敞開式TBM穿越高地應力隧道支護優化研究

任道遠　高新強　馬澤騁　樊浩博　朱正國

摘 要：依托國家重點鐵路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地應力TBM施工段，通過精細化三維數值模擬，分析在高地應力條件下，不同支護體系對圍巖變形、塑性區深度、支護結構受力情況的影響規律。研究結果表明，在高地應力條件下，圍巖的超前變形在總變形量中占比較高；較早的施作剛性較大的支護，支護結構所受壓應力過大，進而導致初期支護的變形與破壞，降低施工安全性。選用超前支護、多次噴混凝土與長短錨桿相結合的支護體系，與原有施工方案相比，較好地控制了掌子面前方巖體超前變形，減小了圍巖總變形量，降低了支護結構的應力水平，提高了圍巖及支護的穩定性。

關鍵詞：高地應力隧道、敞開式TBM、多次噴混凝土、精細化三維數值分析

中圖分類號：U25;TP391.9文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0153-05

Research on construction optimization of open TBM crossing high ground stress tunnel

REN Daoyuan1，2，GAO?? Xinqiang1，2，3，4，MA Zecheng1，2，FAN Haobo2，ZHU Zhengguo2，4

（1.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures，Shijiazhuang ?Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；

2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；

3.Hebei Key laboratory of Mechanics Behavior Evolution and Control of Transport Engineering Structures，Shijiazhuang 050043，China；

4.Hebei Technology and Innovation Center on Safe and Efficient Mining of Metal Mine，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract：This paper relies on the TBM construction project of the national key railway project Yalin section of the Zila Mountain Tunnel through high ground stress.Through refined three-dimensional numerical simulation，the influence of different support systems on the deformation of surrounding rock，the depth of plastic zone and the stress of support structure under high ground stress conditions is analyzed.The results show that under the condition of high ground stress，the advanced deformation of surrounding rock accounts for a relatively high proportion in the total deformation.For the rigid support that was applied earlier， the compressive stress of the support structure is too large，which leads to the deformation and failure of the initial support and reduces the construction safety.While the support system of advanced support，multiple lining and long and short bolts is selected，compared with the original construction scheme，the advanced deformation of rock mass in front of the face is well controlled，the total deformation of surrounding rock is reduced，the stress level of support structure is reduced，and the stability of surrounding rock and support is improved.

Key words：high ground stress tunnel，open TBM，multiple support structures，refined 3D numerical analysis

全斷面硬巖隧道掘進機（TBM），其施工相較于傳統鉆爆法具有施工速度快、對圍巖擾動小等優點。隨著人們對地下空間需求的增加，TBM在未來隧道建設中發揮著不可替代的重要作用。關于敞開式TBM隧道從選型到施工與支護的各方面已經有了十分豐碩的成果。通過設備改造和采用合理的掘進參數，有效地提高了TBM在Ⅳ圍巖地段中的掘進速度和施工效益［1］。對全斷面襯砌液壓臺車進行特殊結構設計，解決了TBM正常掘進時連續皮帶機在出渣工況下實現同步實施襯砌［2］。通過現場監測和數值模擬，研究了高地應力層狀粉砂質泥巖地層中TBM施工圍巖變形特征［3］。認為隧道TBM施工隧道圍巖發生失穩的其中一方面原因包括刀盤擾動和撐靴擾動［4］。分析了敞開式TBM在城市軌道交通淺埋隧道中的應用，通過數值模擬與現場試驗，研究了敞開式TBM施工隧道的圍巖變形情況，優化了TBM施工參數，提高了施工效率［5-7］。針對敞開式TBM的研究主要是圍繞層狀、節理密集、圍巖破碎等復雜地質條件下的TBM施工及支護等方面，對敞開式TBM在埋深超過1 000 m的高地應力地質條件下的隧道施工支護參數優化方面研究較少。

1 工程背景

隧道長32.7 km，最大埋深約1.6 km，隧道高差大于1 km。施工所采用TBM為圓形斷面，開挖直徑（D）為11 m，循環進尺（L）為1.8 m。巖性主要為片麻巖夾片巖、糜棱巖、灰巖、砂巖、凝灰巖、砂巖夾礫巖［8］。本文以TBM穿越高地應力段為研究對象，該地段為Ⅳ級圍巖。TBM配套錨桿鉆機、鋼拱架安裝架等支護系統，在圍巖裸露出護盾后可立即施工鋼拱架、錨桿、鋼筋網［9］。支護錨桿采用5 m長φ22低預應力漲殼式中空注漿錨桿，環向間距1 m，縱向間距0.9 m。

2 高地應力敞開式TBM施工隧道圍巖及支護結構穩定性研究

2.1 分析模型

采用有限差分軟件FLAC 3D［10］，以該隧道Ⅳ級圍巖段正洞斷面為基礎建立精細化三維數值模型，模型示意圖如圖1所示。模擬區段隧道埋深h取為1 300 m，模型頂面按29.06 MPa施加垂直荷載，側面采用水平位移約束，底面采用豎向位移約束，初期支護距離掌子面3～4 m距離施作。圍巖和噴混凝土均視為連續、均質、各向同性介質，采用Mohr-Coulomb屈服準則。噴混凝土與撐靴采用實體單元模擬，錨桿和超前小導管采用Cable單元模擬，鋼拱架采用Beam單元模擬，圍巖的物理力學參數如表1所示；隧道初期支護設置參數如表2所示。

每次循環TBM步進距離為1.8 m，一步進過程分3次開挖，一次開挖距離為0.6 m，模擬開挖過程：（1）刀盤掘進時施加開挖推力，撐靴施作水平支撐力；（2）刀盤掘進-護盾支護-刀盤掘進-刪除護盾結構單元，支護錨桿、鋼拱架，噴射混凝土-撐靴單元向掘進方向移動1.8 m；（3）循環掘進至隧道貫通。

模型中刀盤推力、轉矩［11］通過掌子面施加應力的方式實現模擬，總推力按照實際掘進參數選取為25 500 kN，換算為掌子面均布荷載為268.5 kPa，在掌子面后10 m處預留的撐靴單元上施加水平荷載以模擬撐靴支撐力，掘進時的撐靴支撐力按照實際參數選取為66 300 kN，接觸壓力為6 MPa。開挖一步進后，刪除上一步施加在撐靴與掌子面上的應力，同時施加下一循環位置的應力。

2.2 圍巖穩定性分析

2.2.1 圍巖變形分析

為減小模型邊界效應對計算結果的影響，計算完成后均取模型中間斷面（y=45 m）作為分析斷面，圍巖變形如圖2所示。拱頂最大沉降值為110.2 mm，隧道最大跨度處的最大水平位移值為44.3 mm。

掌子面前方距離大于10 m范圍的圍巖拱頂沉降較緩慢，掌子面前方10 m，約0.91D處的拱頂沉降量為13.2 mm，掌子面前方10 m范圍內拱頂沉降急速增加，掌子面處拱頂沉降量達到了75.46 mm，掌子面后方拱頂持續沉降，但沉降幅度減小，于掌子面后方36 m（3.27D）處趨于穩定。掌子面前方5.4 m（0.5D）范圍內，最大跨度處水平位移迅速增加，掌子面位置最大跨度處水平位移為24.55 mm，掌子面后方10 m處撐靴施作水平支撐力，最大跨度處水平位移出現小幅度回彈，撐靴后方水平位移增加至39 m并于掌子面后方18 m（1.64D）處趨于穩定。掌子面前方圍巖變形中，拱頂沉降量占總沉降量的69.74%，最大跨度處水平位移占總水平位移量的62.56%。

2.2.2 圍巖塑性區分布特征

TBM掘進施工過程中，掌子面前后圍巖塑性區如圖3所示。

由圖3可以發現，當TBM刀盤在掌子面時，掌子面前方塑性區深度8.3 m，掌子面后方3.6 m內圍巖處于護盾支撐區域，塑性區很小，圍巖主要表現為局部剪切破壞。掌子面后方3.6～5.4 m為護盾脫出圍巖的范圍，主要以剪切破壞為主。隨著初期支護施作的完成，圍巖轉變為局部剪切破壞與局部拉剪破壞。

2.3 支護變形和受力特征

2.3.1 鋼拱架受力分析

鋼拱架軸力如圖4所示。鋼拱架所受軸力均為壓應力，拱頂軸力值最小為126 MPa；2側邊墻軸力值最大為482 MPa。

2.3.2 噴混凝土受力分析

噴混凝土受力如圖5所示。

從圖5可以看出，水平應力、豎向應力與最大主應力均沿隧道中線對稱分布，且均為負值，說明噴射混凝土全環受壓。拱頂水平應力值較小，仰拱處水平應力最大，為43.7 MPa；最大跨度處豎向應力最大為64.4 MPa；拱頂處最大主應力較小，邊墻內側最大主應力最大為65.4 MPa。

2.4 支護變形特征與受力存在的問題

2.4.1 變形破壞特征

高地應力敞開式TBM施工中隧道圍巖變形破壞特征：刀盤前方圍巖會發生一定程度的塑性區和變形破壞，且掌子面前方圍巖變形占比較高；隨著TBM掘進，已經發生變形破壞的圍巖進入護盾支撐區域，由于護盾的支撐作用緩解了圍巖的變形速率，塑性區得到了一定程度的控制，但當護盾脫出圍巖，該部分圍巖變形量與塑性區再次增大；隨著支護的施作，圍巖的變形逐漸趨于穩定，塑性區進一步得到控制，在距離掌子面約3倍洞徑以后，圍巖基本不再變形，塑性區也不再發展。

2.4.2 初支變形受力特征

噴射混凝土邊墻內側及該處鋼拱架呈現過高的應力，其外在原因是撐靴的支撐力作用在支護結構上，限制了邊墻的位移，雖然隨著TBM撐靴前移，支撐力在開挖一步進過程后刪除，但是由于撐靴處邊墻位移量較小，導致邊墻處應力較大。由于初支施作距離掌子面較近，以豎向應力為主的過高地應力得不到釋放，大部分應力作用在初支上，致使邊墻位置處應力過高，這是主要的內在原因。過高的應力會導致鋼拱架發生變形破壞、噴射混凝土變形開裂及壓潰。初支的變形破壞造成的不利影響，一方面頻繁更換鋼拱架增加施工工作量，延長施工周期，降低經濟效益；另一方面，混凝土的剝落開裂降低了初支承載力，嚴重時會影響施工安全。因此應對支護體系進行優化。

3 高地應力TBM隧道施工支護體系優化

對于高地應力敞開式TBM隧道，掌子面前方變形量在總變形量中占比較高，在考慮控制圍巖變形時，應重點考慮針對掌子面前方圍巖變形的控制。同時，如何減小高地應力對支護結構的影響是保證隧道施工安全的關鍵。優化支護方案考慮采用超前注漿小導管來控制掌子面前方圍巖變形，小導管采用復合玻璃纖維導管，長9 m，搭接長度1.8 m，外插角5°，漿液擴散范圍按1 m計，通過刀盤前方預留孔洞，利用敞開式TBM刀盤后方錨桿鉆機打入［12］。錨桿采用長短錨桿相結合的支護方式［13］，噴射混凝土分為初噴10 cm和復噴25 cm二次施工［14］，短錨桿、鋼拱架與初噴混凝土在護盾脫出圍巖后及時施作，復噴混凝土與長毛桿在距離掌子面16 m處施作。初次施作初支的目的在于利用初噴混凝土及時封閉圍巖，防止圍巖裸露時間過長失去自穩能力而導致的松動掉塊和坍塌等災害，同時允許圍巖變形，釋放地應力，二次施作的初支作為主要承擔荷載的結構，目的在于加固圍巖，提高支護結構穩定性。其余支護參數與原有施工參數保持一致，優化后支護結構如圖6所示。

3.1 高分子注漿加固技術

高分子注漿加固技術是將高分子樹脂混合液通過特種設備注入到圍巖中，使其在較短時間內將破碎松散的巖體膠結稱為連續、完整的受力體，從而提高圍巖的力學性能。

隧道用高分子注漿加固材料屬于改性聚氨酯類高分子材料，由A、B2組分液體構成，無顆粒，可注性及滲透能力強，能注入破碎圍巖體中細小裂隙，擴散半徑大，反應快，具有一定的韌性，能夠適應圍巖變形及掘進擾動等因素的影響。超前注漿加固區采用等效代替法，將注漿后的加固區圍巖力學參數等效，具體如表3所示。

3.2 優化后的圍巖穩定性分析

優化支護參數后的圍巖變形云圖如圖7所示。在進行支護方法優化后，圍巖最大拱頂沉降為89 mm，最大水平位移為19.8 mm。掌子面前方圍巖變形中，拱頂沉降值為38 mm，占總沉降量的44.9%；最大跨度處水平位移值為2.8 mm，占總收斂量的21%。相較于原有支護結構計算工況，掌子面前方變形與圍巖總變形量均得到了有效控制。

圖8為優化后的鋼拱架應力圖。鋼拱架全環整體受壓，邊墻處軸力最大，為78 MPa，相較于原有支護方案，鋼拱架所承受壓力大幅度減小，鋼拱架所受應力在安全工作范圍內，符合鋼結構設計標準。

優化方案的噴混凝土受力如圖9所示。噴混凝土全環受壓，水平應力最大值在拱頂及仰拱處，為10 MPa；豎直方向應力最大值在邊墻外側，為22.2 MPa。相較于原有方案，25 cm厚噴混凝土所承受的最大壓應力得到降低，支護結構所受應力在其安全工作的范圍內，符合混凝土結構設計規范。

4 結語

（1）高地應力段敞開式TBM施工中，掌子面前方變形在總變形中占比較高，控制掌子面前方變形是控制圍巖變形的關鍵。數值模擬結果表明，采取一定的超前支護措施，可以有效地控制掌子面前方變形與圍巖總變形；

（2）隧道洞身分布以豎向應力為主的高地應力，原施工方案在圍巖剛露出護盾便使用剛性較大的支護結構進行支護，容易造成支護結構應力集中，其超過自身承載范圍，影響施工安全。采用多次噴混凝土、長短錨桿結合的支護體系，有效降低了支護結構中的應力水平，保證了支護結構的穩定性。

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收稿日期：2022-10-21；修回日期：2023-04-10

作者簡介：任道遠 （1997-），男，碩士，主要從事隧道圍巖穩定機理研究;E-mail：15994011256@163.com。

通訊作者：高新強 （1970-），男，博士，教授，博導，主要從事隧道圍巖穩定機理研究；E-mail：gxqgaoxinqiang@163.com。

基金項目：中國鐵建股份有限公司2019年度科技重大專項（項目編號：2019-A05）；石家莊鐵道大學研究生創新自主項目（項目編號：YC2022017）。

引文格式：任道遠 ，高新強，馬澤騁，等.敞開式TBM穿越高地應力隧道支護優化研究[J].粘接，2023，50（6）：153-157.