敞開式TBM大坡度掘進施工特征研究

李安云 康元鋒 晁 林

(中鐵十五局集團有限公司 上海 200070)

1 引言

TBM施工機械在地鐵隧道及地下空間施工不僅涵蓋高埋深、高地應力等復雜地層，還包括施工線路的復雜性。牛奔[1]基于地層分界面傾角的參數特征，闡述各項特征下隧道支護體系的受力情況，總結出軟硬不均地層條件下隧道的變形與應力、支護體系應力等特點。王飛陽等[2]通過考慮力流特性的有限元模擬，分析了TBM掘進期間周圍地層的應力狀態和應變能特性，指出隧道應力最值的位置與其所受剪應力、水平及豎向集中應力的程度有關。徐鵬等[3]研究指出，TBM掘進過程中的摩擦力隨著進深會有所加大，施工期間應防止卡盾現象發生；從硬巖到軟巖階段的施工環境，錨桿的支護效果有所增強。胡軍[4]通過總結TBM施工重難點，采用撐靴加固措施，并將其成功運用于工程實際。張彪[5]給出了TBM掘進法與礦山法兩種工況下，周圍巖層及支護結構的受力及變形差異，用于指導設計和施工。

現有文獻中，鮮有TBM在煤礦斜井方面的研究。大多數學者僅僅給出了TBM法施工期間安全井下作業、風險管控方面的指導意見及建議。在敞開式TBM沿大坡度掘進方面，周圍地層變形及應力特征、支護結構的受力特性少之又少[6－8]。鑒于現場監測條件不足等難題[9]，需要尋求其他方法進行探索，如數值模擬，現有的三維模擬能較全面地掌握施工動態[10－12]。

本文根據在建重難點工程，考慮TBM實際開挖過程中的施工步序及各結構體系部件，以期模擬分析得到周圍巖層的位移場、應力場、噴射混凝土結構的內力、錨索及錨桿應力等，可為相關工程的規范施工提供借鑒。

2 工程背景

2.1 總體概述

本工程煤礦斜井建設規模1 000萬t/年，服務年限85.4年。礦井采用斜井開拓方式，在工業場地布置主、副斜井，在中央風井場地布置中央進、回風立井，在北一風井場地布置北一回風立井。采用大巷條帶式布置工作面，工作面采用走向長壁綜采一次采全高采煤方法。副斜井傾角6°，下山施工，每隔600 m設50 m的緩沖段，斜長5 305.3 m，井筒落底后通過平段與南北翼輔助運輸大巷聯系，副斜井井筒行駛無軌膠輪車。副斜井承擔礦井材料及人員運輸、進風任務，兼做安全出口。副斜井每600 m設置一條聯絡平巷，每隔40 m設一個躲避硐。根據建設單位施工部署，副斜井井筒采用明槽開挖＋TBM工法施工。

2.2 TBM段施工詳述

TBM段施工采用敞開式TBM，縱向坡度為6°，井筒開挖直徑7 130 mm，同時TBM配備了錨網噴支護系統、鋼拱架支護系統、仰拱吊機、超前管棚支護及注漿系統、鋼筋排架支護系統、二次風機、除塵風機、皮帶運輸機以及各種監控儀器。TBM刀盤、主梁等重大構件采用分塊分段設計，在硐外進行組裝，整體步進通過明槽段后，在TBM始發硐內進行始發。

TBM掘進段井筒采用錨網噴＋錨索支護形式，底部安裝預制仰拱塊并進行注漿填充，其上部填充C15混凝土＋0.3 m厚C30混凝土鋪底。一旦地質條件不滿足設計初支要求，須對TBM掘進段井筒采用鋼拱架＋錨網噴＋錨索支護初支方式，必要時加裝防水板和砌碹，確保井筒滿足防水要求及85.4年運營要求。TBM掘進斷面如圖1所示，具體參數見表1。

圖1 TBM段剖面(單位:mm)

表1 TBM掘進斷面施工參數

3 三維數值模型建立

3.1 地質條件及整體模型

本工程井田位于鄂爾多斯盆地之次級構造單元斜坡中南部，地質構造簡單，總體構造形態為一北西西向傾斜的單斜層，傾角小于1°，局部發育寬緩的波狀起伏。區內未發現巖漿活動痕跡。本次施工的井筒檢查鉆孔揭露地層由新至老依次為:第四系全新統現代風積砂、上更新統薩拉烏蘇組、第四系中更新統離石黃土(Q2l)、白堊系洛河組、侏羅系安定組(J2a)、直羅組(J2z)。

在三維數值模型中，重點模擬TBM掘進至140 m深度時的工況，并將該區段地層概化為一層，具體取值參考表2。限于模型尺寸與實際空間的差異，將其上120 m的地層應力施加于模型上邊界，三維整體模型見圖2，邊界條件為底部固結，側面約束垂直方向的位移。

表2 地層參數

圖2 三維整體模型

3.2 各部件單元模擬

(1)開挖巖層及周圍核心地層

副斜井傾角為6°，為了表達該工程較大的縱向坡度，對TBM段開挖巖層及周圍核心地層進行單獨網格劃分。如圖3所示，模型共分為10個開挖步，每個開挖步為兩環支護寬度。

圖3 開挖巖層及周圍核心地層模擬

(2)支護體系

TBM段支護體系包括噴射混凝土、錨桿、錨索支護，其中噴射混凝土采用板殼單元模擬，錨桿及錨索均采用桁架單元模擬。每個分析步共設18個錨桿單元和3個錨索單元，這兩類單元的網格劃分數量分別為2和1。

4 計算結果分析

4.1 地層位移場分析

圖4為TBM開挖貫通后地層位移場云圖，并繪制TBM開挖導致的深層土體豎向位移，見圖5，其反映了拱頂上方20 m左右位置的豎向位移隨開挖距離的變化關系，可以看出該變化規律與已有文獻[1]研究結論相似。

圖4 TBM開挖周圍地層位移云圖

圖5 TBM開挖導致周圍地層位移隨開挖步變化曲線

4.2 地層應力場分析

圖6為TBM開挖貫通后地層應力場云圖，由圖6可知，TBM開挖導致的周圍地層最大應力為6.1 MPa。

圖6 TBM開挖周圍地層應力云圖

4.3 噴混結構內力分析

本工程噴射混凝土的結構內力如圖7所示，其中正彎矩最值為98.4 kN·m，負彎矩最值為101.7 kN·m；軸力最大值為1 053.5 kN，軸力最小值為－1 373.4 kN。

圖7 噴混結構內力云圖

4.4 錨索錨桿應力分析

圖8為錨索錨桿的應力云圖，可以看出，錨索錨桿的最大應力為575 MPa，最小應力為276.2 MPa。

圖8 錨桿錨索應力云圖

5 結束語

(1)基于三維有限元軟件，建立了考慮各結構部件真實特性的分析模型，同時按照TBM隧道開挖步序對各施工階段進行闡述分析。

(2)該工程坡度大，TBM快速施工難免對周圍巖層造成影響。通過三維有限元分析，得到圍巖的位移場及應力場，為超前施工與加固提供了技術支持。

(3)TBM大坡度掘進施工過程中，噴射混凝土的內力處于允許范圍內，由錨桿、錨索的應力值可知該工序的重要性，規范施工是保證大坡度TBM快速施工的基本前提。