輸水隧洞TBM開(kāi)挖段圍巖預(yù)留變形量確定方法

王小軍

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

輸水隧洞TBM開(kāi)挖段圍巖預(yù)留變形量確定方法

王小軍

（水利部新疆維吾爾自治區(qū)水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000）

目前長(zhǎng)距離輸水隧洞預(yù)留變形量的取值一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及類比方法進(jìn)行設(shè)置，該方法缺乏理論依據(jù)，極易造成資源浪費(fèi)。根據(jù)長(zhǎng)距離深埋隧洞的開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程及變形規(guī)律，以新疆某輸水隧洞工程為依托，采用經(jīng)驗(yàn)公式法及數(shù)值模擬法綜合確定預(yù)留變形量，對(duì)同類型的工程有一定的參考價(jià)值。

長(zhǎng)距離隧洞；預(yù)留變形；有限元

目前地下隧洞工程建設(shè)中，新奧法的施工方式已經(jīng)被普遍采用，長(zhǎng)距離輸水隧洞一般采用TBM掘進(jìn)機(jī)施工為主、鉆爆法為輔的施工手段。掘進(jìn)機(jī)施工段隧洞開(kāi)挖洞徑的確定是一項(xiàng)重要內(nèi)容，通常認(rèn)為圍巖是隧道承擔(dān)荷載的一部分，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)聯(lián)合承載，由于受隧洞埋深、地應(yīng)力、地質(zhì)條件、支護(hù)時(shí)間等因素的影響，隧洞從開(kāi)挖到支護(hù)完成這段時(shí)間是存在變形的，為了保證二次襯砌結(jié)構(gòu)的厚度及隧洞凈空不被侵占，所需預(yù)留的尺寸，即預(yù)留變形量。

預(yù)留變形量也是影響開(kāi)挖洞徑確定的主要因素，此外還包括隧洞成洞洞徑、初期支護(hù)厚度、永久襯砌厚度。對(duì)于隧洞工程，成洞洞徑、初期支護(hù)厚度及二次襯砌厚度比較容易確定，而預(yù)留變形量的設(shè)置通常根據(jù)工程類比經(jīng)驗(yàn)確定，變化范圍較大，設(shè)置過(guò)大造成隧洞超挖，出渣量增加，耽誤工期，增加工程投資。本文以新疆某長(zhǎng)距離輸水隧洞工程為依托，根據(jù)長(zhǎng)距離輸水隧洞開(kāi)挖支護(hù)過(guò)程及變形規(guī)律，采用經(jīng)驗(yàn)公式法及數(shù)值計(jì)算方法綜合確定預(yù)留變形量，為類似工程提供參考建議和經(jīng)驗(yàn)。

1 地質(zhì)概況

新疆某輸水隧洞采用無(wú)壓方式向下游輸水，圓型斷面，設(shè)計(jì)開(kāi)挖洞徑7.0m。隧洞沿線穿越的地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性較多，洞線以泥盆系（D）+石炭系（C）凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、鈣質(zhì)砂巖為主，其次為華力西期侵入的黑云母花崗巖、花崗閃長(zhǎng)巖；二疊系、三疊系的泥質(zhì)、砂巖夾砂礫巖在隧洞尾部有少量分布；隧洞穿越的斷裂破碎帶累計(jì)總長(zhǎng)度7.5km，其中包含5條區(qū)域性斷裂破碎帶共2.08km。隧洞埋深一般在150～650m，平均埋深428m，最大埋深774m，洞身段大多數(shù)處于新鮮巖體內(nèi)，裂隙不發(fā)育，圍巖呈塊狀和厚層狀，巖體較完整，以中硬巖、硬巖為主，隧洞沿線地下水以基巖裂隙水為主，流量較小。根據(jù)地勘成果洞線Ⅱ類圍巖占洞線全長(zhǎng)的42.65%，Ⅲ類圍巖占43.82%，Ⅳ類圍巖占11.66%，Ⅴ類圍巖占1.87%。TBM施工段Ⅴ類圍巖斷面的預(yù)留變形量控制開(kāi)挖洞徑取值，隧洞開(kāi)挖洞徑7.0m，成洞洞徑5.84m。Ⅴ類圍巖段洞身斷面頂拱290°范圍，噴護(hù)180mm厚C30混凝土，并掛φ10@150mm×150mm鋼筋網(wǎng)；頂拱180°范圍設(shè)置3.0m長(zhǎng)φ25中空錨桿，側(cè)底拱設(shè)置3.0m長(zhǎng)φ22砂漿錨桿，錨桿間排距1.0m；洞周采用HW150全環(huán)支撐鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，榀距0.90～1.20m；通過(guò)大的斷層破碎帶時(shí)，可根據(jù)需要采用超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固圍巖，二次襯砌厚度0.35m。Ⅴ類圍巖洞段支護(hù)結(jié)構(gòu)斷面如圖1。

圖1 Ⅴ類圍巖設(shè)計(jì)襯砌橫斷面

2 計(jì)算方法及參數(shù)選擇

對(duì)于深埋隧洞預(yù)留變形量的研究方法，目前沒(méi)有較為成熟的理論，相關(guān)隧洞預(yù)留變形量的研究多為定性描述，定量研究較少。在無(wú)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控資料時(shí)，通常根據(jù)工程類比法、經(jīng)驗(yàn)公式法或數(shù)值模擬法進(jìn)行確定。國(guó)內(nèi)部分工程預(yù)留變形量取值如表1。

表1 預(yù)留變形量工程實(shí)例

本工程TBM施工段初擬開(kāi)挖洞徑7.0m，參照以上工程實(shí)例，對(duì)于Ⅴ類圍巖段預(yù)留變形可取5cm。以下采用公式法及數(shù)值模擬方法進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。參照《錦屏二級(jí)水電站引水隧洞軟巖段變形特征及預(yù)留變形分析》中的經(jīng)驗(yàn)公式，結(jié)合彈塑性有限元法塑性區(qū)及應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算成果進(jìn)行計(jì)算：

Ⅴ類圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表2。

表2 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

在采用數(shù)值分析法前對(duì)預(yù)留變形量做如下定義：隧洞開(kāi)挖后圍巖可能產(chǎn)生較大的擠壓變形，為防止變形導(dǎo)致初期支護(hù)侵入凈空，需要將原設(shè)計(jì)的開(kāi)挖輪廓徑向擴(kuò)大，擴(kuò)大部分用于彌補(bǔ)變形，則徑向擴(kuò)大的尺寸為預(yù)留變形量。因此，將隧洞初期支護(hù)完成后圍巖產(chǎn)生的最大變形定義為預(yù)留變形。隧洞洞徑擴(kuò)大后可能導(dǎo)致變形計(jì)算成果有所變化，但其量值非常小，可忽略不計(jì)。

數(shù)值模擬計(jì)算采用彈塑性有限元法，圍巖采用彈塑性模型模擬，單元類型選擇實(shí)體單元，開(kāi)挖過(guò)程通過(guò)分析步及增量步結(jié)合的方式進(jìn)行。

三維模型尺寸作為對(duì)稱模型取一半進(jìn)行計(jì)算，則X× Y×Z=30m×60m×60m。三維有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型

3 計(jì)算成果分析

采用彈塑性有限元法及彈塑性公式法預(yù)留變形成果如表3。

表3 預(yù)留變形計(jì)算成果

通過(guò)彈塑性有限元法及彈塑性公式法計(jì)算得出，埋深較大斷面由于地應(yīng)力高，隧洞開(kāi)挖位移相對(duì)較大。由計(jì)算成果可知彈塑性有限元法及公式法計(jì)算成果較為接近，Ⅴ類圍巖計(jì)算值6.9cm；TBM掘進(jìn)段通過(guò)的Ⅴ類圍巖段均為規(guī)模很小的斷層帶，多數(shù)斷層帶寬度均不足30m，TBM通過(guò)的最大斷層帶為F49，寬度60m；考慮斷層帶兩側(cè)均為完整巖石，對(duì)斷層變形有一定的約束作用，其實(shí)際變形應(yīng)小于計(jì)算值。綜上所述因素考慮Ⅴ類圍巖段預(yù)留變形取5cm，計(jì)算結(jié)論與工程類比結(jié)果一致。

4 結(jié)語(yǔ)

在類似隧洞工程施工中，可對(duì)隧洞首先進(jìn)行數(shù)值模擬及經(jīng)驗(yàn)公式法分析隧洞圍巖變形規(guī)律，基于有限元計(jì)算結(jié)果，結(jié)合地質(zhì)條件綜合考慮預(yù)留變形量的設(shè)置，能夠有效減少因人為經(jīng)驗(yàn)因素造成預(yù)留變形量設(shè)置不合理的情況，具有一定的實(shí)際意義。

［1］王鵬．臺(tái)階法施工中下臺(tái)階開(kāi)挖對(duì)預(yù)留變形量的影響［J］．地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010，6（5）：1077-1080．

［2］趙東平，喻渝，王明年，等．大斷面黃土隧道變形規(guī)律及預(yù)留變形量研究［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46（6）：64-69.

［3］JTG D70—2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．

［4］謝貽權(quán).何福保.彈性和塑性力學(xué)中的有限單元法［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

［5］王勖成，邵敏.有限單元法的基本原理和數(shù)值方法［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1997.

（責(zé)任編輯：尹健婷）

Determination of preset deformation for TBM excavation section surrounding rocks in water conveyance tunnel

WANG Xiao-jun
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

The value of long distance water conveyance tunnel preset deformation is based on the engineering experience and analogy method.This method is lack of theoretical basis and easy to cause the waste of resources.According to the excavation supporting process and deformation regularity of long distance deep buried tunnel， based on a water conveyance tunnel project in Xinjiang，the experience formula method and numerical simulation method is adopted to define the preset deformation，it have a reference for the similar project.

long distance tunnel；preset deformation；finite element

TV672+.1

B

1672-9900（2017）01-0067-03

2017-01-16

王小軍（1984-），男（漢族），甘肅天水人，工程師，主要從事水利水電工程設(shè)計(jì)及水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力仿真分析研究工作，（Tel）15999167075。