TBM隧洞開挖施工過程中圍巖穩定及初期支護三維仿真模擬

王凱生，周應祥，王紅帥

(新疆水利水電勘測設計研究院有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

在新時代推進西部大開發形成新格局的影響下，新疆大力開展水利工程建設，其中超長輸水隧洞在新疆水利發展布局中起著至關重要的作用。由于超長隧洞的地質結構復雜這一特殊性，目前國內對于長距離隧洞常采用TBM(全斷面硬巖掘進機)結合鉆爆法(用于機組檢修、組裝洞段)進行組合施工，大多數學者結合不同地質條件的隧洞對TBM機組及施工關鍵技術進行研究，例如宋法亮等[1]根據高黎貢山隧道具有的高地應力、多斷層破碎帶的復雜地質條件，通過調研實際案例，提出鋼筋排、鋼拱架聯合噴射混凝土及時支護方案，并結合TBM機實際施工工序，設計高適應性的TBM以此減少由地質因素引起的施工質量及安全影響；洪開榮等[2]通過對TBM刀盤磨損試驗，結合對搭式HSP法、RTP巖體溫度法的超前地質預報對高黎貢山隧道的TBM進行高適應性機組設計；吳世勇等[3]通過對錦屏二級水電站中深埋特長引水隧洞存在的高地應力、突涌水、溶洞以及斷層破碎帶等工程地質問題進行分析，對其TBM施工工法進行研究，針對性地提出不良地質條件下的施工措施；周建軍等[4]結合傳統鉆爆法和TBM導洞擴挖技術，研究不同工法結合的適應性，以此解決TBM遇軟弱地層引起的卡盾(大變形)問題；李建華等[5]針對深埋隧洞TBM掘進的關鍵技術問題，結合類似工程經驗，提出圍巖與TBM相互作用機制理論、TBM適應性評價指標以及安全評估方法；李濤[6]通過現場監測及數值分析方法，以圍巖穩定性判別標準和巖體完整性指標為基礎，探究隧洞破碎圍巖段噴錨支護技術；馬騁[7]等就TBM卡機施工程實例，分析塌方地質與設備受損情況，提出針對性TBM脫困措施；鄧銘江等[8]結合北疆供水二期工程中TBM、盾構并結合鉆爆法施工的特性，對提高TBM安全高效掘進技術水平提出了超前地質預報技術、適應性裝備、智能化掘進、設備狀態實時監測技術以及輔助破巖技術的發展研究方向。

由于TBM配套支護機組中機身固定機組(撐靴)以及一定施作范圍機組(護盾、錨桿鉆機)的區域工作特性，導致支護措施以及結構施工的工序是根據不同類級圍巖進行調整的，部分學者針對TBM機施工支護與圍巖的相互作用機理進行了三維數值模擬研究，如：程建龍等[9]采用FLAC3D數值模擬雙護盾TBM在復合地層條件的圍巖掘進過程，研究圍巖變形、護盾受力特性以及相互作用機制；蔣邦友[10]以巖爆地質條件為背景，結合數值模擬、理論分析以及真三軸試驗，研究TBM施工中發生巖爆的孕育機制以及演化過程；唐彬[11]通過巖塊三軸壓縮試驗提供數據模擬TBM掘進過程中圍巖擾動、應力場以及位移演化過程，并結合應力、位移現場監測數據進行施工支護的參數優化設計；楊曉剛[12]以八十一大坂隧洞為仿真模擬的工程背景，進行仿真模擬研究TBM實際施工工序和工作參數，優化設計參數，提出數值模擬結合三維動態可視化系統的嶄新分析方法。

由于超長輸水隧洞常伴隨不同圍巖類級劃分，其支護結構設計參數也隨之變化，因此本文以新疆某大型輸水隧洞工程為依托，主要在不同圍巖工況下，利用已施工支護結構參數，對TBM隧洞初期支護結構施工過程進行三維有限元數值模擬，分析不同圍巖的穩定和初期支護結構的受力特性，為初期支護結構的安全分析提供數據依據。

1 工程概況

新疆某輸水工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，由攔河引水樞紐、5條輸水隧洞、1座輸水渡槽、3座輸水倒虹吸、3座節制退(分)水閘、入庫建筑物等組成，輸水線路全長148.246km。其中輸水隧洞，總長為140.771km，采用5臺TBM施工，開挖直徑為7.8m。該工程地質結構復雜，隧洞主要通過的地層巖性有奧陶系中上統哈巴河組黑云母石英片巖、二云石英片巖、華力西晚期變質花崗巖夾閃長巖、黑云母斜長花崗巖、片麻狀花崗巖等。

根據前期地質勘探得知，全線洞段共分為4種圍巖類別，分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖甄別過程部分巖性類似Ⅳ類圍巖，為了保證支護結構安全，對Ⅲ類圍巖進一步細分為Ⅲa、Ⅲb類，其對應的初期支護設計參數也有變化，根據現場實際圍巖揭露及支護情況，Ⅱ類、Ⅲa類支護情況良好，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類支護存在圍巖變形收斂較大情況，因此本文選取計算斷面為Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段中地質巖性相對較差、覆蓋面最廣、最長，并考慮現場監測對支護結構影響最大以及特殊地層(斷層帶)的洞段，其目的為校核支護結構安全裕度以及分析圍巖變形較大原因，計算斷面具體條件見表1。

表1 計算斷面地質條件 單位：m

Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖初期支護結構如圖1所示，具體參數如下。

圖1 圍巖位移、塑性區分布云圖

(1)Ⅲb類圍巖段初期支護設計：全斷面噴護12cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.5m，并架設HW125型鋼拱架，榀距1.5～2.0m。

(2)Ⅳ類圍巖段初期支護設計：全斷面噴護20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.2m，并架設HW150型鋼拱架，榀距1.2～1.5m。

(3)Ⅴ類圍巖段，初期支護設計：全斷面噴護20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網，頂拱、邊墻范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.5m，間、排距1.0m，并架設HW150型鋼拱架，榀距0.9～1.2m。

2 TBM開挖仿真模擬

2.1 設計模型的選擇

設計模型采用地層-結構模型，該模型能夠利用圍巖自身承載力，結合初期支護結構，實現聯合承載山巖壓力，并能很好的抑制圍巖持續變形，實現洞周快速自穩。由于研究對象是深埋地下洞室支護結構及圍巖，根據工程地質學中的常取3～5倍洞徑范圍作為影響圈邊界的計算域，結合實際工程TBM機掘進工序(距離掌子面60m后噴射混凝土)選取圍巖計算范圍：上下左右尺寸均大于5倍洞徑，前后尺寸結合TBM機噴混工作臺距離，即水平方向寬100m，垂直方向高100m，開挖方向長78m，計算模型整體視為三維應力-應變問題，采用彈塑性本構關系。模型的網格劃分如圖2所示，圍巖整個模型共劃分三維實體單元21216個、Ⅲb類圍巖錨桿單元4992個、拱架單元1664個；Ⅳ類圍巖錨桿單元6240個、拱架單元2080個；Ⅴ類圍巖錨桿單元7488個、拱架單元為2496個；巖體、混凝土采用8節點6面體實體單元模擬，錨桿采用桿件單元模擬，拱架采用梁單元模擬。假定地層、噴混、錨桿和拱架材料均為各向同性。

圖2 計算模型及有限元模型網格劃分

2.2 模型參數及邊界條件

模型參數的選取是綜合勘察期、施工期巖塊試驗成果，類比附近已建工程巖體的原位試驗成果，結合施工揭露的圍巖基本地質特性、結構面性狀，并參考SL 629—2014《引調水線路工程地質勘察規范》附錄B各類圍巖物理力學參數經驗取值，提出本次選取斷面的巖體參數具體見表2。

表2 計算斷面圍巖地質參數

位移邊界參考相關文獻[7-10]確定：頂部自由，沿洞軸線兩側、前后平面法向約束，底部平面法向和切向約束。

荷載邊界：初始荷載為除各部件自重外，模型上部邊界施加均布荷載，上部荷載邊界主要分為覆蓋層壓力和外水壓力，其中外水壓力根據現場已開挖洞段地下水活動狀態資料近似取值；掘進荷載是根據現場施工單位提供刀盤推力以及護盾頂部油缸壓力進行推算后，以均布荷載的形式，在開挖每循環中作用到隧洞周圍以及掌子面。

2.3 開挖及初期支護仿真數值模擬關鍵技術

模擬隧洞開挖至初期支護施工全過程：隧洞的開挖問題實質主要是應力的釋放，TBM開挖施工步驟十分復雜，其涉及護盾臨時支撐開挖過程中的應力釋放，出護盾后錨桿與拱架施工應力重分布、開挖至掌子面距離60m后的噴混施工應力重分布問題。因此，初期支護施工過程主要研究對象為圍巖收斂變形，即圍巖水平位移、豎向位移、錨桿、拱架和噴層受力特性。有限元計算中，初期支護施工時巖體應力釋放，若直接根據施工工序模擬，巖體應力早已有所釋放，初期支護體系起不到及時支撐作用，所以，考慮到隧洞開挖中的地層損失，結合該工程，將巖體進行分區，分為開挖區和洞周巖體影響區，開挖前采用軟化模量法對開挖區的彈性模量進行軟化，以此模擬開挖施工過程部分應力釋放。

計算模擬過程中，由于護盾長6m，為了模擬隧洞開挖出護盾過程，開挖步進為3m一循環，開挖2循環后，下一循開始前施作對應圍巖類別的錨桿和拱架，并去除最后1循環的護盾單元；由于初期支護噴射混凝土在掌子面開挖60m后施作，因此，噴層在模型拱架、錨桿施作60m后直接施作上去；整體總共設置了88個計算步(STEP)，具體內容說明如下：

(1)初始地應力工況，根據地質實測，考慮水平應力，圍巖網格單元進行應力賦值，以便仿真模擬巖體內力，重新建立一個相同圍巖模型，對其進行邊界條件控制，強制讓邊界發生位移，使網格在自重及水平應力條件下產生應力重分布(構造應力)，經過反復試算直到與現場實際圍巖應力相符后，將網格各節點應力導入到需要開挖計算的模型中，并鎖死巖體模型最外位移邊界，以此模擬不受擾動圍巖。

(2)開挖前軟化開挖區域單元，以此模擬刀盤開挖擾動的掌子面圍巖。

(3)在開挖區域未去除前，施加錨桿、拱架單元施，使其支護結構在巖體未卸荷前發揮支撐作用，其中Ⅴ類圍巖考慮應急噴混單元的施作。

(4)在開挖60m后，直接施作噴混，Ⅴ類圍巖應急噴混除外。

3 數值模擬分析

3.1 初期支護安全評價指標

當隧洞開挖，原始平衡狀態被打破，圍巖向洞內變形，直至重新達到平衡狀態，其變形情況與圍巖類別、埋深、地下水及構造應力等多方面情況有關，為保證隧洞結構安全和設計界限要求，需進行支護以阻止圍巖變形過大并盡快達到平衡，防止出現坍塌，并根據相關規范規定，確定圍巖變形指標和安全系數控制值，假定其作為圍巖穩定性評定指標，結合初期支護結構安全性輔以說明，綜合評價圍巖穩定性，具體指標如下。

3.1.1圍巖變形控制指標

根據中華人民共和國電力行業標準DL/T 5415—2009《水電水利工程地下建筑物工程地質勘察技術規程》中附錄M1中的規定，隧洞周邊允許位移相對值應符合規定。

結合該隧洞開挖洞徑為7.8m，高跨比為1，適用于上表情況，計算可得該隧洞洞周允許相對收斂變形如下表所示。根據相關專業隧道設計規范要求，拱頂下沉值和底部隆起值按照表4中的1倍選用，見表5。

表3 隧洞周邊允許位移相對值 單位：%

表4 洞周允許收斂 單位：mm

表5拱頂下沉和底部隆起控制值 單位：mm

3.1.2錨桿受力控制指標

根據GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》中第4.2.3條規定，普通鋼筋的抗拉強度設計值、抗壓強度設計值應按表6采用。根據該隧洞現場錨桿牌號為HRB400，因此錨桿抗拉強度指標為360MPa，抗壓強度指標為360MPa。

表6 普通鋼筋強度設計值 單位：MPa

3.1.3型鋼拱架受力控制指標

根據GB 50017—2017《鋼結構設計標準》中第5.4.1條規定，鋼材的強度設計值見表7，結合該隧洞支護結構中選用的型鋼拱架型號為HW125和HW150，因此，型鋼拱架的強度控制指標為215MPa，端面承壓320MPa。

表7 鋼材的強度設計值 單位：MPa

3.1.4噴射混凝土受力控制指標

根據GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護技術規范》中第4.3.1條規定，不同強度等級噴射混凝土的設計強度應按表8采用。結合該隧洞噴射混凝土強度等級為C30，因此，噴射混凝土抗壓強度指標為12.5MPa，抗拉強度指標為1.3MPa。

表8 噴射混凝土的強度設計值 單位：MPa

根據以上規范規定，采用綜合多指標評級圍巖穩定，通過數值法求強度折減系數、圍巖變形、變形監測收斂速率為主要評價依據，結合初期支護結構和塑性區分布情況輔以評價圍巖穩定。

3.2 Ⅲb類圍巖初期支護數值模擬分析

3.2.1圍巖收斂變形

為了減小模型邊界影響，選取中間部分圍巖進行收斂變形分析；圍巖拱頂與底部收斂變形云圖如圖3所示，圍巖變形計算結果見表9。結果表明，圍巖收斂為拱頂范圍沉降，底部隆起，邊墻兩側向外變形；Ⅲb類圍巖變形較小，最大拱頂沉降為14.7mm，底部隆起最大值為12mm，小于洞內允許收斂值46.8mm，水平收斂為最大值為10.4mm，小于93.6mm。塑性區范圍在洞周拱肩及鎖腳部位為2～3m處較大。

圖3 圍巖位移、塑性區分布云圖

表9 Ⅲb類圍巖變形計算結果統計表 單位：mm

3.2.2支護結構受力

初期支護結構受力云圖如圖4所示，初期支護結構受力計算結果見表10，初期支護結構拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態，拱架最大壓應力為26.9MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為31.8MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.044MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.062MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結構滿足安全要求。

圖4 初期支護受力分布云圖

表10 Ⅲb類初期支護受力計算結果統計表 單位：MPa

3.3 Ⅳ類圍巖初期支護數值模擬分析

3.3.1圍巖收斂變形

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖5所示，圍巖變形計算結果見表11，結果表明，圍巖變形收斂趨勢同Ⅲb相同，但圍巖變形相對較大，最大拱頂沉降為13.8mm，底部隆起最大值為11.9mm，均小于洞內允許收斂值78mm，水平收斂為最大值為24.6mm，小于156mm。塑性區范圍主要分布在邊墻兩側為2.5～3.5m。

表11 Ⅳ類圍巖變形計算結果統計表 單位：mm

圖5 圍巖位移、塑性區分布云圖

3.3.2支護結構受力

初期支護結構受力云圖如圖6所示，初期支護結構受力計算結果見表12，初期支護結構拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態，拱架最大壓應力為312MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為291MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.058MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結構滿足安全要求。

圖6 初期支護受力分布云圖

表12 Ⅲb類初期支護受力計算結果統計表 單位：MPa

3.4 Ⅴ類圍巖初期支護數值模擬分析

3.4.1圍巖收斂變形

由于實際工程的反饋，相對較差的Ⅴ圍巖按TBM機組固定的噴混橋(距離掌子面60m)施工，圍巖收斂變形較大，存在卡機的安全隱患，因此，本文的Ⅴ圍巖仿真模擬開挖支護過程中噴混是結合現場實際的應急噴混進行模擬的，應急噴混措施為出護盾立即噴混。

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖7所示。圍巖變形計算結果見表13，結果表明，圍巖變形最大，最大拱頂沉降為55.4mm，底部隆起最大值為40.7mm，均小于洞內允許收斂值117mm，水平收斂為最大值為86mm，小于234mm。洞周均發生塑性破壞，邊墻兩側范圍最大約為4m。

圖7 圍巖位移、塑性區分布云圖

表13 Ⅴ類圍巖變形計算結果統計表 單位：mm

3.4.2支護結構受力

初期支護結構受力云圖如圖8所示，初期支護結構受力計算結果見表14，初期支護結構拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態，拱架最大壓應力為306MPa，小于拱架端面最大承壓應力320MPa；錨桿最大拉應力為311MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應力360MPa；噴混應力較小，最大拉應力為0.042MPa，小于1.3MPa，最大壓應力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護各個結構滿足安全要求。

圖8 初期支護受力分布云圖

表14 Ⅴ類初期支護受力計算結果統計表 單位：MPa

3.5 TBM掘進過程中巖體穩定分析

由于Ⅴ類圍巖地質條件最差，就TBM掘進過程對已聯合支護結構形成自穩的洞段影響最大，因此，本文對Ⅴ類圍巖開挖掘進過程進行測點位移分析。根據上述圍巖收斂分布云圖，在拱頂、拱腰、拱底中間部分對應取點進行開挖施工過程圍巖變形分析，其中結點間距離為3m，圖9為拱頂、拱腰、拱底結點選取圖。

圖9 圍巖拱頂、拱底收斂變形結點選取圖

圖10為初期支護施工過程圍巖拱頂、拱腰、拱底變形圖，從圖中可以看出，隧洞在未開挖時，圍巖受刀盤擾動，圍巖發生位移，但變形值相對較?。辉诔鲎o盾(6m)后，即第3結點開始掘進時，第1結點處圍巖出現較為明顯的位移變化，但不是變幅最大時刻，說明開挖掘進過程中，圍巖已在護盾里發生部分收斂變形，但未發生較大變形，主要原因是開挖過程中TBM機撐靴使圍巖沒有出現較大的應力釋放；在出護盾后立即施作錨桿、拱架以及應急噴混，圍巖開始出現較大的應力釋放，但在進行后續開挖，圍巖變形相對于出護盾的時候變形幅度較緩，直至趨于穩定，此時距離掌子面已12m左右，說明TBM掘進過程對已初期支護的圍巖擾動范圍為2～3倍洞徑，錨桿、拱架和應急噴混起到了及時支撐作用，與圍巖形成臨時聯合支護體系，成功抑制圍巖因開挖擾動導致的較大變形。相比于拱頂、拱底處變形，拱腰兩側變形變化幅度相對較緩。

圖10 為初期支護施工過程拱頂、拱腰、拱底圍巖變形曲線圖

4 結語

(1)Ⅲb類、Ⅳ類、Ⅴ類采用現階段初期支護能夠滿足圍巖穩定，初期支護各結構均在強度設計要求范圍內，圍巖收斂呈頂部沉降、底部隆起、邊墻左右兩側向外延伸的趨勢。

(2)TBM掘進過程對已初期支護的圍巖擾動范圍為2～3倍洞徑，現階段設計的錨桿與拱架起到了及時支撐作用，與圍巖形成聯合支護體系，可以抑制圍巖因開挖擾動導致的較大變形。

(3)較差的Ⅴ類圍巖部分變形已在護盾內發生，為防止較大幅度的收斂變形導致TBM卡機，建議此類洞段采用出護盾直接施作全套初期支護措施，后續施工遇到更差的圍巖，還需對現有的支護參數進行安全裕度的考慮。