能角度看,管環(huán)的分塊數(shù)是越少越好,但如果分塊過少,單塊管環(huán)的重量增加,從而導(dǎo)致管片在制作、搬運(yùn)、洞內(nèi)操作及拼裝過程中出現(xiàn)各種各樣的問題。一般情況下,軟土地層中小直徑隧洞管環(huán)以4~6 塊為宜,初選5+1 形式[7]。

        管片設(shè)計流程:確定設(shè)計條件(隧洞軸線、斷面尺寸、地質(zhì)條件、TBM 開挖型式等)→根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定管片尺寸(工程類比法、經(jīng)驗(yàn)法確定初步管片尺寸)→分析荷載(選擇土壓力理論,確定水土壓力、側(cè)向垂直壓力、地基反力系數(shù)等)→選定計算模型(修正慣用計算法、梁-彈簧模型計算法、多鉸環(huán)模型等)→計算管片結(jié)構(gòu)受力(應(yīng)力、彎矩、軸力、剪力等,包括管片主體、環(huán)向及縱向接頭)→優(yōu)化初始結(jié)構(gòu)(根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整初始尺寸,反復(fù)計算,確定最終尺寸)→定型制作→隧洞應(yīng)用。

        3 支護(hù)方案

        針對以上隧洞不良地質(zhì)洞段,敞開式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行隧洞開挖后需進(jìn)行支護(hù)。敞開式TBM的裝配式支護(hù)鋼管片與噴錨聯(lián)合支護(hù)方法包括以下內(nèi)容。

        1)根據(jù)設(shè)計參數(shù),選取裝配式支護(hù)鋼管片,使支護(hù)鋼管片環(huán)形鋼殼的外側(cè)緊貼巖壁布置,環(huán)向、縱向肋板靠近洞內(nèi)一側(cè),環(huán)形鋼殼與環(huán)向、縱向肋板間焊接牢固,形成整體受力結(jié)構(gòu)。

        2)在敞開式TBM 盾尾,通過安裝器封閉360°范圍內(nèi)出露巖面,實(shí)現(xiàn)環(huán)形鋼殼與巖面緊貼,支護(hù)鋼管片間采用螺栓連接。

        3)在支護(hù)鋼管片內(nèi)側(cè)采用噴射混凝土填充環(huán)向、縱向肋板之間的預(yù)留空間,使支護(hù)鋼管片與噴射混凝土形成整體受力結(jié)構(gòu)。

        4)通過環(huán)形鋼殼上的預(yù)留孔,沿半徑方向鉆設(shè)中空注漿錨桿,通過錨桿注漿加固周邊圍巖。

        5)通過預(yù)留孔沿洞軸線方向向前打設(shè)超前鋼花管,同時復(fù)噴混凝土,超前鋼花管與洞軸線方向夾角范圍在5°~15°,保障超前加固范圍。

        管片間采用螺栓連接,可實(shí)現(xiàn)洞內(nèi)快速拼裝及固定,避免不穩(wěn)定巖體暴露,從而減少溜渣、掉塊及坍塌,并減弱地下水的沖刷裹挾作用,減少因不良地質(zhì)洞段塌方掉塊而造成的安全風(fēng)險,同時簡化敞開式TBM 內(nèi)L1 區(qū)的作業(yè)工序,減少TBM換步時間,增加TBM 掘進(jìn)效率。

        裝配式支護(hù)鋼管片可洞外定型成批預(yù)制,裝配式工藝封閉巖面速度快,機(jī)械化程度高,從而提高圍巖的整體承載能力及撐靴部位支撐強(qiáng)度,保障斷層破碎帶、突涌水、巖爆等不良地質(zhì)洞段的圍巖穩(wěn)定性及TBM 的連續(xù)掘進(jìn)。當(dāng)預(yù)判出現(xiàn)擠壓大變形、中等以上等級巖爆或洞周出現(xiàn)滲低水時,可采用納米纖維噴射混凝土、預(yù)應(yīng)力錨桿、重型鋼管片等加強(qiáng)措施,從而提高支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)變形能力及沖擊韌性。鋼管片結(jié)構(gòu)見圖1。

        圖1 管片環(huán)結(jié)構(gòu)圖(單位:mm)

        4 結(jié)構(gòu)受力分析

        4.1 計算模型

        本文采用有限元分析軟件MIDAS GTS 計算,鋼管片結(jié)構(gòu)可以簡化為圍巖支撐條件下的帶肋鋼-梁結(jié)構(gòu)。在有限元分析中,鋼管片鋼梁及縱橫鋼肋均采用梁單元模擬。鋼管片與地基之間的作用關(guān)系采用僅受壓的地基彈簧單元進(jìn)行模擬,并在鋼管片上施加相應(yīng)的結(jié)構(gòu)荷載(如管片自重、隧洞周圍圍巖壓力,并考慮部分圍巖變形釋放等),進(jìn)行有限元分析后可進(jìn)行結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力及內(nèi)力分析。

        4.2 計算荷載

        鋼管片結(jié)構(gòu)承受的荷載體系見圖2。垂直方向的地層抗力為等分布荷載,水平方向的地層抗力假定為管片環(huán)頂部開始,左右兩邊45°~135°內(nèi)線性分布荷載(三角形分布)[8]。

        圖2 荷載體系圖

        根據(jù)地質(zhì)勘察資料,計算所采用圍巖物理力學(xué)參數(shù):巖石密度為2.2~2.4 g/cm3,彈性模量為0.5~2.0 GPa,泊松比為0.36~0.40,內(nèi)摩擦角φ為24°~29°,粘聚力C為0.05~0.12,單位彈性抗力系數(shù)為100~300 MN/m3,堅固系數(shù)為0.8~1.0。

        4.3 計算結(jié)果

        鋼管片的承載力分析采用梁-彈簧計算方法,鋼管片中鋼梁及鋼肋均采用板單元進(jìn)行模擬,管片周邊圍巖的支撐條件簡化為僅受壓的地基彈簧支撐,并對地基彈抗(50~100 MPa/m,100~200 MPa/m等范圍)進(jìn)行反復(fù)試算。

        鋼管片總變形:最大變形在底部,為7.4 mm,鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形(大約1.7 mm),表明鋼肋對鋼梁的支撐作用較弱,建議減小鋼肋之間間距或增大鋼梁厚度,使鋼梁與鋼肋之間能夠保持變形協(xié)調(diào)。

        鋼管片豎向變形:豎向變形為鋼管片總變形中的主要部分,最大變形在底部,為豎直向上的變形,最大變形為7.4 mm,鋼梁跨中區(qū)域變形明顯大于鋼肋變形。

        鋼管片水平變形:最大變形在側(cè)壁,為1.4 mm。側(cè)壁水平變形為指向洞外的變形,由于鋼梁處徑向剛度小于鋼肋的剛度,在外荷載作用下,鋼梁有向內(nèi)變形特征,與側(cè)壁向洞外的水平變形相抵消,因而鋼肋的水平變形大于附近鋼梁的水平變形。

        鋼管片最大壓應(yīng)力:最大壓應(yīng)力在底部,為156.8 MPa,位于鋼梁跨中區(qū)域。在外荷載作用下,鋼肋對鋼梁有支撐作用,跨中區(qū)域彎曲變形較大,導(dǎo)致鋼管片的鋼梁跨中區(qū)域壓應(yīng)力較大。

        綜上所述,鋼梁、鋼肋厚度等基本尺寸對鋼管片受力影響很大,通過反復(fù)計算、調(diào)整參數(shù),最終選擇合理的鋼管片尺寸,對隧洞的支護(hù)效果、投資影響較大。

        5 結(jié)語

        敞開式TBM 穿越不良地質(zhì)洞段的工效提升方案成為制約隧洞工程安全、進(jìn)度、投資的重要因素,本文提出了敞開式掘進(jìn)機(jī)鋼管片支護(hù)系統(tǒng)方案,采用鋼管片快速封閉支護(hù)方案是有效解決這一問題的重要途徑,在天山輸水隧洞的應(yīng)用中起到了預(yù)期效果,解決了現(xiàn)場問題,為其他類似工程提供了思路,提升效率。

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