敞開式TBM穿越深埋中強蝕變巖區鋼結構承載性能研究

于茂 章躍林 隋世軍 池建軍

1 研究背景

在富水蝕變地層中進行隧洞等地下工程施工時，水-巖軟化損傷、滲流沖刷裹挾作用導致地層部分礦物流失或變質，顯著地影響巖體的工程地質性狀。在我國隧洞及其它巖土工程的建設中，已在蝕變巖對工程安全的影響等方面開展了一些研究工作，例如在大崗山高拱壩壩區[1]、二灘拱壩右岸基巖[2]、小灣水電站拱壩及壩肩[3]、廣州抽水蓄能電站地下洞群[4]等水電工程中均針對蝕變巖的力學特性及其對工程安全的影響開展了相關研究工作。近年來，隨著長距離隧洞等地下工程的陸續開工建設，也遇到蝕變巖相關問題，沈樂[5]、聶林[6]等相關學者也對此開展了一系列研究工作。盡管目前已有不少學者針對蝕變巖開展了一些研究工作，但蝕變巖體成因復雜，且在深埋長隧洞敞開式TBM支護結構及其承載性能等方面開展的研究較少，對敞開式TBM穿越深埋中強蝕變巖的適應性認識有限，有關研究亟待深入。

本文依托某TBM深埋長隧洞工程穿越二長花崗巖蝕變區域，開挖過程中洞壁大范圍塌方，塌落高度多大于1 m，局部塌方高度達15 m，塌落物為碎塊和巖屑，碎塊塊徑多小于5 cm，拱架出現較大變形，少數連接槽鋼焊接點斷裂，嚴重影響了TBM的正常施工。為提高敞開式TBM對中強蝕變巖地層的適應性，本文采用有限元法對復合鋼結構系統的承載能力進行分析，為隧洞支護設計提供依據，保障敞開式TBM在蝕變巖區的順利掘進及洞室安全。

2 蝕變巖特征

某深埋敞開式TBM隧洞工程全長超過40 km，開挖洞徑6.5m，凈洞徑5.3m，最大埋深超過2200 m。隧洞出口TBM自出口逆坡向上游掘進，設計掘進里程約18 km，在進尺約3.3 km處進入華力西中期侵入的二長花崗巖蝕變帶，從隧洞揭露的蝕變巖看，蝕變巖具有范圍大、性狀差、分布不規則的特點，蝕變巖洞段存在變形、塌方掉塊、承載力低、泥化、塌方等工程地質問題。敞開式TBM穿越中強蝕變巖區時，洞周圍巖蝕變程度不均一，以強蝕變巖夾中等蝕變巖為主，洞壁大范圍塌方，拱架變形，少數連接槽鋼焊接點斷裂，左壁下部巖體破碎，巖石強度低。右壁下部巖石較破碎，細小裂隙較發育，結構面附近巖石屬強蝕變巖，巖石強度極低，手捏即碎。如圖1所示，強蝕變巖為潮濕-濕狀態時，在頂拱位置表現出明顯的塑性變形，出現巖石將鋼筋排包圍的現象。如圖2所示，強蝕變巖塊浸水后，邊緣細小顆粒迅速與巖塊脫離，巖塊周圍出現類似“煙霧”狀的渾濁；浸水20 s后，巖塊出現明顯開裂；浸水45 s后，巖塊體積殘余量不到一半，殘余巖塊軟化；浸水1 min后，輕輕晃動，巖塊基本完全消失。強蝕變花崗巖物理力學性質見表1。

3 鋼結構支護系統模型建立

圖1 潮濕狀強蝕變巖頂拱變形情況

計算采用MIDAS GTS/NX軟件的結構-彈簧方法，計算模型主要由鋼拱架、鋼筋排及被覆鋼板三部分組成，鋼結構每一段的鋼殼采用殼單元模擬，殼體之間采用全耦合方式連接，可以傳遞剪力及彎矩，鋼筋排采用全聯接梁單元進行模擬。側拱→底拱區域圍巖簡化為僅受壓的地基彈簧支撐，地基彈抗采用50 MPa/m和100 MPa/m兩種條件進行敏度分析。計算中鋼拱架采用HW150 mm×150 mm，榀距0.15～0.5 m。頂拱140°鋼板厚為2 mm，焊接鋼筋為Φ16@0.2 m。建立的有限元模型如圖3所示。

圖2 強蝕變巖遇水軟化崩解過程

表1 強蝕變花崗巖物理力學性質參數表

圖3 蝕變巖段鋼結構承載力分析模型

計算荷載主要包括自重、圍巖塌落荷載、圍巖初始地應力釋放、外水壓力、施工荷載等。本次計算主要分析施工期穩定性，因此，考慮荷載為自重、圍巖壓力（主要包括洞頂塌落荷載及側拱、拱底區域的地應力釋放荷載）及外水。隧洞頂部塌落荷載的作用范圍考慮為頂部180°。洞頂區域的塌落壓重采用γH來計算，側拱處的圍巖壓力采用KγH來計算，得洞頂壓重為300 kPa，側拱壓重為159 kPa。洞頂與側拱之間塌落體壓重按照線性變化施加。隧洞底部180°范圍施加圍巖變形壓力荷載，應力釋放率分別考慮為0.5%和1%。隧洞埋深為663 m。根據蝕變巖完整性及富水情況，計算方案共計5個，匯總見表2。根據現場調查情況，花崗巖蝕變程度強時，細顆粒多，洞壁往往無水，巖體性能差，彈性抗力取50 MPa/m；花崗巖蝕變程度中等-輕微時，細顆粒相對較少，往往伴隨滲滴水，巖體性能稍好，彈性抗力取100 MPa/m。因此，針對洞壁出水情況，分別設計一次支護方案。其中，方案1—方案3為洞壁無水時的一次支護方案，方案4—方案5為洞壁有水時的一次支護方案。

表2 計算方案匯總

4 鋼結構承載能力分析

圖4 方案3鋼結構典型變形分布

圖5 方案3鋼結構典型應力分布圖

圖4及圖5展示了敞開式TBM采用的鋼結構支撐系統在方案3計算條件下的變形及應力分布情況，可以看出，鋼結構系統在塌落荷載及圍巖變形荷載或水荷載的綜合作用下，主要表現為“扁圓”的變形模式，結構最大變形位置均位于拱頂，以豎向向下變形為主；相應的，鋼結構的受力特征表現為：拱頂及拱底處的拱架外翼緣受壓、內翼緣受拉，拱架兩側則為外翼緣受拉、內翼緣受壓，拱架的最大應力位于拱架側上部的內翼緣處，與鋼板計及頂拱土壓力計的監測數據吻合，為壓應力。綜合不同計算方案下圍巖支撐條件（圍巖彈抗）、荷載分布條件（塌落荷載及圍巖變形釋放壓力）及鋼結構支撐系統的結構特征（主要是鋼拱架間距）等因素的影響，可以實現對鋼結構支撐系統在各種條件下的承載能力進行的綜合對比分析，對比結果見表3。根據統計結果，可以看出：

表3 不同方案下鋼結構承載特性匯總

（1）方案1條件下，鋼拱架間距最小，為0.15 m，此時鋼結構支撐系統的承載能力最好，鋼結構最大應力為103.8 MPa，遠小于屈服強度235 MPa，鋼結構承載能力滿足要求。

（2）方案2和方案3條件下，鋼結構的間距為0.3～0.4 m，鋼結構最大應力為163.7～179.1 MPa，鋼結構無塑性區出現，均能滿足承載能力要求。

（3）方案5條件下，鋼拱架間距最大，為0.5 m，此時鋼板及鋼拱架均不能承受外荷載作用，且出現大面積塑性區，有失穩可能。建議減小鋼拱架間距并采用Φ25 mm中空注漿錨桿加固圍巖和塌方體。

（4）綜合分析，當蝕變巖洞段蝕變程度高、洞壁無水時，設計條件可按照方案3控制，方案4下（鋼拱架間距0.35 m）鋼結構的受力情況良好，且鋼結構基本滿足承載能力要求，為推薦方案；當蝕變巖洞段蝕變程度輕微-中等、洞壁有水時，設計條件可按照方案4控制，方案4下（鋼拱架間距0.4 m）鋼結構受力情況良好，拱架間鋼板變形稍大，但鋼結構基本滿足承載能力要求。同時，在深埋花崗蝕變巖洞段，建議采用Φ25 mm中空注漿錨桿加固圍巖和塌方體，保證周邊圍巖形成整體承載結構。

5結語

針對穿越深埋中強蝕變巖的敞開式TBM隧洞，通過采用殼-彈簧方法對初期鋼結構承載性能進行了分析，研究結果表明“鋼拱架+鋼筋排+被覆鋼板”聯合支護結構的傳力特征明確，承載性能較優，對蝕變巖洞段破碎巖體的適應性強。

實際工程施工中，初期支護在敞開式TBM尾部通過拱架安裝器安裝，鋼筋排通過McNally支護系統進行支護，鋼板置于鋼筋排與圍巖之間，支護范圍一般為頂部約140°。鋼結構支護系統承載性能的保障，大大降低了敞開式TBM過蝕變巖區時“抄后路”的風險。為避免TBM長時間停滯造成卡機等現象，應同時注意地下水的封堵、圍巖加固及撐靴部位承載性能提升等問題，從而為TBM的連續掘進創造條件，保障敞開式高效通過深埋蝕變巖區，為敞開式TBM施工類似地質工程提供借鑒。