某抽水蓄能電站斜井隧洞TBM開挖支護穩定性分析

童 慧，賀 歡，任 鑫，張祥富，岳金文

（1．湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南省平江縣 414500；2．中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

0 引言

TBM法和鉆爆法是隧洞開挖施工最常用的兩種方法[1]。由于人工成本日漸增加，工程安全性要求日益嚴苛，鉆爆法因施工條件較差、安全保障性低而有被逐漸淘汰的趨勢[2]。TBM法憑借其較鉆爆法工序簡單、掘進施工速度快、安全性好、對圍巖擾動小、超欠挖量小等諸多優勢，在隧洞工程開挖中的應用越來越廣泛[3]。國產TBM設備生產商也越來越多，TBM法逐漸成為未來隧洞開挖施工的主流趨勢[4]。

由于TBM隧洞掘進較快速，支護施工也應該同步加快才能保證掘進進度。故TBM斜井隧洞開挖支護方案設計的支護參數較鉆爆法弱，且因設備限制支護范圍也有不同[5]。為確保TBM開挖支護結構的穩定性，本文以某個抽水蓄能電站工程為例選取不同圍巖地質條件的典型斷面，采用非線性有限元法[6]進行支護結構穩定性分析。通過對圍巖土體采用D-P非線性模型，對錨桿采用Mises屈服模型，建立三維非線性有限元結構模型進行計算分析[7]，得到圍巖塑性應變、錨桿mises應力、隧洞變形量、噴混凝土應力等計算結果，以此分析TBM開挖支護參數的穩定性與適用性[8]。可為TBM斜井隧洞開挖施工的支護方案提供理論依據支持，為同類工程支護方案的選擇提供參考。

1 計算斷面概況

平江抽水蓄能電站引水隧洞埋深65～605m，引水主洞為圓形隧洞，采用二級斜井立面布置方案；洞室圍巖多呈微風化～新鮮狀，圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，少量Ⅳ類。有限元計算分別選取上斜井中部、下部和下斜井上部、下部四個典型斷面進行計算。由于四個斷面位置的上覆巖體厚度不同，故將未建模的上覆巖體的豎向巖體壓力用施加等效荷載的方式來模擬。四個典型計算斷面位置與相關計算參數詳見表1。

表1 計算斷面位置及其計算參數表Table 1 Calculation section position and calculation parameters

四個計算斷面參考鉆爆法初擬的原支護參數如下：

（1）斷面 1：噴C25厚 150mm；錨桿φ22mm/φ25mm，長3.0m/4.5m，間、排距1m×1m，入巖2.9/4.4m。

（2）斷面2：噴C25厚100mm錨桿φ22mm，長3m，間、排距1.5m×1.5m，入巖2.9m。

（3）斷面3：噴C25厚100mm錨桿φ22mm，長3m，間、排距1.5m×1.5m，入巖2.9m。

（4）斷面4：噴C25厚150mm錨桿φ22mm/φ25mm，長3.0m/4.5m，間、排距1m×1m，入巖2.9/4.4m。

而TBM法優化設計的支護參數如下：

（1）斷面1：噴C25厚150mm；φ22mm錨桿，長3.0m，間、排距1m×1m，頂部240°范圍內。

（2）斷面2：噴C25厚100mm；φ22mm錨桿，長2.0m，間、排距1.5m×1.5m，頂部240°范圍內。

（3）斷面3：噴C25厚100mm；φ22mm錨桿，長2.0m，間、排距1.5m×1.5m，頂部240°范圍內。

（4）斷面4：與鉆爆法相同。

2 計算前提內容

2．1 非線性材料參數

圍巖土體材料采用滿足各向同性的理想彈塑性屈服準則，即Drucker-Prager屈服準則[9]的D-P材料模型。通過輸入圍巖物理力學參數中決定抗剪性能的黏聚力C和摩擦角φ這兩個參數來定義圍巖土體D-P材料，輸出圍巖塑性應變結果判斷其塑性變形區范圍大小。錨桿鋼材料所采用的本構關系模型為滿足Mises屈服準則的雙線性等向強化材料模型[10]，其塑性切向模量取0.03倍的彈性模量，即為6GPa。噴混凝土材料在有限元計算中不考慮材料非線性，結果后處理以應力集中情況和主應力值與混凝土抗拉、壓強度相互比較來判斷噴混凝土可能出現的受拉、受壓開裂范圍。各種材料的力學計算參數詳見表2。

表2 材料參數表Table 2 Material parameters

2．2 初始地應力平衡

地層本身存在著應力場，地層內各點的應力稱為原巖應力，或稱地應力。它是未受工程擾動的原巖體應力，亦稱初始地應力。它包括由于上覆巖層的重量引起的重力、相應的側向壓力以及由于地質構造作用引起的構造應力。根據近三十年實測與理論分析證明，地應力是一個具有相對穩定性的應力場，即巖體的原始應力狀態是空間與時間的函數。天然土體在初始地應力場中會產生變形，但這一變形在土體形成時就已發生，先于隧洞開挖施工。故實際外荷載產生的變形應減去初始地應力場產生的變形偏差值。初始地應力場變形偏差平衡根據有無實測地應力資料常分為兩種方法。若有實測地應力資料，則寫入地應力荷載進行初始地應力平衡。但通常無實測地應力資料，這種情況下，在構造地應力較低的地區，可將初始地應力場簡化為自重應力場，通過ANSYS軟件的自重應力場反演技術來平衡初始地應力，糾正初始地應力場導致的變形偏差。本文即采用此方法進行初始地應力場的平衡。

2．3 開挖模擬

開挖模擬就是把部分開挖巖體單元從整個結構中挖除，使得此時整體結構的剛度性質發生了變化，有限元計算不得不對其重新計算，這是一項極其耗時的工作。為了能夠克服這樣的問題，ANSYS程序采用“單元生死”技術來處理開挖巖體單元。“單元生死”可將某個工況不參與計算的單元的剛度設置為一個極小值（默認值為10-6），使其對整體計算的剛度作用可忽略不計，不影響整體計算結果[11]。這樣在開挖模擬時，只需要“殺死”這些開挖巖體單元，而不需要重新形成整體剛度矩陣，可以很大程度地節省時間和精力，具有較大優越性。

3 有限元建模計算

3．1 計算模型

3.1.1 模型計算范圍

以隧洞中心為原點，采用笛卡爾坐標系，隧洞底部、頂部以及兩側圍巖土體均取30m長，沿洞軸線（Z向）取5m。其余上覆巖體采用等效荷載（豎向巖體壓力）施加，圍巖土體模型見圖1，其他各部分模型及細部結構見圖2～圖4。

圖1 圍巖土體模型Figure 1 Soil Model of surrounding rock

圖2 系統錨桿模型Figure 2 System bolt model

圖3 噴混凝土模型Figure 3 Shotcrete model

圖4 模型細部結構圖Figure 4 Detailed structure of the model

3.1.2 單元類型選擇

圍巖土體和噴混凝土采用solid45單元模擬，便于平衡初始地應力；鋼筋和錨桿采用beam188模擬，既能模擬軸向拉壓受力，還能模擬其受到的剪力和彎矩。

3.1.3 受力關系處理

噴混凝土與圍巖土體緊密貼合，采用共節點處理。錨桿與錨桿孔注入水泥砂漿，形成包裹體與圍巖緊密結合，不考慮二者的黏結滑移現象。通過節點耦合約束將錨桿與噴混凝土、圍巖土體建立相互作用關系。

3.1.4 邊界位移約束

對模型底部施加全約束，左右側面及前后面施加法向約束。

3.1.5 結果后處理

計算結果后處理輸出錨桿von mises應力表征錨桿錨固力作用大小及屈服情況；輸出圍巖土體的塑性應變判別塑性區范圍大小；輸出噴混凝土X、Y向變形量最大差值表征隧洞變形大小；輸出噴混凝土的第一、第三主應力表征應力集中情況。計算成果中應力應變結果以受拉為正，受壓為負；位移變形量以沿坐標軸的正向為正。

3．2 計算過程

考慮圍巖壓力一次完全釋放，由隧洞開挖受載歷史定義計算過程如下：

（1）建立有限元模型，施加位移約束，再施加重力后求解，求得初始地應力場。

（2）輸入上一步的初始地應力場，平衡初始地應力。

（3）“殺死”開挖巖體單元，激活噴C25混凝土實體單元、系統錨桿梁單元，來模擬隧洞開挖支護工況。

（4）重復上述步驟計算斷面2～4。

4 計算結果及分析

4．1 計算結果

因版面限制，結果圖僅給出斷面1～4的圍巖塑性應變與錨桿的von mises應力結果，見圖5～圖12。其他結果處理后統計入表3。

圖5 斷面1錨桿von mises應力圖（單位：Pa）Figure 5 Von Mises stress diagram of section 1 bolt（Unit：Pa）

圖6 斷面1圍巖塑性應變圖Figure 6 Plastic strain diagram of section 1 rock mass

圖7 斷面2錨桿von mises應力圖（單位：Pa）Figure 7 Von Mises stress diagram of section 2 bolt（Unit：Pa）

圖8 斷面2圍巖塑性應變圖Figure 8 Plastic strain diagram of section 2 rock mass

圖9 斷面3錨桿von mises應力圖（單位：Pa）Figure 9 Von Mises stress diagram of section 3 bolt（Unit：Pa）

圖10 斷面3圍巖塑性應變圖Figure 10 Plastic strain diagram of section 3 rock mass

圖11 斷面4錨桿von mises應力圖（單位：Pa）Figure 11 Von Mises stress diagram of section 4 bolt（Unit：Pa）

圖12 斷面4圍巖塑性應變圖Figure 12 Plastic strain diagram of section 4 rock mass

表3 開挖支護結構穩定計算結果表Table 3 Stability calculation results of excavation support structure

4．2 結果分析

全部計算結果匯總于表3。由計算結果分析可知，隧洞開挖后受到圍巖壓力的作用，隧洞Y向壓縮（變形為負值）而X向拉伸（變形為正值），隧洞有被壓縮成橢圓的變形趨勢，符合隧洞TBM開挖成洞的力學變形規律。噴混凝土中部拱腰的壓應力將會因超過抗壓強度而出現較大范圍受壓開裂。斷面2噴混凝土頂、底小范圍位置的拉應力因超過抗拉強度而出現小范圍受拉開裂。由上述計算結果可知，隧洞埋深越大，圍巖地質條件越差，隧洞開挖后變形量就越大，噴混凝土應力集中越明顯，拱腰受壓開裂范圍越大，隧洞成洞穩定性越差，錨桿mises應力越大，圍巖塑性應變與范圍越大。比較可得，圍巖地質條件（即圍巖物理力學參數）比埋深的影響敏感性更大。

通過上述計算結果，可知上斜井中部Ⅳ1類圍巖斷面1、上斜井下部Ⅲ1類圍巖斷面2、下斜井上部Ⅲ2類圍巖斷面3的錨桿mises應力和圍巖塑性應變均較小，圍巖塑性區范圍未超過錨桿有效長度范圍。這些斷面隧洞開挖支護結構均能自穩，即可采用優化后的TBM斜井隧洞開挖支護參數。

但下斜井下部Ⅳ1類圍巖斷面4的錨桿mises應力和圍巖塑性應變均較大，部分圍巖塑性區超過3m錨桿錨固范圍，支護結構不能自穩。建議將該斷面45°、135°、225°和315°等圍巖塑性區范圍深度較大位置的錨桿加長至3.5m以上，特別是頂拱45°和135°兩處塑性應變最大的位置。并對斷面4位置做鋼拱架加強支護，同時做好固結灌漿和超前注漿加固以提高圍巖土體物理力學參數。

5 結語

本文以某個抽水蓄能電站工程為例，選取了四個不同圍巖地質條件的典型斷面，考慮圍巖土體和錨桿的材料非線性，建立三維非線性有限元結構模型進行了支護結構穩定性計算分析。

通過圍巖塑性應變范圍、錨桿mises應力、隧洞變形量、噴混凝土應力等計算結果的對比分析，得知斷面1、2和3的開挖支護結構能夠穩定，優化后的支護參數適用。可以采用優化后的支護參數，能夠加快TBM斜井隧洞開挖掘進、支護施工的進度。對TBM斜井隧洞支護參數優化提供了數值分析理論依據。而對于斷面4支護結構不能自穩的情況，建議接桿加長圍巖塑性區范圍深度較大位置的錨桿，并對斷面4位置做鋼拱架加強支護，同時做好固結灌漿和超前注漿加固措施。計算結果與分析結論可為TBM斜井隧洞開挖施工的支護方案提供理論依據支持，為同類工程支護方案的選擇提供參考。