大型引水隧洞TBM安裝間有限元分析與研究

魏彥軍，薛興祖，汪 濤

(吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130021)

在地下洞室施工過程中，圍巖穩定性判斷、地質力學參數選擇、滲流場分析以及開挖順序、支護方式、噴錨襯砌時機、圍巖塑性變形影響等均是地下工程設計、施工的關鍵。

為驗證設計方案的合理性，需全面了解施工全過程地下洞室圍巖的變形、受力特征以及塑性開裂區和圍巖穩定狀況。本文結合吉林省中部城市供水工程隧洞區域的地形、地貌和地質特征，以及施工過程中的開挖、支護方式，建立TBM安裝間的有限元計算模型，從施工開挖到支護襯砌進行全過程的仿真分析與研究。

1 工程概況及仿真分析方案

1.1 工程概況

吉林省中部城市供水工程是解決中部城市供水問題的大型調水工程，也是實現松遼流域水資源優化配置的主要工程。輸水總干線從豐滿水庫取水，終點為馮家嶺分水樞紐，全程110.483km。工程永久性主要水工隧洞級別為1級。

輸水隧洞樁號0+000～71+469段采用TBM法和鉆爆法結合施工。其中，TBM2施工段位于樁號25+581～47+800段，全長22.219km。TBM2安裝間進口位于樁號47+800。隧洞全程地質條件復雜，穿越山嶺地區，屬深埋隧洞。其中TBM2安裝間頂部山嶺高程389.00m，安裝間底高程220.00m，埋深169.00m。TBM2段設計掘進洞徑7.65m，安裝間頂拱開挖半徑11.40m，中心角69°；安裝間兩側直墻開挖寬度11.40m，高9.18m；兩側直墻頂部開挖成支座平臺，寬0.90m，高3.14m，待二次襯砌后，架設橋吊。安裝間拱頂到洞底總高14.32m，拱跨12.90m，屬地下大洞室結構。

1.2 地質力學指標及支護參數

1.2.1 Ⅱ類圍巖地質力學指標

本文分析的TBM2安裝間位于Ⅱ類圍巖地段。地貌為丘陵及河谷，山勢較陡，植被發育，河谷常年流水。巖性為燕山早期石英閃長巖，半自形粒狀結構，塊狀構造，主要礦物成份為斜長石、角閃石、黑云母和少量石英。Ⅱ類圍巖地質力學指標見表1。

表1 Ⅱ類圍巖地質力學設計指標

1.2.2 安裝間支護參數

由于TBM2安裝間處于Ⅱ類圍巖地段，圍巖自穩性較強，擬采用全斷面法開挖。洞室斷面開挖后，即進行一次支護，拱頂C20噴射混凝土200mm，邊墻C20噴射混凝土150mm；頂拱布置Φ25錨桿，長4.0m，梅花形布置，間距為1000；邊墻布置Φ25錨桿，長6.0m，梅花形布置，間距為1000。二次襯砌兩側邊墻模筑C25F200W4鋼筋混凝土500mm，洞底模筑C25F200W4鋼筋混凝土300mm。

1.3 有限元模型

有限元模型坐標系為：x坐標位于隧洞中心；y坐標與大地坐標系重合，指向上為正；z坐標與洞室軸線重合，指向下游為正。因安裝間埋設較深，計算網格模型僅截取其所在巖層部分顯示，如圖1所示。

圖1 TBM2安裝間有限元計算模型

1.4 仿真分析方案

隧道工程的設計方法主要有：結構力學法、巖石力學法、經驗類比法及信息化設計方法。

載荷-結構模型是基于傳統結構力學的方法，此法將支護結構和圍巖分開考慮，支護結構是承載主體，圍巖作為載荷來源和支護結構的彈性支承。圍巖-結構模型是基于巖石力學的計算方法，此法將支護結構和圍巖視為一體，作為共同承載的結構體系。圍巖是直接的承載單元，支護結構只用來約束和限制圍巖變形。

對于幾何形狀和圍巖初始應力、地質條件都比較復雜的地下工程，需要考慮圍巖的各種非線性特征和穩定性影響。利用圍巖-結構模型能確定圍巖的初始應力場，以及表示材料非線性的各種參數及其變化情況。

2 仿真分析

本文計算成果包括：毛洞初始地應力圖、洞室開挖襯砌后的位移變形圖、x向應力分布圖、y向應力分布圖、第一主應力分布圖及第三主應力分布圖等。

2.1 初始地應力場

圖2 x向初始地應力云圖

初始應力場計算結果如圖2～5所示。由圖2可見，x向初始應力在拱腰和兩側直墻墻腰處最大，為-4.27MPa；拱腳及直墻墻角為-1.78MPa。

因此，浸出中上清加入大量的鋅粉進行一段凈化反應時，中上清中銅鎘等雜質被置換進入銅鎘渣中，部分鈷也被置換進入銅鎘渣中。銅鎘渣經過綜合回收銅、鎘后得到貧鎘液，貧鎘液返回系統，如此反復，一部分鈷在系統內部閉路循環而積累。

圖3 y向初始地應力云圖

由圖3可見，y向應力在拱腰和洞底中心處最大，為-11.70MPa；拱腳和直墻兩側為-5.99MPa。

圖4 第3主應力云圖

由圖4可見，第3主應力在墻角處最大，為-2.46MPa；頂拱及直墻兩側為-1.88MPa。

圖5 第1主應力云圖

由圖5可見，第1主應力在拱腰和洞底中心處最大，為-12.90MPa；拱頂及直墻兩側為-4.71MPa。

2.2 施工開挖與支護

施工開挖與噴錨支護計算結果如圖6～11所示。

圖6 噴錨支護后x向位移

由圖6可見，x向位移在兩側直墻墻腰處最大，為0.66mm。

圖7 噴錨支護后y向位移

由圖7可見，y向位移在拱頂處最大，為-13mm；洞底為+7.8mm。

圖8 噴錨支護后x向應力云圖

圖9 噴錨支護后y向應力云圖

由圖9可見，y向應力在拱腳和直墻墻角處最大，為-9.78MPa；直墻兩側為-4.29MPa；洞頂和洞底為-0.62MPa。

圖10 噴錨支護后第3主應力云圖

由圖10可見，第3主應力在拱腳和墻角處最大，為-1.95MPa；頂拱為-0.99MPa；洞底為+0.52MPa。

圖11 噴錨支護后第1主應力云圖

由圖11可見，第1主應力在拱腳和墻角處最大，為-7.73MPa；頂拱及洞底中心為-0.92MPa。

3 成果分析

3.1 圍巖位移

(1)由y向位移云圖可以看出，在初始地應力作用下，洞室開挖支護后的豎向位移以中心軸對稱，拱頂位移呈漏斗狀分布，在兩側趨于平行。洞頂沉降位移大于底部回彈位移，左、右側邊墻變形較小。

(2)由x向位移云圖可以看出，洞周收斂位移較小，最大拱頂下沉也較小，說明洞室施工過程中圍巖穩定。

(3)雖然安裝間開挖跨度較大，但所處地段為Ⅱ類圍巖，圍巖自穩能力較強，在混凝土噴錨支護作用下，隧洞整體變形小，初擬襯砌方式能夠滿足設計要求。

3.2 圍巖應力

本文計算給出了毛洞和噴錨支護兩種工況下洞周圍巖最大應力和最小應力分布情況。從結果可以看出：

(1)洞周圍巖應力以壓應力為主。圍巖應力主要發生在洞室拱腳和兩側邊墻中下部區域，在洞底局部發生拉應力，但數值很小。

(2)在噴錨支護作用下，洞周圍巖應力集中效應緩解，洞周圍巖環向壓應力均比毛洞時減少，襯砌效果顯著。

(3)由應力云圖可以看出，洞室不同部位應力集中程度不同，因此，采取合理的開挖方式十分必要。如先進行洞室頂拱的開挖，有利于部分應力釋放，再開挖拱下洞室結構，同時，要抓住襯砌時機，邊開挖邊支護等。

(4)對拱腳和兩側邊墻中下部的應力和變形較大部位，應加強襯砌強度，如增加錨桿長度、加密錨桿間距等有效措施。

(5)施工過程中應加強監控測量，建立地下洞室施工的情報化系統，從而有利于指導設計和施工，并獲得最佳的地下結構設計方法和施工經驗。

4 結語

本文通過對大型引水隧洞Ⅱ類圍巖段TBM安裝間的施工及支護模擬，能夠總體分析圍巖穩定特性，較好地指導設計和施工。但對于Ⅱ類圍巖，巖石條件比較完整，尋找導致開挖洞體局部失穩的關鍵塊體有很大意義，作者將在后續設計工作中繼續深入研究，以關鍵塊體理論為支撐，探索大型地下洞室結構的局部穩定性與整體穩定性及其破壞性機理之間的關系，更好地指導設計和施工，付諸工程實踐。