TBM擴大洞室及交叉段圍巖穩定數值分析

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

1 工程概況

新疆重點輸水工程包括41.0km的主洞。具體施工分段規劃見表1。

表1 喀雙段工程分段規劃

工程布置如下：

a. TBM掘進洞段：TBM9設備掘進洞段為主洞段樁號204+153m～224+823m(長度20.67km)，開挖洞徑7.0m。TBM10設備掘進洞段為主洞段樁號225+483m～245+153m(長度19.67km)，開挖洞徑7.0m。TBM9和TBM10兩臺TBM總掘進長度40.34km。

b.鉆爆法開挖段：224+823m～225+483m(長度0.66km)。

c.T5勘探試驗洞：T5勘探試驗洞末端與喀雙隧洞225+153m樁號處相交，進口布置在主洞左側，與主洞夾角130°33＇41″，進口高程約1246.833m，與主洞交點高程550.461m，長度約6243.73m，采用TBM掘進機開挖，斷面型式為圓形，開挖斷面尺寸為8.5m。勘探試驗洞開挖掘進完成后，通過回填混凝土型式改造縱坡，形成長為200m坡度為11.80%的陡坡，長+20m坡度為3.0%的緩坡。井底布置30m長縱坡為零的洞段，采用豎曲線為1000.00m圓弧與陡坡段連接。勘探試驗洞與主洞相交后繼續前進施工200m用于TBM設備拆卸。隧洞交叉段平面布置見圖1。

圖1 隧洞交叉段平面布置

2 支護結構設計

2.1 地質條件

該段隧洞埋深在707～723m，均處在新鮮基巖內，泥盆系凝灰質砂巖，為堅硬巖，圍巖整體穩定性好，以Ⅱ類圍巖為主，斷層帶及影響帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖；其中Ⅱ類圍巖占該段總長的89.87%；Ⅳ、Ⅴ類圍巖占該段總長的10.13%，圍巖的初始應力為16.8～22.2MPa，側壓力系數為1.3。

2.2 結構設計

主洞設計斷面采用城門洞形，跨度為14.4m，高度為16.2m，頂拱及邊墻支護采用200mm厚C30噴射混凝土，掛φ8間距200×200mm鋼筋網，采用5m長φ28砂漿錨桿，間距為1.2m，梅花形布置，底板采用C30素混凝土。主支洞交叉處最大斷面跨度為22.315m，支護形式基本同主洞斷面。

主洞及主支洞的斷面及支護形式如圖2、圖3所示。

圖2 主洞設計斷面及支護形式 (單位：mm)

圖3 主支洞交叉處最大斷面及支護形式 (單位：mm)

3 數值計算分析

計算采用成熟的顯式有限差分軟件FLAC3D，該程序適合模擬地質材料的破壞和塑性流動的力學行為，已大規模運用于模擬巖土體的大變形、失穩支護、加固、建造及開挖等工程問題。

3.1 主要參數選取

計算參數見表2。

表2 數值計算主要參數

3.2 位移分析

3.2.1 主洞部位

由圖4(a)位移矢量圖可以看出洞室開挖后的圍巖位移趨勢，其中最大位移值為18.3mm，發生在洞室側壁部位，這一點可以從圖4(b)水平向位移云圖中得出相同結論；從圖4(c)豎直方向位移云圖中可以看出，拱頂位移為11.2mm，底板位移為15.7mm。總體來說，洞室的水平位移大于豎直位移。

圖4 主洞洞室開挖位移

3.2.2 主支洞交叉部位

由圖5(a)位移矢量圖可以看出洞室開挖后的圍巖位移趨勢，其中最大位移值為22.3mm，發生在洞室底板部位。從圖5(b)水平向位移云圖中可以看出，洞室側壁的水平位移值為19.6mm；從圖5(c)豎直方向位移云圖中可以看出，拱頂位移為19.0mm，底板位移為22.2mm。總體來說，由于主支洞交叉部位洞室跨度的增大，洞室的水平位移值與豎直位移值均有所增大，且豎直方向位移值增加更明顯，已超過水平方向位移值。

圖5 主支洞交叉部位洞室開挖位移

3.3 應力分析

3.3.1 主洞部位

由圖6(a)可以看出，洞室開挖后圍巖最大主應力最大值為33.8MPa，出現在頂拱3m深度范圍左右，最大主應力較大值主要分布在沿拱頂和底板深度2～6m的弧形范圍；由圖6(b)可以看出，最小主應力越靠近洞壁，數值越趨向于零，存在拉應力0.02MPa；由圖6(c)可以看出，最大水平應力為33.5MPa，分布在拱頂及底板深度5m左右。由圖6(d)可以看出，最大豎直應力為21.1MPa，分布在洞室兩側深度3～6m范圍，頂拱及底板豎向應力為零。

圖6 主洞洞室開挖應力云圖

3.3.2 主支洞交叉部位

由圖7(a)可以看出，洞室開挖后圍巖最大主應力最大值為30.7MPa，出現在頂拱6m深度范圍左右，最大主應力較大值主要分布在沿拱頂和底板深度2～8m的弧形范圍；由圖7(b)可以看出，最小主應力越靠近洞壁，數值越趨向于零，存在拉應力0.04MPa；由圖7(c)可以看出，最大水平應力為30.6MPa，出現在拱頂深度為5m左右，較大值分布在拱頂及底板深度5～8m左右。由圖7(d)可以看出，最大豎直應力為23.6MPa，出現在洞壁兩側深度為4.5m左右，較大值分布在洞室兩側深度3～6m范圍，頂拱及底板豎向應力為零。

圖7 主支洞交叉部位洞室開挖應力云圖

3.4 洞室圍巖穩定判別

在位移方面，根據《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB 50086—2015)，隧洞周邊允許相對位移值為0.4%，該次計算隧洞周邊相對位移值為0.16%，滿足規范要求，圍巖穩定。在應力方面，洞室周邊最大壓應力為30.7MPa，遠小于巖石抗拉強度135MPa；拉應力極小，亦小于巖體的抗拉強度，說明圍巖有較好的穩定性。

4 結 語

根據上述數值計算分析，新疆引額供水二期輸水工程TBM主洞及主支洞交叉段在采用該設計參數支護下，圍巖松動圈范圍內圍巖得到了有效的加固，圍巖整體基本穩定；在巖體開挖后及初期支護之前，仍要重點注意頂拱部位(特別是在主支洞交叉段)局部塊體的塌落對施工安全造成的隱患。此外，可考慮適當增加此部位圍巖的位移監測，進一步提高施工的安全系數。

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