TBM地下組裝洞室的結構設計與穩(wěn)定性分析

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(1.遼寧省水利廳， 沈陽 110003；2.遼寧潤中供水有限責任公司， 沈陽 110006)

TBM地下組裝洞室的結構設計與穩(wěn)定性分析

李文富1，劉亮2

(1.遼寧省水利廳， 沈陽 110003；2.遼寧潤中供水有限責任公司， 沈陽 110006)

遼寧省大伙房水庫輸水工程由于受地形、地貌限制，施工時有兩臺TBM必須進行洞內組裝。本文介紹了TBM洞內地下組裝洞室的結構設計情況，并通過有限元方法對最大斷面的主機室進行了穩(wěn)定性分析。

TBM； 地下組裝； 洞室； 穩(wěn)定分析； 有限元法

1 概 述

遼寧省大伙房水庫輸水工程主體為自流輸水隧洞，全長85.32km，隧洞底坡度1/2380。隧洞開挖采用以TBM掘進機開挖為主、鉆爆法開挖為輔的聯(lián)合施工方法。TBM施工分為3個合同段，其中洞室最大埋深約600m，最小埋深約100m。與傳統(tǒng)大型設備相比，TBM 體積龐大、重量驚人，總體長度至少 150多m，總重達上千噸，單個構件最重達80 多t，并且是機械、電子、計算機和自動化等技術高度集成的現(xiàn)代化施工設備，所以一般均先在工廠組裝調試，然后分割成多個構件，再運到工地組裝。而在工地組裝時又分為洞內組裝及洞外組裝兩種方式。洞外組裝條件相對好一些，一是受場地因素影響小，二是可以利用各種機械輔助幫忙；而洞內組裝相對難度較大，主要是受到場地空間的限制。由于水利工程自身的特點，大多數(shù)工程位于高山、丘陵地區(qū)，隧洞埋深大。長隧洞采用多臺TBM同時進行施工時，受地形地貌、外界環(huán)境等多方面條件的限制，有些TBM在組裝時不得不選擇在洞內進行。

2 TBM組裝方式分析

根據(jù)大伙房水庫輸水工程所處的地形、地貌條件，由于隧洞出口包含在TBM3施工段內，因此該施工段具備TBM洞外組裝的條件。此外，另兩臺TBM施工段不具備TBM洞外組裝的條件。必須進行TBM洞內組裝，原因如下：

a.施工支洞坡度在10%左右，若先在洞外組裝，組裝完的掘進機主機重量將達到幾百噸，將如此重的物體通過施工支洞運至主洞內是非常困難和危險的。

b.由于掘進機的刀盤直徑為 8.0m，如果在洞外安裝完成后通過支洞運至主洞內，則支洞的直徑需達到9.0m 左右，與洞內安裝方式所需支洞斷面尺寸(6.6m×6.0m)相比，將大大增加工程量，從經(jīng)濟角度考慮也不是合適的。

c.如果掘進機在洞外全部組裝完成，采用通過自身行走機構通過支洞進入主洞的方法，則需要很長時間，而且還要考慮它的轉彎半徑，因此影響工期、增加施工難度。另外，根據(jù)實際地形地貌條件，也很難找到合適的TBM運進支洞。

通過以上原因分析，大伙房輸水工程TBM1、TBM2兩個施工段的TBM組裝必須在洞內完成，這樣就需要合理設計TBM的地下組裝擴大洞室，做到既安全穩(wěn)定，又經(jīng)濟合理。

3 TBM地下組裝洞室設計

根據(jù)TBM施工段水文地質條件、TBM的形式、組裝方式和所采用設備的型號以及刀盤直徑，充分考慮組裝洞室的功能特性、施工方法、襯砌結構的工作條件等因素，確定橫斷面形狀和尺寸。TBM組裝洞室開挖長度根據(jù)所選設備的外型尺寸和組裝的需要，考慮TBM掘進機主機大件的擺放以及部件轉運所必須的卸車區(qū)域等而確定，確保TBM組裝洞室滿足TBM組裝要求，施工方便、結構安全、設計合理。TBM 組裝洞室由TBM服務區(qū)、TBM主機室、TBM步進洞和TBM出發(fā)洞組成，擔負著 TBM 主機、后配套的安裝、調試和 TBM 始發(fā)，以及布置主洞連續(xù)皮帶機、各種施工材料及人員、TBM配件的有軌轉運場等任務。

根據(jù)該工程具體情況，各TBM的組裝洞室采用統(tǒng)一布置，組裝洞室長度為310m，采用鉆爆法施工。下面以TBM1組裝洞室為例介紹TBM組裝洞室結構的典型設計。

3.1 TBM服務區(qū)

TBM1服務區(qū)樁號22+535～22+610，長度為75m，主要作用是滿足TBM皮帶倉等后配套設施的布置，斷面形式為圓拱直墻式斷面。

服務區(qū)開挖斷面尺寸為11.0m×11.21m，成洞斷面尺寸為9.9m×9.402m，初期支護采用系統(tǒng)錨桿φ22，L=2.5m@1.0m～1.2m，拱部掛鋼筋網(wǎng)φ8@200×200，C30噴射混凝土厚度為0.25m，二次模筑C30鋼筋混凝土厚度為0.3m。

3.2 TBM主機室

TBM1主機室樁號22+610～22+690，介于TBM服務區(qū)和步進洞之間，長度為80m，主要作用是作為TBM1的主機安裝間，斷面形式為圓拱直墻式斷面。

主機室開挖斷面尺寸為13.7m×18.5m，頂拱最大開挖寬度為15.9m，成洞斷面尺寸為12.3m×17.04m。初期支護頂拱采用錨噴支護，加網(wǎng)噴混凝土層厚0.2m，鋼筋網(wǎng)為φ8，間距為0.2m，系統(tǒng)錨桿為φ25、與預應力中空注漿錨桿φ28間隔布置，長度為4.0m，間排距為1.2m，鋼支撐為格柵鋼架G150，間距1.0m。邊墻采用錨噴支護，加網(wǎng)噴混凝土層厚0.3m，鋼筋網(wǎng)為φ8，間距為0.2m，巖壁吊車梁部位采用預應力中空注漿錨桿φ28間隔布置，間距0.5m，長4～6m。其余部位系統(tǒng)錨桿為φ25，長4.0m，間排距0.6～1.0m，二次模筑C30鋼筋混凝土厚度為0.5m。

3.3 TBM步進洞

TBM1步進洞樁號22+690～22+820，介于TBM1主機室和出發(fā)洞之間，長度為130m，主要作用是讓先期已經(jīng)組完成的TBM前部進入步進洞，讓出場地繼續(xù)組裝其中部和后部，并在整機組裝完成后進行調試和試運轉。步進洞為圓拱斜墻式斷面。

步進洞開挖斷面尺寸為9.1m ×9.25m，成洞斷面尺寸為8.0m×8.0m，初期支護采用系統(tǒng)錨桿φ22@1.2mm，L=2.5m，撐靴部位以上掛鋼筋網(wǎng)φ8@200×200，C30噴射混凝土厚度為0.15m，鋼支撐采用格柵鋼架G150@1.0m，二次模筑C30鋼筋混凝土厚度為0.4m。

3.4 TBM出發(fā)洞

TBM1出發(fā)洞樁號22+820～22+845，位于TBM1步進洞之后，長度為25m，主要作用是為TBM開始掘進提供足夠支撐能力的出發(fā)場所，出發(fā)洞的斷面形式為圓形斷面。

出發(fā)洞開挖斷面直徑為9.1m，成洞斷面尺寸為7.51m，初期支護采用隨機錨桿φ22@1.2m，L=2.5m，撐靴部位掛鋼筋網(wǎng)φ8@200×200，鋼支撐為格柵鋼架G150，間距1.2m。C30噴射混凝土厚度為0.15m，二次模筑C30鋼筋混凝土厚度為0.645m。

4 組裝洞室結構穩(wěn)定分析

根據(jù)設計，TBM地下組裝洞室結構中主機室的洞室尺寸最大，施工最為復雜，TBM主要部件組裝都要在該部位完成，因此，該部位的結構安全性和穩(wěn)定性至關重要。為了確保安全、合理設計和施工，利用平面有限元法對TBM主機室穩(wěn)定性進行了計算分析，通過建立TBM施工段主機室連續(xù)介質力學模型，利用彈塑性有限元數(shù)值模擬，計算分析主機室開挖過程中的圍巖穩(wěn)定性。

各TBM施工段主機室形狀及尺寸相同，以圍巖地質較差段為例進行了穩(wěn)定性分析以及支護設計。主機室典型斷面形狀及支護情況見圖1。

圖1 TBM主機室斷面形狀和支護情況單位:mm

4.1 計算模型

數(shù)值分析采用彈塑性本構模型和D-P屈服準則，模擬洞室開挖采用了自下至上的開挖順序，每4m為一個施工步，共5個施工步。每一級的開挖簡化處理為一次性全斷面開挖，開挖后及時進行支護，全部開挖后施加吊車梁荷載。

計算邊界確定為3倍開挖寬度，模型左右兩邊采用水平向鉸支座約束，下邊界采用豎向鉸支座約束，上邊界自由延伸至地面。本次有限元數(shù)值分析，選擇大型通用的結構分析商業(yè)軟件ANSYS。

4.2 參數(shù)選取

計算參數(shù)見下頁表1。

4.3 結果分析

4.3.1 位移分析

最終狀態(tài)時，洞室上游邊墻最大水平位移2.15mm，下游邊墻最大水平位移為3.11mm，洞室的最大水平收斂位移為5.26mm，頂拱最大沉降位移為5.23mm，底板最大隆起位移為5.16mm。圖2給出了洞室豎向位移云圖,變形分析結果顯示主機室變形穩(wěn)定。

表1 圍巖和支護物理力學參數(shù)值

4.3.2 應力分析

開挖結束后最大主壓應力為2.71MPa，發(fā)生在兩側邊墻底腳處；最大主拉應力為0.98MPa，發(fā)生在底板中部，其中巖壁梁周圍也有拉應力區(qū)出現(xiàn)，最大值為0.57MPa。從分析結果看出，應力處于穩(wěn)定狀態(tài)。圖3和圖4分別給出了最終狀態(tài)的第一主應力分布云圖和第三主應力分布云圖。

圖3 第一主應力分布云圖

圖4 第三主應力分布云圖

4.3.3 內力分析

在設計支護參數(shù)條件下，經(jīng)計算,支護最大內力值完全滿足承載能力要求，說明在吊車荷載作用下，洞室是穩(wěn)定的。

5 結 語

本文對遼寧省大伙房水庫輸水工程TBM組裝方式進行了分析，重點對TBM采用洞內組裝的情況進行了組裝洞室的結構設計，并采用有限元分析方法進行了主機室的結構穩(wěn)定性分析。在TBM組裝設計中，首先，要盡量采用在洞外組裝TBM的方案，如確實需要在洞內進行TBM的組裝，則應從工程實際出發(fā)，充分考慮組裝洞室的功能特性、施工方法、襯砌結構的工作條件等，確保TBM組裝洞室設計在滿足TBM組裝要求和工期要求的同時，做到施工方便、結構安全、設計合理，并且最大限度地減小工程投資。

[1] 鄧勇.大斷面TBM組裝洞室設計與施工[J].現(xiàn)代隧道技術，2010(1)：66-71.

[2] 黃柏洪，林聰俐，王哲.TBM主機安裝間的設計簡析[J].水利建設與管理，2007(10)：33-37.

[3] 劉邵寶.TBM洞內組裝洞室及其輔助洞室設計[J].建設機械技術與管理，2007(11)：97-101.

Structural Design and Stability Analysis on TBM Underground Fitting Chamber

Li Wen-fu1, Liu Liang2

(1.LiaoningWaterConservancyDepartment,Shenyang110003; 2.LiaoningRunzhongWaterSupplyCo.,Ltd.)

Two sets of TBMs are assembled in the inside chamber in the water conveyance project for the Liaoning Dahuofang Reservoir construction because of restrictions of terrain and landform. This paper introduces the structural design of the TBM underground assembling chamber, and carries out the stability analysis on main machine hall with the largest section by the finite element method.

TBM; underground fitting; chamber; stability analysis; finite element method

TV52

A

1005-4774(2014)10-0000-03