输水隧洞TBM开挖段围岩预留变形量确定方法

王小军

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

输水隧洞TBM开挖段围岩预留变形量确定方法

王小军

（水利部新疆维吾尔自治区水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000）

目前长距离输水隧洞预留变形量的取值一般根据工程经验及类比方法进行设置，该方法缺乏理论依据，极易造成资源浪费。根据长距离深埋隧洞的开挖支护过程及变形规律，以新疆某输水隧洞工程为依托，采用经验公式法及数值模拟法综合确定预留变形量，对同类型的工程有一定的参考价值。

长距离隧洞；预留变形；有限元

目前地下隧洞工程建设中，新奥法的施工方式已经被普遍采用，长距离输水隧洞一般采用TBM掘进机施工为主、钻爆法为辅的施工手段。掘进机施工段隧洞开挖洞径的确定是一项重要内容，通常认为围岩是隧道承担荷载的一部分，围岩与支护结构联合承载，由于受隧洞埋深、地应力、地质条件、支护时间等因素的影响，隧洞从开挖到支护完成这段时间是存在变形的，为了保证二次衬砌结构的厚度及隧洞净空不被侵占，所需预留的尺寸，即预留变形量。

预留变形量也是影响开挖洞径确定的主要因素，此外还包括隧洞成洞洞径、初期支护厚度、永久衬砌厚度。对于隧洞工程，成洞洞径、初期支护厚度及二次衬砌厚度比较容易确定，而预留变形量的设置通常根据工程类比经验确定，变化范围较大，设置过大造成隧洞超挖，出渣量增加，耽误工期，增加工程投资。本文以新疆某长距离输水隧洞工程为依托，根据长距离输水隧洞开挖支护过程及变形规律，采用经验公式法及数值计算方法综合确定预留变形量，为类似工程提供参考建议和经验。

1 地质概况

新疆某输水隧洞采用无压方式向下游输水，圆型断面，设计开挖洞径7.0m。隧洞沿线穿越的地质构造、地层岩性较多，洞线以泥盆系（D）+石炭系（C）凝灰质砂岩、凝灰岩、钙质砂岩为主，其次为华力西期侵入的黑云母花岗岩、花岗闪长岩；二叠系、三叠系的泥质、砂岩夹砂砾岩在隧洞尾部有少量分布；隧洞穿越的断裂破碎带累计总长度7.5km，其中包含5条区域性断裂破碎带共2.08km。隧洞埋深一般在150～650m，平均埋深428m，最大埋深774m，洞身段大多数处于新鲜岩体内，裂隙不发育，围岩呈块状和厚层状，岩体较完整，以中硬岩、硬岩为主，隧洞沿线地下水以基岩裂隙水为主，流量较小。根据地勘成果洞线Ⅱ类围岩占洞线全长的42.65%，Ⅲ类围岩占43.82%，Ⅳ类围岩占11.66%，Ⅴ类围岩占1.87%。TBM施工段Ⅴ类围岩断面的预留变形量控制开挖洞径取值，隧洞开挖洞径7.0m，成洞洞径5.84m。Ⅴ类围岩段洞身断面顶拱290°范围，喷护180mm厚C30混凝土，并挂φ10@150mm×150mm钢筋网；顶拱180°范围设置3.0m长φ25中空锚杆，侧底拱设置3.0m长φ22砂浆锚杆，锚杆间排距1.0m；洞周采用HW150全环支撑钢拱架加强支护，榀距0.90～1.20m；通过大的断层破碎带时，可根据需要采用超前小导管预注浆加固围岩，二次衬砌厚度0.35m。Ⅴ类围岩洞段支护结构断面如图1。

图1 Ⅴ类围岩设计衬砌横断面

2 计算方法及参数选择

对于深埋隧洞预留变形量的研究方法，目前没有较为成熟的理论，相关隧洞预留变形量的研究多为定性描述，定量研究较少。在无现场监控资料时，通常根据工程类比法、经验公式法或数值模拟法进行确定。国内部分工程预留变形量取值如表1。

表1 预留变形量工程实例

本工程TBM施工段初拟开挖洞径7.0m，参照以上工程实例，对于Ⅴ类围岩段预留变形可取5cm。以下采用公式法及数值模拟方法进行对比计算。参照《锦屏二级水电站引水隧洞软岩段变形特征及预留变形分析》中的经验公式，结合弹塑性有限元法塑性区及应力场计算成果进行计算：

Ⅴ类围岩物理力学参数如表2。

表2 围岩物理力学参数

在采用数值分析法前对预留变形量做如下定义：隧洞开挖后围岩可能产生较大的挤压变形，为防止变形导致初期支护侵入净空，需要将原设计的开挖轮廓径向扩大，扩大部分用于弥补变形，则径向扩大的尺寸为预留变形量。因此，将隧洞初期支护完成后围岩产生的最大变形定义为预留变形。隧洞洞径扩大后可能导致变形计算成果有所变化，但其量值非常小，可忽略不计。

数值模拟计算采用弹塑性有限元法，围岩采用弹塑性模型模拟，单元类型选择实体单元，开挖过程通过分析步及增量步结合的方式进行。

三维模型尺寸作为对称模型取一半进行计算，则X× Y×Z=30m×60m×60m。三维有限元模型如图2。

图2 有限元模型

3 计算成果分析

采用弹塑性有限元法及弹塑性公式法预留变形成果如表3。

表3 预留变形计算成果

通过弹塑性有限元法及弹塑性公式法计算得出，埋深较大断面由于地应力高，隧洞开挖位移相对较大。由计算成果可知弹塑性有限元法及公式法计算成果较为接近，Ⅴ类围岩计算值6.9cm；TBM掘进段通过的Ⅴ类围岩段均为规模很小的断层带，多数断层带宽度均不足30m，TBM通过的最大断层带为F49，宽度60m；考虑断层带两侧均为完整岩石，对断层变形有一定的约束作用，其实际变形应小于计算值。综上所述因素考虑Ⅴ类围岩段预留变形取5cm，计算结论与工程类比结果一致。

4 结语

在类似隧洞工程施工中，可对隧洞首先进行数值模拟及经验公式法分析隧洞围岩变形规律，基于有限元计算结果，结合地质条件综合考虑预留变形量的设置，能够有效减少因人为经验因素造成预留变形量设置不合理的情况，具有一定的实际意义。

［1］王鹏．台阶法施工中下台阶开挖对预留变形量的影响［J］．地下空间与工程学报，2010，6（5）：1077-1080．

［2］赵东平，喻渝，王明年，等．大断面黄土隧道变形规律及预留变形量研究［J］．现代隧道技术，2009，46（6）：64-69.

［3］JTG D70—2004，公路隧道设计规范［S］．

［4］谢贻权.何福保.弹性和塑性力学中的有限单元法［M］.北京：机械工业出版社，1983.

［5］王勖成，邵敏.有限单元法的基本原理和数值方法［M］.北京：清华大学出版社，1997.

（责任编辑：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

王小军（1984-），男（汉族），甘肃天水人，工程师，主要从事水利水电工程设计及水工结构应力仿真分析研究工作，（Tel）15999167075。