敞開式TBM大坡度掘進(jìn)施工特征研究

李安云 康元鋒 晁 林

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司 上海 200070)

1 引言

TBM施工機(jī)械在地鐵隧道及地下空間施工不僅涵蓋高埋深、高地應(yīng)力等復(fù)雜地層，還包括施工線路的復(fù)雜性。牛奔[1]基于地層分界面傾角的參數(shù)特征，闡述各項(xiàng)特征下隧道支護(hù)體系的受力情況，總結(jié)出軟硬不均地層條件下隧道的變形與應(yīng)力、支護(hù)體系應(yīng)力等特點(diǎn)。王飛陽等[2]通過考慮力流特性的有限元模擬，分析了TBM掘進(jìn)期間周圍地層的應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)變能特性，指出隧道應(yīng)力最值的位置與其所受剪應(yīng)力、水平及豎向集中應(yīng)力的程度有關(guān)。徐鵬等[3]研究指出，TBM掘進(jìn)過程中的摩擦力隨著進(jìn)深會(huì)有所加大，施工期間應(yīng)防止卡盾現(xiàn)象發(fā)生；從硬巖到軟巖階段的施工環(huán)境，錨桿的支護(hù)效果有所增強(qiáng)。胡軍[4]通過總結(jié)TBM施工重難點(diǎn)，采用撐靴加固措施，并將其成功運(yùn)用于工程實(shí)際。張彪[5]給出了TBM掘進(jìn)法與礦山法兩種工況下，周圍巖層及支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形差異，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

現(xiàn)有文獻(xiàn)中，鮮有TBM在煤礦斜井方面的研究。大多數(shù)學(xué)者僅僅給出了TBM法施工期間安全井下作業(yè)、風(fēng)險(xiǎn)管控方面的指導(dǎo)意見及建議。在敞開式TBM沿大坡度掘進(jìn)方面，周圍地層變形及應(yīng)力特征、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性少之又少[6－8]。鑒于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)條件不足等難題[9]，需要尋求其他方法進(jìn)行探索，如數(shù)值模擬，現(xiàn)有的三維模擬能較全面地掌握施工動(dòng)態(tài)[10－12]。

本文根據(jù)在建重難點(diǎn)工程，考慮TBM實(shí)際開挖過程中的施工步序及各結(jié)構(gòu)體系部件，以期模擬分析得到周圍巖層的位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、噴射混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)力、錨索及錨桿應(yīng)力等，可為相關(guān)工程的規(guī)范施工提供借鑒。

2 工程背景

2.1 總體概述

本工程煤礦斜井建設(shè)規(guī)模1 000萬t/年，服務(wù)年限85.4年。礦井采用斜井開拓方式，在工業(yè)場(chǎng)地布置主、副斜井，在中央風(fēng)井場(chǎng)地布置中央進(jìn)、回風(fēng)立井，在北一風(fēng)井場(chǎng)地布置北一回風(fēng)立井。采用大巷條帶式布置工作面，工作面采用走向長(zhǎng)壁綜采一次采全高采煤方法。副斜井傾角6°，下山施工，每隔600 m設(shè)50 m的緩沖段，斜長(zhǎng)5 305.3 m，井筒落底后通過平段與南北翼輔助運(yùn)輸大巷聯(lián)系，副斜井井筒行駛無軌膠輪車。副斜井承擔(dān)礦井材料及人員運(yùn)輸、進(jìn)風(fēng)任務(wù)，兼做安全出口。副斜井每600 m設(shè)置一條聯(lián)絡(luò)平巷，每隔40 m設(shè)一個(gè)躲避硐。根據(jù)建設(shè)單位施工部署，副斜井井筒采用明槽開挖＋TBM工法施工。

2.2 TBM段施工詳述

TBM段施工采用敞開式TBM，縱向坡度為6°，井筒開挖直徑7 130 mm，同時(shí)TBM配備了錨網(wǎng)噴支護(hù)系統(tǒng)、鋼拱架支護(hù)系統(tǒng)、仰拱吊機(jī)、超前管棚支護(hù)及注漿系統(tǒng)、鋼筋排架支護(hù)系統(tǒng)、二次風(fēng)機(jī)、除塵風(fēng)機(jī)、皮帶運(yùn)輸機(jī)以及各種監(jiān)控儀器。TBM刀盤、主梁等重大構(gòu)件采用分塊分段設(shè)計(jì)，在硐外進(jìn)行組裝，整體步進(jìn)通過明槽段后，在TBM始發(fā)硐內(nèi)進(jìn)行始發(fā)。

TBM掘進(jìn)段井筒采用錨網(wǎng)噴＋錨索支護(hù)形式，底部安裝預(yù)制仰拱塊并進(jìn)行注漿填充，其上部填充C15混凝土＋0.3 m厚C30混凝土鋪底。一旦地質(zhì)條件不滿足設(shè)計(jì)初支要求，須對(duì)TBM掘進(jìn)段井筒采用鋼拱架＋錨網(wǎng)噴＋錨索支護(hù)初支方式，必要時(shí)加裝防水板和砌碹，確保井筒滿足防水要求及85.4年運(yùn)營(yíng)要求。TBM掘進(jìn)斷面如圖1所示，具體參數(shù)見表1。

圖1 TBM段剖面(單位:mm)

表1 TBM掘進(jìn)斷面施工參數(shù)

3 三維數(shù)值模型建立

3.1 地質(zhì)條件及整體模型

本工程井田位于鄂爾多斯盆地之次級(jí)構(gòu)造單元斜坡中南部，地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，總體構(gòu)造形態(tài)為一北西西向傾斜的單斜層，傾角小于1°，局部發(fā)育寬緩的波狀起伏。區(qū)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)巖漿活動(dòng)痕跡。本次施工的井筒檢查鉆孔揭露地層由新至老依次為:第四系全新統(tǒng)現(xiàn)代風(fēng)積砂、上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組、第四系中更新統(tǒng)離石黃土(Q2l)、白堊系洛河組、侏羅系安定組(J2a)、直羅組(J2z)。

在三維數(shù)值模型中，重點(diǎn)模擬TBM掘進(jìn)至140 m深度時(shí)的工況，并將該區(qū)段地層概化為一層，具體取值參考表2。限于模型尺寸與實(shí)際空間的差異，將其上120 m的地層應(yīng)力施加于模型上邊界，三維整體模型見圖2，邊界條件為底部固結(jié)，側(cè)面約束垂直方向的位移。

表2 地層參數(shù)

圖2 三維整體模型

3.2 各部件單元模擬

(1)開挖巖層及周圍核心地層

副斜井傾角為6°，為了表達(dá)該工程較大的縱向坡度，對(duì)TBM段開挖巖層及周圍核心地層進(jìn)行單獨(dú)網(wǎng)格劃分。如圖3所示，模型共分為10個(gè)開挖步，每個(gè)開挖步為兩環(huán)支護(hù)寬度。

圖3 開挖巖層及周圍核心地層模擬

(2)支護(hù)體系

TBM段支護(hù)體系包括噴射混凝土、錨桿、錨索支護(hù)，其中噴射混凝土采用板殼單元模擬，錨桿及錨索均采用桁架單元模擬。每個(gè)分析步共設(shè)18個(gè)錨桿單元和3個(gè)錨索單元，這兩類單元的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量分別為2和1。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 地層位移場(chǎng)分析

圖4為TBM開挖貫通后地層位移場(chǎng)云圖，并繪制TBM開挖導(dǎo)致的深層土體豎向位移，見圖5，其反映了拱頂上方20 m左右位置的豎向位移隨開挖距離的變化關(guān)系，可以看出該變化規(guī)律與已有文獻(xiàn)[1]研究結(jié)論相似。

圖4 TBM開挖周圍地層位移云圖

圖5 TBM開挖導(dǎo)致周圍地層位移隨開挖步變化曲線

4.2 地層應(yīng)力場(chǎng)分析

圖6為TBM開挖貫通后地層應(yīng)力場(chǎng)云圖，由圖6可知，TBM開挖導(dǎo)致的周圍地層最大應(yīng)力為6.1 MPa。

圖6 TBM開挖周圍地層應(yīng)力云圖

4.3 噴混結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

本工程噴射混凝土的結(jié)構(gòu)內(nèi)力如圖7所示，其中正彎矩最值為98.4 kN·m，負(fù)彎矩最值為101.7 kN·m；軸力最大值為1 053.5 kN，軸力最小值為－1 373.4 kN。

圖7 噴混結(jié)構(gòu)內(nèi)力云圖

4.4 錨索錨桿應(yīng)力分析

圖8為錨索錨桿的應(yīng)力云圖，可以看出，錨索錨桿的最大應(yīng)力為575 MPa，最小應(yīng)力為276.2 MPa。

圖8 錨桿錨索應(yīng)力云圖

5 結(jié)束語

(1)基于三維有限元軟件，建立了考慮各結(jié)構(gòu)部件真實(shí)特性的分析模型，同時(shí)按照TBM隧道開挖步序?qū)Ω魇┕るA段進(jìn)行闡述分析。

(2)該工程坡度大，TBM快速施工難免對(duì)周圍巖層造成影響。通過三維有限元分析，得到圍巖的位移場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，為超前施工與加固提供了技術(shù)支持。

(3)TBM大坡度掘進(jìn)施工過程中，噴射混凝土的內(nèi)力處于允許范圍內(nèi)，由錨桿、錨索的應(yīng)力值可知該工序的重要性，規(guī)范施工是保證大坡度TBM快速施工的基本前提。