TBM擴(kuò)大洞室及交叉段圍巖穩(wěn)定數(shù)值分析

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

1 工程概況

新疆重點(diǎn)輸水工程包括41.0km的主洞。具體施工分段規(guī)劃見表1。

表1 喀雙段工程分段規(guī)劃

工程布置如下：

a. TBM掘進(jìn)洞段：TBM9設(shè)備掘進(jìn)洞段為主洞段樁號(hào)204+153m～224+823m(長(zhǎng)度20.67km)，開挖洞徑7.0m。TBM10設(shè)備掘進(jìn)洞段為主洞段樁號(hào)225+483m～245+153m(長(zhǎng)度19.67km)，開挖洞徑7.0m。TBM9和TBM10兩臺(tái)TBM總掘進(jìn)長(zhǎng)度40.34km。

b.鉆爆法開挖段：224+823m～225+483m(長(zhǎng)度0.66km)。

c.T5勘探試驗(yàn)洞：T5勘探試驗(yàn)洞末端與喀雙隧洞225+153m樁號(hào)處相交，進(jìn)口布置在主洞左側(cè)，與主洞夾角130°33＇41″，進(jìn)口高程約1246.833m，與主洞交點(diǎn)高程550.461m，長(zhǎng)度約6243.73m，采用TBM掘進(jìn)機(jī)開挖，斷面型式為圓形，開挖斷面尺寸為8.5m?？碧皆囼?yàn)洞開挖掘進(jìn)完成后，通過(guò)回填混凝土型式改造縱坡，形成長(zhǎng)為200m坡度為11.80%的陡坡，長(zhǎng)+20m坡度為3.0%的緩坡。井底布置30m長(zhǎng)縱坡為零的洞段，采用豎曲線為1000.00m圓弧與陡坡段連接?？碧皆囼?yàn)洞與主洞相交后繼續(xù)前進(jìn)施工200m用于TBM設(shè)備拆卸。隧洞交叉段平面布置見圖1。

圖1 隧洞交叉段平面布置

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 地質(zhì)條件

該段隧洞埋深在707～723m，均處在新鮮基巖內(nèi)，泥盆系凝灰質(zhì)砂巖，為堅(jiān)硬巖，圍巖整體穩(wěn)定性好，以Ⅱ類圍巖為主，斷層帶及影響帶為Ⅳ、Ⅴ類圍巖；其中Ⅱ類圍巖占該段總長(zhǎng)的89.87%；Ⅳ、Ⅴ類圍巖占該段總長(zhǎng)的10.13%，圍巖的初始應(yīng)力為16.8～22.2MPa，側(cè)壓力系數(shù)為1.3。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主洞設(shè)計(jì)斷面采用城門洞形，跨度為14.4m，高度為16.2m，頂拱及邊墻支護(hù)采用200mm厚C30噴射混凝土，掛φ8間距200×200mm鋼筋網(wǎng)，采用5m長(zhǎng)φ28砂漿錨桿，間距為1.2m，梅花形布置，底板采用C30素混凝土。主支洞交叉處最大斷面跨度為22.315m，支護(hù)形式基本同主洞斷面。

主洞及主支洞的斷面及支護(hù)形式如圖2、圖3所示。

圖2 主洞設(shè)計(jì)斷面及支護(hù)形式 (單位：mm)

圖3 主支洞交叉處最大斷面及支護(hù)形式 (單位：mm)

3 數(shù)值計(jì)算分析

計(jì)算采用成熟的顯式有限差分軟件FLAC3D，該程序適合模擬地質(zhì)材料的破壞和塑性流動(dòng)的力學(xué)行為，已大規(guī)模運(yùn)用于模擬巖土體的大變形、失穩(wěn)支護(hù)、加固、建造及開挖等工程問(wèn)題。

3.1 主要參數(shù)選取

計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 數(shù)值計(jì)算主要參數(shù)

3.2 位移分析

3.2.1 主洞部位

由圖4(a)位移矢量圖可以看出洞室開挖后的圍巖位移趨勢(shì)，其中最大位移值為18.3mm，發(fā)生在洞室側(cè)壁部位，這一點(diǎn)可以從圖4(b)水平向位移云圖中得出相同結(jié)論；從圖4(c)豎直方向位移云圖中可以看出，拱頂位移為11.2mm，底板位移為15.7mm?？傮w來(lái)說(shuō)，洞室的水平位移大于豎直位移。

圖4 主洞洞室開挖位移

3.2.2 主支洞交叉部位

由圖5(a)位移矢量圖可以看出洞室開挖后的圍巖位移趨勢(shì)，其中最大位移值為22.3mm，發(fā)生在洞室底板部位。從圖5(b)水平向位移云圖中可以看出，洞室側(cè)壁的水平位移值為19.6mm；從圖5(c)豎直方向位移云圖中可以看出，拱頂位移為19.0mm，底板位移為22.2mm。總體來(lái)說(shuō)，由于主支洞交叉部位洞室跨度的增大，洞室的水平位移值與豎直位移值均有所增大，且豎直方向位移值增加更明顯，已超過(guò)水平方向位移值。

圖5 主支洞交叉部位洞室開挖位移

3.3 應(yīng)力分析

3.3.1 主洞部位

由圖6(a)可以看出，洞室開挖后圍巖最大主應(yīng)力最大值為33.8MPa，出現(xiàn)在頂拱3m深度范圍左右，最大主應(yīng)力較大值主要分布在沿拱頂和底板深度2～6m的弧形范圍；由圖6(b)可以看出，最小主應(yīng)力越靠近洞壁，數(shù)值越趨向于零，存在拉應(yīng)力0.02MPa；由圖6(c)可以看出，最大水平應(yīng)力為33.5MPa，分布在拱頂及底板深度5m左右。由圖6(d)可以看出，最大豎直應(yīng)力為21.1MPa，分布在洞室兩側(cè)深度3～6m范圍，頂拱及底板豎向應(yīng)力為零。

圖6 主洞洞室開挖應(yīng)力云圖

3.3.2 主支洞交叉部位

由圖7(a)可以看出，洞室開挖后圍巖最大主應(yīng)力最大值為30.7MPa，出現(xiàn)在頂拱6m深度范圍左右，最大主應(yīng)力較大值主要分布在沿拱頂和底板深度2～8m的弧形范圍；由圖7(b)可以看出，最小主應(yīng)力越靠近洞壁，數(shù)值越趨向于零，存在拉應(yīng)力0.04MPa；由圖7(c)可以看出，最大水平應(yīng)力為30.6MPa，出現(xiàn)在拱頂深度為5m左右，較大值分布在拱頂及底板深度5～8m左右。由圖7(d)可以看出，最大豎直應(yīng)力為23.6MPa，出現(xiàn)在洞壁兩側(cè)深度為4.5m左右，較大值分布在洞室兩側(cè)深度3～6m范圍，頂拱及底板豎向應(yīng)力為零。

圖7 主支洞交叉部位洞室開挖應(yīng)力云圖

3.4 洞室圍巖穩(wěn)定判別

在位移方面，根據(jù)《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB 50086—2015)，隧洞周邊允許相對(duì)位移值為0.4%，該次計(jì)算隧洞周邊相對(duì)位移值為0.16%，滿足規(guī)范要求，圍巖穩(wěn)定。在應(yīng)力方面，洞室周邊最大壓應(yīng)力為30.7MPa，遠(yuǎn)小于巖石抗拉強(qiáng)度135MPa；拉應(yīng)力極小，亦小于巖體的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明圍巖有較好的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)上述數(shù)值計(jì)算分析，新疆引額供水二期輸水工程TBM主洞及主支洞交叉段在采用該設(shè)計(jì)參數(shù)支護(hù)下，圍巖松動(dòng)圈范圍內(nèi)圍巖得到了有效的加固，圍巖整體基本穩(wěn)定；在巖體開挖后及初期支護(hù)之前，仍要重點(diǎn)注意頂拱部位(特別是在主支洞交叉段)局部塊體的塌落對(duì)施工安全造成的隱患。此外，可考慮適當(dāng)增加此部位圍巖的位移監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步提高施工的安全系數(shù)。

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