TBM隧洞開挖施工過(guò)程中圍巖穩(wěn)定及初期支護(hù)三維仿真模擬

王凱生，周應(yīng)祥，王紅帥

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

在新時(shí)代推進(jìn)西部大開發(fā)形成新格局的影響下，新疆大力開展水利工程建設(shè)，其中超長(zhǎng)輸水隧洞在新疆水利發(fā)展布局中起著至關(guān)重要的作用。由于超長(zhǎng)隧洞的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜這一特殊性，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于長(zhǎng)距離隧洞常采用TBM(全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī))結(jié)合鉆爆法(用于機(jī)組檢修、組裝洞段)進(jìn)行組合施工，大多數(shù)學(xué)者結(jié)合不同地質(zhì)條件的隧洞對(duì)TBM機(jī)組及施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，例如宋法亮等[1]根據(jù)高黎貢山隧道具有的高地應(yīng)力、多斷層破碎帶的復(fù)雜地質(zhì)條件，通過(guò)調(diào)研實(shí)際案例，提出鋼筋排、鋼拱架聯(lián)合噴射混凝土及時(shí)支護(hù)方案，并結(jié)合TBM機(jī)實(shí)際施工工序，設(shè)計(jì)高適應(yīng)性的TBM以此減少由地質(zhì)因素引起的施工質(zhì)量及安全影響；洪開榮等[2]通過(guò)對(duì)TBM刀盤磨損試驗(yàn)，結(jié)合對(duì)搭式HSP法、RTP巖體溫度法的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)對(duì)高黎貢山隧道的TBM進(jìn)行高適應(yīng)性機(jī)組設(shè)計(jì)；吳世勇等[3]通過(guò)對(duì)錦屏二級(jí)水電站中深埋特長(zhǎng)引水隧洞存在的高地應(yīng)力、突涌水、溶洞以及斷層破碎帶等工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)其TBM施工工法進(jìn)行研究，針對(duì)性地提出不良地質(zhì)條件下的施工措施；周建軍等[4]結(jié)合傳統(tǒng)鉆爆法和TBM導(dǎo)洞擴(kuò)挖技術(shù)，研究不同工法結(jié)合的適應(yīng)性，以此解決TBM遇軟弱地層引起的卡盾(大變形)問(wèn)題；李建華等[5]針對(duì)深埋隧洞TBM掘進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，提出圍巖與TBM相互作用機(jī)制理論、TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)以及安全評(píng)估方法；李濤[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析方法，以圍巖穩(wěn)定性判別標(biāo)準(zhǔn)和巖體完整性指標(biāo)為基礎(chǔ)，探究隧洞破碎圍巖段噴錨支護(hù)技術(shù)；馬騁[7]等就TBM卡機(jī)施工程實(shí)例，分析塌方地質(zhì)與設(shè)備受損情況，提出針對(duì)性TBM脫困措施；鄧銘江等[8]結(jié)合北疆供水二期工程中TBM、盾構(gòu)并結(jié)合鉆爆法施工的特性，對(duì)提高TBM安全高效掘進(jìn)技術(shù)水平提出了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)、適應(yīng)性裝備、智能化掘進(jìn)、設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)以及輔助破巖技術(shù)的發(fā)展研究方向。

由于TBM配套支護(hù)機(jī)組中機(jī)身固定機(jī)組(撐靴)以及一定施作范圍機(jī)組(護(hù)盾、錨桿鉆機(jī))的區(qū)域工作特性，導(dǎo)致支護(hù)措施以及結(jié)構(gòu)施工的工序是根據(jù)不同類級(jí)圍巖進(jìn)行調(diào)整的，部分學(xué)者針對(duì)TBM機(jī)施工支護(hù)與圍巖的相互作用機(jī)理進(jìn)行了三維數(shù)值模擬研究，如：程建龍等[9]采用FLAC3D數(shù)值模擬雙護(hù)盾TBM在復(fù)合地層條件的圍巖掘進(jìn)過(guò)程，研究圍巖變形、護(hù)盾受力特性以及相互作用機(jī)制；蔣邦友[10]以巖爆地質(zhì)條件為背景，結(jié)合數(shù)值模擬、理論分析以及真三軸試驗(yàn)，研究TBM施工中發(fā)生巖爆的孕育機(jī)制以及演化過(guò)程；唐彬[11]通過(guò)巖塊三軸壓縮試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)模擬TBM掘進(jìn)過(guò)程中圍巖擾動(dòng)、應(yīng)力場(chǎng)以及位移演化過(guò)程，并結(jié)合應(yīng)力、位移現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行施工支護(hù)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)；楊曉剛[12]以八十一大坂隧洞為仿真模擬的工程背景，進(jìn)行仿真模擬研究TBM實(shí)際施工工序和工作參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，提出數(shù)值模擬結(jié)合三維動(dòng)態(tài)可視化系統(tǒng)的嶄新分析方法。

由于超長(zhǎng)輸水隧洞常伴隨不同圍巖類級(jí)劃分，其支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)也隨之變化，因此本文以新疆某大型輸水隧洞工程為依托，主要在不同圍巖工況下，利用已施工支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)TBM隧洞初期支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行三維有限元數(shù)值模擬，分析不同圍巖的穩(wěn)定和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力特性，為初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 工程概況

新疆某輸水工程等別為Ⅰ等大(1)型工程，由攔河引水樞紐、5條輸水隧洞、1座輸水渡槽、3座輸水倒虹吸、3座節(jié)制退(分)水閘、入庫(kù)建筑物等組成，輸水線路全長(zhǎng)148.246km。其中輸水隧洞，總長(zhǎng)為140.771km，采用5臺(tái)TBM施工，開挖直徑為7.8m。該工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，隧洞主要通過(guò)的地層巖性有奧陶系中上統(tǒng)哈巴河組黑云母石英片巖、二云石英片巖、華力西晚期變質(zhì)花崗巖夾閃長(zhǎng)巖、黑云母斜長(zhǎng)花崗巖、片麻狀花崗巖等。

根據(jù)前期地質(zhì)勘探得知，全線洞段共分為4種圍巖類別，分別為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中Ⅲ類圍巖甄別過(guò)程部分巖性類似Ⅳ類圍巖，為了保證支護(hù)結(jié)構(gòu)安全，對(duì)Ⅲ類圍巖進(jìn)一步細(xì)分為Ⅲa、Ⅲb類，其對(duì)應(yīng)的初期支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)也有變化，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖揭露及支護(hù)情況，Ⅱ類、Ⅲa類支護(hù)情況良好，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類支護(hù)存在圍巖變形收斂較大情況，因此本文選取計(jì)算斷面為Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖洞段中地質(zhì)巖性相對(duì)較差、覆蓋面最廣、最長(zhǎng)，并考慮現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)影響最大以及特殊地層(斷層帶)的洞段，其目的為校核支護(hù)結(jié)構(gòu)安全裕度以及分析圍巖變形較大原因，計(jì)算斷面具體條件見表1。

表1 計(jì)算斷面地質(zhì)條件 單位：m

Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ類圍巖初期支護(hù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，具體參數(shù)如下。

圖1 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

(1)Ⅲb類圍巖段初期支護(hù)設(shè)計(jì)：全斷面噴護(hù)12cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設(shè)Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.5m，并架設(shè)HW125型鋼拱架，榀距1.5～2.0m。

(2)Ⅳ類圍巖段初期支護(hù)設(shè)計(jì)：全斷面噴護(hù)20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設(shè)Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.0m，間、排距1.2m，并架設(shè)HW150型鋼拱架，榀距1.2～1.5m。

(3)Ⅴ類圍巖段，初期支護(hù)設(shè)計(jì)：全斷面噴護(hù)20cm厚C30混凝土并掛φ8@200×200鋼筋網(wǎng)，頂拱、邊墻范圍布設(shè)Φ25砂漿錨桿，錨桿L=3.5m，間、排距1.0m，并架設(shè)HW150型鋼拱架，榀距0.9～1.2m。

2 TBM開挖仿真模擬

2.1 設(shè)計(jì)模型的選擇

設(shè)計(jì)模型采用地層-結(jié)構(gòu)模型，該模型能夠利用圍巖自身承載力，結(jié)合初期支護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合承載山巖壓力，并能很好的抑制圍巖持續(xù)變形，實(shí)現(xiàn)洞周快速自穩(wěn)。由于研究對(duì)象是深埋地下洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)及圍巖，根據(jù)工程地質(zhì)學(xué)中的常取3～5倍洞徑范圍作為影響圈邊界的計(jì)算域，結(jié)合實(shí)際工程TBM機(jī)掘進(jìn)工序(距離掌子面60m后噴射混凝土)選取圍巖計(jì)算范圍：上下左右尺寸均大于5倍洞徑，前后尺寸結(jié)合TBM機(jī)噴混工作臺(tái)距離，即水平方向?qū)?00m，垂直方向高100m，開挖方向長(zhǎng)78m，計(jì)算模型整體視為三維應(yīng)力-應(yīng)變問(wèn)題，采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系。模型的網(wǎng)格劃分如圖2所示，圍巖整個(gè)模型共劃分三維實(shí)體單元21216個(gè)、Ⅲb類圍巖錨桿單元4992個(gè)、拱架單元1664個(gè)；Ⅳ類圍巖錨桿單元6240個(gè)、拱架單元2080個(gè)；Ⅴ類圍巖錨桿單元7488個(gè)、拱架單元為2496個(gè)；巖體、混凝土采用8節(jié)點(diǎn)6面體實(shí)體單元模擬，錨桿采用桿件單元模擬，拱架采用梁?jiǎn)卧M。假定地層、噴混、錨桿和拱架材料均為各向同性。

圖2 計(jì)算模型及有限元模型網(wǎng)格劃分

2.2 模型參數(shù)及邊界條件

模型參數(shù)的選取是綜合勘察期、施工期巖塊試驗(yàn)成果，類比附近已建工程巖體的原位試驗(yàn)成果，結(jié)合施工揭露的圍巖基本地質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)面性狀，并參考SL 629—2014《引調(diào)水線路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》附錄B各類圍巖物理力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)取值，提出本次選取斷面的巖體參數(shù)具體見表2。

表2 計(jì)算斷面圍巖地質(zhì)參數(shù)

位移邊界參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-10]確定：頂部自由，沿洞軸線兩側(cè)、前后平面法向約束，底部平面法向和切向約束。

荷載邊界：初始荷載為除各部件自重外，模型上部邊界施加均布荷載，上部荷載邊界主要分為覆蓋層壓力和外水壓力，其中外水壓力根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)已開挖洞段地下水活動(dòng)狀態(tài)資料近似取值；掘進(jìn)荷載是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工單位提供刀盤推力以及護(hù)盾頂部油缸壓力進(jìn)行推算后，以均布荷載的形式，在開挖每循環(huán)中作用到隧洞周圍以及掌子面。

2.3 開挖及初期支護(hù)仿真數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)

模擬隧洞開挖至初期支護(hù)施工全過(guò)程：隧洞的開挖問(wèn)題實(shí)質(zhì)主要是應(yīng)力的釋放，TBM開挖施工步驟十分復(fù)雜，其涉及護(hù)盾臨時(shí)支撐開挖過(guò)程中的應(yīng)力釋放，出護(hù)盾后錨桿與拱架施工應(yīng)力重分布、開挖至掌子面距離60m后的噴混施工應(yīng)力重分布問(wèn)題。因此，初期支護(hù)施工過(guò)程主要研究對(duì)象為圍巖收斂變形，即圍巖水平位移、豎向位移、錨桿、拱架和噴層受力特性。有限元計(jì)算中，初期支護(hù)施工時(shí)巖體應(yīng)力釋放，若直接根據(jù)施工工序模擬，巖體應(yīng)力早已有所釋放，初期支護(hù)體系起不到及時(shí)支撐作用，所以，考慮到隧洞開挖中的地層損失，結(jié)合該工程，將巖體進(jìn)行分區(qū)，分為開挖區(qū)和洞周巖體影響區(qū)，開挖前采用軟化模量法對(duì)開挖區(qū)的彈性模量進(jìn)行軟化，以此模擬開挖施工過(guò)程部分應(yīng)力釋放。

計(jì)算模擬過(guò)程中，由于護(hù)盾長(zhǎng)6m，為了模擬隧洞開挖出護(hù)盾過(guò)程，開挖步進(jìn)為3m一循環(huán)，開挖2循環(huán)后，下一循開始前施作對(duì)應(yīng)圍巖類別的錨桿和拱架，并去除最后1循環(huán)的護(hù)盾單元；由于初期支護(hù)噴射混凝土在掌子面開挖60m后施作，因此，噴層在模型拱架、錨桿施作60m后直接施作上去；整體總共設(shè)置了88個(gè)計(jì)算步(STEP)，具體內(nèi)容說(shuō)明如下：

(1)初始地應(yīng)力工況，根據(jù)地質(zhì)實(shí)測(cè)，考慮水平應(yīng)力，圍巖網(wǎng)格單元進(jìn)行應(yīng)力賦值，以便仿真模擬巖體內(nèi)力，重新建立一個(gè)相同圍巖模型，對(duì)其進(jìn)行邊界條件控制，強(qiáng)制讓邊界發(fā)生位移，使網(wǎng)格在自重及水平應(yīng)力條件下產(chǎn)生應(yīng)力重分布(構(gòu)造應(yīng)力)，經(jīng)過(guò)反復(fù)試算直到與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際圍巖應(yīng)力相符后，將網(wǎng)格各節(jié)點(diǎn)應(yīng)力導(dǎo)入到需要開挖計(jì)算的模型中，并鎖死巖體模型最外位移邊界，以此模擬不受擾動(dòng)圍巖。

(2)開挖前軟化開挖區(qū)域單元，以此模擬刀盤開挖擾動(dòng)的掌子面圍巖。

(3)在開挖區(qū)域未去除前，施加錨桿、拱架單元施，使其支護(hù)結(jié)構(gòu)在巖體未卸荷前發(fā)揮支撐作用，其中Ⅴ類圍巖考慮應(yīng)急噴混單元的施作。

(4)在開挖60m后，直接施作噴混，Ⅴ類圍巖應(yīng)急噴混除外。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 初期支護(hù)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

當(dāng)隧洞開挖，原始平衡狀態(tài)被打破，圍巖向洞內(nèi)變形，直至重新達(dá)到平衡狀態(tài)，其變形情況與圍巖類別、埋深、地下水及構(gòu)造應(yīng)力等多方面情況有關(guān)，為保證隧洞結(jié)構(gòu)安全和設(shè)計(jì)界限要求，需進(jìn)行支護(hù)以阻止圍巖變形過(guò)大并盡快達(dá)到平衡，防止出現(xiàn)坍塌，并根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，確定圍巖變形指標(biāo)和安全系數(shù)控制值，假定其作為圍巖穩(wěn)定性評(píng)定指標(biāo)，結(jié)合初期支護(hù)結(jié)構(gòu)安全性輔以說(shuō)明，綜合評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，具體指標(biāo)如下。

3.1.1圍巖變形控制指標(biāo)

根據(jù)中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 5415—2009《水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程》中附錄M1中的規(guī)定，隧洞周邊允許位移相對(duì)值應(yīng)符合規(guī)定。

結(jié)合該隧洞開挖洞徑為7.8m，高跨比為1，適用于上表情況，計(jì)算可得該隧洞洞周允許相對(duì)收斂變形如下表所示。根據(jù)相關(guān)專業(yè)隧道設(shè)計(jì)規(guī)范要求，拱頂下沉值和底部隆起值按照表4中的1倍選用，見表5。

表3 隧洞周邊允許位移相對(duì)值 單位：%

表4 洞周允許收斂 單位：mm

表5拱頂下沉和底部隆起控制值 單位：mm

3.1.2錨桿受力控制指標(biāo)

根據(jù)GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第4.2.3條規(guī)定，普通鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值、抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按表6采用。根據(jù)該隧洞現(xiàn)場(chǎng)錨桿牌號(hào)為HRB400，因此錨桿抗拉強(qiáng)度指標(biāo)為360MPa，抗壓強(qiáng)度指標(biāo)為360MPa。

表6 普通鋼筋強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa

3.1.3型鋼拱架受力控制指標(biāo)

根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中第5.4.1條規(guī)定，鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值見表7，結(jié)合該隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)中選用的型鋼拱架型號(hào)為HW125和HW150，因此，型鋼拱架的強(qiáng)度控制指標(biāo)為215MPa，端面承壓320MPa。

表7 鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa

3.1.4噴射混凝土受力控制指標(biāo)

根據(jù)GB 50086—2001《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》中第4.3.1條規(guī)定，不同強(qiáng)度等級(jí)噴射混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)按表8采用。結(jié)合該隧洞噴射混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，因此，噴射混凝土抗壓強(qiáng)度指標(biāo)為12.5MPa，抗拉強(qiáng)度指標(biāo)為1.3MPa。

表8 噴射混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 單位：MPa

根據(jù)以上規(guī)范規(guī)定，采用綜合多指標(biāo)評(píng)級(jí)圍巖穩(wěn)定，通過(guò)數(shù)值法求強(qiáng)度折減系數(shù)、圍巖變形、變形監(jiān)測(cè)收斂速率為主要評(píng)價(jià)依據(jù)，結(jié)合初期支護(hù)結(jié)構(gòu)和塑性區(qū)分布情況輔以評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定。

3.2 Ⅲb類圍巖初期支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.2.1圍巖收斂變形

為了減小模型邊界影響，選取中間部分圍巖進(jìn)行收斂變形分析；圍巖拱頂與底部收斂變形云圖如圖3所示，圍巖變形計(jì)算結(jié)果見表9。結(jié)果表明，圍巖收斂為拱頂范圍沉降，底部隆起，邊墻兩側(cè)向外變形；Ⅲb類圍巖變形較小，最大拱頂沉降為14.7mm，底部隆起最大值為12mm，小于洞內(nèi)允許收斂值46.8mm，水平收斂為最大值為10.4mm，小于93.6mm。塑性區(qū)范圍在洞周拱肩及鎖腳部位為2～3m處較大。

圖3 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

表9 Ⅲb類圍巖變形計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

3.2.2支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力云圖如圖4所示，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見表10，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應(yīng)力為26.9MPa，小于拱架端面最大承壓應(yīng)力320MPa；錨桿最大拉應(yīng)力為31.8MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應(yīng)力360MPa；噴混應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力為0.044MPa，小于1.3MPa，最大壓應(yīng)力為0.062MPa，小于12.5MPa，初期支護(hù)各個(gè)結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖4 初期支護(hù)受力分布云圖

表10 Ⅲb類初期支護(hù)受力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

3.3 Ⅳ類圍巖初期支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.3.1圍巖收斂變形

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖5所示，圍巖變形計(jì)算結(jié)果見表11，結(jié)果表明，圍巖變形收斂趨勢(shì)同Ⅲb相同，但圍巖變形相對(duì)較大，最大拱頂沉降為13.8mm，底部隆起最大值為11.9mm，均小于洞內(nèi)允許收斂值78mm，水平收斂為最大值為24.6mm，小于156mm。塑性區(qū)范圍主要分布在邊墻兩側(cè)為2.5～3.5m。

表11 Ⅳ類圍巖變形計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

圖5 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

3.3.2支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力云圖如圖6所示，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見表12，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應(yīng)力為312MPa，小于拱架端面最大承壓應(yīng)力320MPa；錨桿最大拉應(yīng)力為291MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應(yīng)力360MPa；噴混應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力為0.058MPa，小于1.3MPa，最大壓應(yīng)力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護(hù)各個(gè)結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖6 初期支護(hù)受力分布云圖

表12 Ⅲb類初期支護(hù)受力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

3.4 Ⅴ類圍巖初期支護(hù)數(shù)值模擬分析

3.4.1圍巖收斂變形

由于實(shí)際工程的反饋，相對(duì)較差的Ⅴ圍巖按TBM機(jī)組固定的噴混橋(距離掌子面60m)施工，圍巖收斂變形較大，存在卡機(jī)的安全隱患，因此，本文的Ⅴ圍巖仿真模擬開挖支護(hù)過(guò)程中噴混是結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的應(yīng)急噴混進(jìn)行模擬的，應(yīng)急噴混措施為出護(hù)盾立即噴混。

圍巖拱頂與底部收斂變形如圖7所示。圍巖變形計(jì)算結(jié)果見表13，結(jié)果表明，圍巖變形最大，最大拱頂沉降為55.4mm，底部隆起最大值為40.7mm，均小于洞內(nèi)允許收斂值117mm，水平收斂為最大值為86mm，小于234mm。洞周均發(fā)生塑性破壞，邊墻兩側(cè)范圍最大約為4m。

圖7 圍巖位移、塑性區(qū)分布云圖

表13 Ⅴ類圍巖變形計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：mm

3.4.2支護(hù)結(jié)構(gòu)受力

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力云圖如圖8所示，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力計(jì)算結(jié)果見表14，初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱架和錨桿受力較大，拱架整體處于受壓狀態(tài)，拱架最大壓應(yīng)力為306MPa，小于拱架端面最大承壓應(yīng)力320MPa；錨桿最大拉應(yīng)力為311MPa，小于錨桿承受的最大拉壓應(yīng)力360MPa；噴混應(yīng)力較小，最大拉應(yīng)力為0.042MPa，小于1.3MPa，最大壓應(yīng)力為0.064MPa，小于12.5MPa，初期支護(hù)各個(gè)結(jié)構(gòu)滿足安全要求。

圖8 初期支護(hù)受力分布云圖

表14 Ⅴ類初期支護(hù)受力計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表 單位：MPa

3.5 TBM掘進(jìn)過(guò)程中巖體穩(wěn)定分析

由于Ⅴ類圍巖地質(zhì)條件最差，就TBM掘進(jìn)過(guò)程對(duì)已聯(lián)合支護(hù)結(jié)構(gòu)形成自穩(wěn)的洞段影響最大，因此，本文對(duì)Ⅴ類圍巖開挖掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行測(cè)點(diǎn)位移分析。根據(jù)上述圍巖收斂分布云圖，在拱頂、拱腰、拱底中間部分對(duì)應(yīng)取點(diǎn)進(jìn)行開挖施工過(guò)程圍巖變形分析，其中結(jié)點(diǎn)間距離為3m，圖9為拱頂、拱腰、拱底結(jié)點(diǎn)選取圖。

圖9 圍巖拱頂、拱底收斂變形結(jié)點(diǎn)選取圖

圖10為初期支護(hù)施工過(guò)程圍巖拱頂、拱腰、拱底變形圖，從圖中可以看出，隧洞在未開挖時(shí)，圍巖受刀盤擾動(dòng)，圍巖發(fā)生位移，但變形值相對(duì)較??；在出護(hù)盾(6m)后，即第3結(jié)點(diǎn)開始掘進(jìn)時(shí)，第1結(jié)點(diǎn)處圍巖出現(xiàn)較為明顯的位移變化，但不是變幅最大時(shí)刻，說(shuō)明開挖掘進(jìn)過(guò)程中，圍巖已在護(hù)盾里發(fā)生部分收斂變形，但未發(fā)生較大變形，主要原因是開挖過(guò)程中TBM機(jī)撐靴使圍巖沒(méi)有出現(xiàn)較大的應(yīng)力釋放；在出護(hù)盾后立即施作錨桿、拱架以及應(yīng)急噴混，圍巖開始出現(xiàn)較大的應(yīng)力釋放，但在進(jìn)行后續(xù)開挖，圍巖變形相對(duì)于出護(hù)盾的時(shí)候變形幅度較緩，直至趨于穩(wěn)定，此時(shí)距離掌子面已12m左右，說(shuō)明TBM掘進(jìn)過(guò)程對(duì)已初期支護(hù)的圍巖擾動(dòng)范圍為2～3倍洞徑，錨桿、拱架和應(yīng)急噴混起到了及時(shí)支撐作用，與圍巖形成臨時(shí)聯(lián)合支護(hù)體系，成功抑制圍巖因開挖擾動(dòng)導(dǎo)致的較大變形。相比于拱頂、拱底處變形，拱腰兩側(cè)變形變化幅度相對(duì)較緩。

圖10 為初期支護(hù)施工過(guò)程拱頂、拱腰、拱底圍巖變形曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

(1)Ⅲb類、Ⅳ類、Ⅴ類采用現(xiàn)階段初期支護(hù)能夠滿足圍巖穩(wěn)定，初期支護(hù)各結(jié)構(gòu)均在強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，圍巖收斂呈頂部沉降、底部隆起、邊墻左右兩側(cè)向外延伸的趨勢(shì)。

(2)TBM掘進(jìn)過(guò)程對(duì)已初期支護(hù)的圍巖擾動(dòng)范圍為2～3倍洞徑，現(xiàn)階段設(shè)計(jì)的錨桿與拱架起到了及時(shí)支撐作用，與圍巖形成聯(lián)合支護(hù)體系，可以抑制圍巖因開挖擾動(dòng)導(dǎo)致的較大變形。

(3)較差的Ⅴ類圍巖部分變形已在護(hù)盾內(nèi)發(fā)生，為防止較大幅度的收斂變形導(dǎo)致TBM卡機(jī)，建議此類洞段采用出護(hù)盾直接施作全套初期支護(hù)措施，后續(xù)施工遇到更差的圍巖，還需對(duì)現(xiàn)有的支護(hù)參數(shù)進(jìn)行安全裕度的考慮。