敞開式TBM隧道掘進施工技術研究及模擬分析★

李遵勇，王 鵬，任安琪

(1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司,山東 濟南 250000; 2.馬鞍山學院建筑工程學院,安徽 馬鞍山 243000)

0 引言

隨著我國制造業的快速發展和西部大開發戰略實施,高速公路、鐵路等交通基礎項目在西部高海拔地區興建。我國在復雜地質巖石中修建隧道主要有礦山法(鉆爆法)、機械法(TBM法)等,鉆爆法理論基礎是圍巖具有自承能力,但施工速度慢、成本高、對人傷害大等缺陷,而敞開式TBM雖然會遇到卡機、突水涌泥等困難,但也具有掘進快、機械化程度高、節省用工、優質安全等優點,以及TBM設計制造技術不斷被突破,目前已在大瑞鐵路高黎貢山隧道、新疆EH工程、地鐵工程(重慶、青島、深圳等城市)等超過70余臺[1-3]。

國內外學者主要通過工程實測和數值模擬研究TBM法施工技術及參數優化。周路軍等[4]根據川藏鐵路復雜地質條件對TBM設備選型做了充分的研究。張照太等[5]研究了深埋軟硬互層圍巖地質軟巖對TBM掘進的影響,分析了軟巖地層一般具有遇水崩解軟化、變形快、易塌方等特點,總結TBM順利通過軟巖的施工方法。杜立杰等[6]通過工程應用從掘進時間利用率、施工速度、地質適應性等對比分析了敞開式TBM在不同類別圍巖條件下的施工效果。于方正等[7]針對TBM提出了應急噴射混凝土、鋼筋排-鋼拱架聯合支護、超前地質預報、控制掘進參數等技術措施確保了隧道穩定性、安全性。楊騰添等[8]基于阿勒泰某引水隧洞TBM法工程通過Midas軟件建立了符合工程地層模型,分析了盾頂壓應力及圍巖變形,驗證了支護加固方案的可行性。王利明等[9]通過數值模擬和實測數據對比分析了TBM隧洞傾斜錨桿受力特性及支護參數優化。本文通過某隧道工程實測數據和數值模擬分析TBM法在復雜地質中的應用及有無錨桿支護隧道變形。

1 工程概況

1.1 工程簡介

某西部高原鐵路某隧道全長15.075 km,采用“TBM+鉆爆法”施工,是全線十大控制性工程,該隧道鉆爆法施工長度為0.537 km,敞開式TBM隧道掘進長度為14.538 km,每隔500 m設置一處橫通道,最大埋深為1 585 m。正線數目為雙線,采用單洞單線設計,鐵路等級為Ⅰ級,設計運行速度為120 km/h～200 km/h,限制最大坡度為30‰,最小曲線半徑一般地段為3 500 m,困難地段為2 800 m。

1.2 敞開式TBM隧道施工

敞開式TBM是一種快速、高效、安全的施工方法,整機由刀盤、主機、后配套臺車等組成。主機部分由護盾、主驅動、主大梁、撐靴、后支撐、鋼拱架安裝器、錨桿鉆機、主機皮帶機等組成。

該隧道采用2臺敞開式TBM施工,整機長度約245 m,整機重量約2 500 t,總裝機功率9 107 kW。最大推進速度100 mm/min,最小轉彎半徑1 000 m,可適應的最大坡度-4%～+4%,TBM采用洞外組裝方式。

隧道開挖直徑為10.2 m,包含0.4 m初支厚度、0.2 m預留變形量、0.6 m二襯厚度、0.2 m施工誤差和8.8 m基本內輪廓。隧道采用圓形復合式襯砌,錨噴初期支護采用C30高性能噴射混凝土,拱墻現澆C30混凝土二次襯砌,仰拱采用C40預制塊。

1.3 工程地質與水文地質

隧區洞身有不良地質發育,主要有巖爆、軟巖大變形、高低溫、有害氣體等,開挖后易導致掌子面失穩,存在卡機風險。TBM掘進地層以花崗閃長巖為主,其中花崗閃長巖、二長花崗巖、板巖夾變質砂巖和板巖長度占比分別為37.5%,26.9%,23.8%和11.8%,Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級和Ⅴ級圍巖占比分別為14.31%,48.75%,34.79%,2.15%。

該隧道標段河流屬于怒江流域,主要有巖漿巖裂隙水、變質巖裂隙水和夾碳酸鹽巖裂隙-溶隙水,正常涌水量6.8萬m3/d,最大涌水量15.2萬m3/d。

1.4 超前地質預報

TBM在軟質巖地層掘進前采用HSP、激發極化與微震監測進行超前地質預報,探明前方巖體性質和分布。HSP法是利用刀盤滾動破碎巖產生的震動信號作為探測震源,對前方不良地質體進行空間成像,實現預報。儀器設備由“采集主機+檢波器+連接大纜”組成,HSP法測試布置圖如圖1所示。

掘進中以超前地質預報為依據,結合掘進參數、出渣情況和成洞質量對掌子面圍巖做出準確判斷,選擇相應的掘進模式及掘進參數快速破巖通過。

2 敞開式TBM隧道掘進過程

2.1 工藝流程

敞開式TBM施工工藝流程如圖2所示。

2.2 隧道支護措施

TBM掘進施工遇硬巖主要由錨桿、鋼筋網、鋼拱架、噴射混凝土形成初期支護,遇軟巖主要由錨網噴支護、鋼拱架支護、超前錨桿等形成初期支護,然后安裝鋼架進行二次襯砌。

1)錨桿施工。錨桿施工由TBM機自帶錨桿鉆機施作,采用φ25預應力漲殼式中空注漿錨桿,將帶有漲殼頭的桿體插入孔內,采用專用扳手施加預應力,預應力值為60 kN,注漿使用M20水泥漿,水膠質量比為0.35,壓注灌漿壓力為0.1 MPa～0.5 MPa。錨桿插入深度不少于設計長度95%,外露長度不大于15 cm,錨桿長度為3 m,Ⅳ級巖體沿半圓以上按間距(環1.2 m×縱1.5 m)布置錨桿。錨桿鉆機施工圖如圖3所示。

2)鋼筋網片施工。鋼筋網采用直徑為8 mm的HPB300鋼筋,網格間距為25 cm×25 cm,采用TBM自帶的鋼筋網安裝器進行安裝。錨桿和鋼筋網現場施工見圖4。

3)鋼拱架施工。采用TBM自帶的鋼拱架安裝器分段安裝鋼拱架,設置直徑為22 mm的HRB400E鋼筋縱向連接。鋼拱架由HW100型鋼加工而成,每環鋼拱架由5節組成,每節兩端設置連接板,用高強螺栓連接鎖固。

4)噴射混凝土。由TBM自帶的噴射系統噴射C30混凝土,厚度15 cm,噴射順序自下而上,分段分片依次進行。鋼拱架處噴射混凝土應密實,不得有空洞、孔隙等不密實區,必要時在鋼架處預留補償注漿孔。

敞開式TBM如遇自穩時間較短的軟弱破碎巖體、斷層破碎帶、節理密集帶及大面積淋水或涌水地段,應采用超前錨桿、超前注漿小導管及管棚進行超前預支護加固,再掘進通過。

2.3 隧道拱頂沉降

隧道進口左線DK1014+117—DK1015+017段地層巖性為板巖、砂巖,弱風化,節理發育,圍巖等級為Ⅳ級。沿隧道每隔10 m布置一個橫斷面監測點,選擇DK1014+529—DK1014+559四個橫斷面進行拱頂沉降監測,每隔7 d采集沉降數據,四個橫斷面拱頂沉降隨時間變化規律如圖5所示。

由圖5分析可知,四個橫斷面拱頂沉降隨時間的變化規律基本一致,均隨時間增加近似呈緩慢增加、快速增加和穩定狀態,四個橫斷面拱頂沉降穩定值分別為2.0 mm,2.1 mm,2.2 mm和1.8 mm。

3 數值模擬

3.1 數值模型參數

利用軟件建立數值模型模擬TBM掘進施工,模型尺寸為橫向70 m×縱向45 m×豎向60 m,靠近隧道附近的網格較密,共劃分165 013個節點和156 720個網格單元,模擬時巖土體采用摩爾庫侖彈性模型,利用空模型Null命令模擬巖體開挖,初噴混凝土采用Liner襯砌單元。固定約束模型四周邊界和底邊界。錨桿選擇Cable單元,錨桿位置是通過兩個節點坐標定義,即從begin位置到end位置連成直線[10-11]。隧道支護三維模型見圖6。

3.2 隧道巖體及錨桿支護參數

模擬前先平衡初始地應力,使巖體在自重作用下完成固結沉降,將位移值和速率重新設為0。沿拱頂布置30個縱向監測點監測拱頂沉降,在模型y=20 m處設置為DK1014+539目標橫斷面,監測TBM近接、到達和通過目標橫斷面引起該橫斷面拱頂沉降。巖體層和錨桿參數分別如表1,表2所示。

表1 巖體層參數

表2 錨桿支護參數

3.3 模擬結果分析

拱頂沉降數值模擬云圖如圖7所示。拱頂沉降模擬值為2.22 m,與四個橫斷面拱頂沉降實測值基本一致,錨桿最大變形為1.68 mm。

以模型y=20 m時的DK1014+539目標橫斷面作為研究對象,模擬TBM采用錨桿支護和無錨桿支護近接、到達和通過目標橫斷面時引起的目標橫斷面拱頂沉降,并提取錨桿支護和無錨桿支護隧道貫通時沿隧道長度拱頂沉降,擬合曲線如圖8所示。

由圖8分析可知,當TBM掘進采用錨桿支護和無錨桿支護掘進近接、到達和遠離目標橫斷面過程中,該目標橫斷面拱頂沉降呈緩慢增加、快速增加和趨于穩定狀態,因此可將TBM近接、到達和遠離目標橫斷面引起的該橫斷面拱頂沉降分為緩慢增加、快速增加和穩定三個階段。

TBM掘進無錨桿支護引起的拱頂沉降值為3.76 mm,大于有錨桿支護引起的拱頂沉降值2.22 mm,增加了69.4%,因此采用錨桿支護可以降低隧道拱頂沉降,提高隧道穩定性、安全性。

4 結論

1)TBM掘進采用超前預報、錨桿支護等措施有利于拱頂變形小及隧道安全,拱頂沉降模擬和實測值基本一致,驗證了模擬可行性。2)TBM掘進近接、到達和通過目標橫斷面引起的該橫斷面拱頂沉降逐漸增加,可分為緩慢增加、快速增加和穩定三個階段。3)無錨桿支護比錨桿支護拱頂沉降大,錨桿支護可有效降低拱頂沉降,提高隧道穩定性、安全性。