TBM法开挖隧洞段Ⅱ～Ⅲ类围岩支护参数优化

乔国龙，孟怀宇

（1.辽宁西北供水有限责任公司，辽宁本溪 117200；2.辽宁省水资源管理集团有限责任公司，辽宁沈阳 110000）

0 引言

TBM法开挖隧洞具有成型断面好、围岩扰动小、支护跟进及时等特点，对围岩地质条件良好的洞段进行支护参数优化，能够最大限度地利用围岩自身承载力来满足工程运行需要，同时加快施工进度，节省工程投资，因此，支护参数优化十分必要。

工程是辽宁省重点输水工程的一部分，主体工程为隧洞工程。主洞长18.9 km，TBM施工段共计10.7 km，其中Ⅱ～Ⅲ类围岩段7.6 km。TBM施工段断面为圆形，开挖洞径为8.0 m。基于初设阶段地勘成果，TBM开挖Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段锚喷支护采用：局部喷150 mm厚的C30混凝土，布设局部锚杆φ22，入岩长2.5 m，局部顶拱挂网φ8@200 mm×200 mm。混凝土衬砌采用采用C30，衬砌厚度为300 mm。实际开挖过程中，由于围岩强度和石英含量对比前期地勘成果均有较大幅度增加，加之TBM开挖松动圈较小，同时为加快施工进度，节省工程投资，故考虑对TBM开挖Ⅱ～Ⅲ类围岩洞段支护参数进行优化。

1 优化依据

1）SL279-2002《水工隧洞设计规范》表9.1-2规定“非限裂设计原则下，Ⅲ类围岩不衬砌、混凝土、锚喷”，该段工程TBM开挖段为无压隧洞，非限裂设计，Ⅱ、Ⅲ类围岩取消衬砌满足规范要求。

2）SL377-2007《水利水电工程锚喷支护技术规范》表9.1-4规定“Ⅲ类围岩洞室开挖跨度5≤B≤10，支护方式为120 mm钢筋网喷射混凝土或80～100 mm钢筋网喷射混凝土，布置长2.0～3.0 m、间距1.0～1.5 m砂浆锚杆”。此次优化基于揭露围岩地质条件的提高，按规范关于Ⅲ类围岩支护的规定，锚喷支护可作为永久性支护，优化设计满足规范要求。

3）工程类比。辽宁省大伙房水库输水工程与该工程在围岩条件、隧洞断面型式、支护模式、施工方法、辅助工法等方面具有类似性，且工程自运行以来，状态良好，基本未发现喷锚掉块现象，对工程有借鉴意义。

根据工程类比，并结合有关规范规定，此次优化设计可行。

2 优化分析

2.1 结构计算假定

隧洞衬砌结构计算根据衬砌型式、围岩条件、荷载作用形式，确定合适的计算方法和计算模型，初步规定：对于Ⅱ类、Ⅲa、Ⅲb类围岩洞段，视围岩是承受荷载的主体，分析围岩稳定性和进行断面结构设计。

2.2 计算方法及计算程序

《同济曙光—有限元正分析平台2010》软件中地层结构法计算，该程序由上海同岩土木工程科技有限公司编制。

《FLAC3D》是美国Itasca咨询公司开发的三维快速拉格朗日分析程序，该程序采用有限差分方法进行计算，在模拟岩土工程问题方面，比有限元的数值积分更精确。

《SDCAD5.0》程序计算，由中国水电顾问集团中南勘测设计院工程设计院编制。

2.3 设计荷载及荷载组合

2.3.1 设计荷载确定

1）围岩压力。对Ⅱ类围岩，考虑把岩体作为主要承载结构，可不计围岩的松动压力。对开挖后的孔口周边应力及最大位移进行分析，必要时进行支护处理。对Ⅲ类围岩，首先进行无支护时的最大位移分析，对满足允许位移值的Ⅲ类围岩洞段，可不计围岩的松动压力。但需要根据围岩的完整性、透水性、软化性及耐久性要求进行衬砌设计。

2）外水压力。根据区域水文地质资料及钻孔压水试验成果，此段工程岩体透水率小，属地下水贫乏区。借鉴大伙房水库输水工程经验，为减少外水压力对衬砌结构的不利影响，在做好排水措施前提下，一般隧洞岩体段统一取外水压力0.05 MPa。

3）围岩弹性抗力。对于隧洞的衬砌，具备下列条件才可考虑弹性抗力，即：洞周没有不利的滑动面，在内水压力作用下不致产生滑动和抬动；围岩厚度大于隧洞开挖直径的3倍；衬砌和围岩间的空隙必须回填密实。

2.3.2 荷载组合

1）计算工况。运行期持久状况；检修（施工）偶然状况。

2）荷载作用效用组合。运行期：围岩压力（地应力）+衬砌自重+弹性抗力+内水压力+外水压力；检修期：围岩压力（地应力）+衬砌自重+弹性抗力+外水压力；施工期：围岩压力（地应力）+衬砌自重+弹性抗力+灌浆压力。

2.3.3 计算断面参数

支护设计断面参数、材料物理力学参数见表1，2。

表1 支护设计

表2 支护材料的物理力学参数表

3 隧洞支护计算分析

3.1 同济曙光计算

1）计算模型

隧洞最大开挖跨度8 m，最大开挖高度8 m，高跨比为1.0。计算模型围岩选取桩号D136+422～D144+911 km之间的Ⅲb类围岩，根据地勘报告此范围岩埋深在30～430 m之间。报告计算中选取200 m埋深进行计算，开挖支护图如图1所示。

图1 无压隧洞Ⅲb类围岩开挖支护图

2）围岩支护参数

计算选取桩号段的Ⅲb类围岩参数，100 mm厚C30喷射混凝土。具体参数见表3。

表3 围岩及支护衬砌结构有限元计算参数表

有限元数值分析采用平面应变弹塑性本构模型和D-P屈服准则，喷射混凝土层采用杆单元模拟。

开挖采用全断面一次性开挖，计算荷载只考虑地应力（自重应力+构造应力）。

3）计算结果

①围岩变形。图2为围岩开挖后的位移填色图（单位：mm）。

通过填色图可以看出，围岩开挖变形最大值主要发生在拱腰部位以及顶拱和底板中央部位。故选取此4处典型部位进行变形特性分析。变形趋势：顶拱下沉，两侧向临空面收敛，底板上鼓。典型部位位移值见表4。

表4 围岩开挖后典型部位变形量表mm

开挖后，拱顶最大下沉量为20.5 mm，底板上鼓量为17.7 mm，边墙向洞内最大收敛值为3.9 mm；水平相对位移7.5 mm，竖向相对位移38.2 mm。

从计算得出：隧洞开挖水平相对位移为0.007 5/8.0×100%=0.094%，竖向相对位移为0.038 2/8.0×100%=0.478%，小于规范限值，所以隧洞开挖变形量都在稳定范围内。

②围岩应力分析。图3为围岩喷锚后最大主应力和最小主应力填色图。从图3中可以看出，应力值比较大的部位位于拱顶、拱肩、拱腰、拱脚。

图3 主应力填色图

典型部位的最大、最小主应力值见表5。

表5 围岩全断面开挖主应力结果表kPa

根据《水利水电工程地质手册》，常见岩石抗拉强度值见表6。

表6 常见岩石抗拉强度kg/cm2

综上分析，按照既定断面尺寸在Ⅲb类围岩中全断面开挖，围岩比较稳定，围岩不发生屈服破坏。

3.2 FLAC3D计算

1）几何模型建立

选取隧洞上下及两侧各40 m（5倍洞径）区域作为计算范围，整个模型共剖分了3 900个单元。计算采用连续介质快速拉格朗日差分法（FLAC），摩尔—库伦本构模型。

2）边界条件

模型四周采用固定约束，地应力以水平应力为主，最大水平主应力方向与主隧洞轴线方向基本一致或夹角较小，其水平主压应力值与深度的线性回归关系如下：深度0～400 m，σH=7.85+0.031H；深度 400～650 m，σH=20 MPa；深度大于 650 m，σH=-25.73+0.069H。其中，H为深度，m。此外，竖直应力采用自重应力。

3）计算参数选取，见表3。

4）计算结果

①隧洞周边允许相对位移值，见表7。

表7 允许相对位移值m

从表8可以看出，只有600 m埋深无支护情况下不满足规范条件，在锚杆支护后即可满足规范值要求。隧洞断面横向及竖向位移值见图4。

②塑性区

从塑性区发展上看（图5），破坏区域并未沿环向完全贯通，破坏区域主要集中在顶拱和仰拱部位，适当的支护可以减小塑性区和围岩松动圈发展范围，有利于围岩的稳定。

综上所述，建议进行锚喷支护处理，锚杆间距1.2～1.5 m，排距1.2～1.5 m，长2 m，无需衬砌支护。

3.3 SDCAD5.0计算

计算所采用的程序是“水工隧洞钢筋混凝土衬砌计算机辅助设计系统SDCAD5.1”，采用线弹性有限元法计算。计算成果见表8。

综上所述，各种工况下锚喷支护均能满足要求；由于此计算方法无法填加水平应力，所以计算数值均小于前2种方法。

4 结论

图4 165 m埋深位移图

图5 塑性区图

表8 内力计算成果表

上述3种软件计算来看，TBM开挖段Ⅱ～Ⅲ类围岩锚喷支护结构处于稳定范畴。同济曙光基于有限元理论，FLAC3D基于有限差分法理论，同济曙光计算成果与FLAC3D计算成果水平向位移有所差别，这与软件中构造应力的选取有关。根据位移和应力云图，FLAC3D更接近规范和现场实际情况，计算结论以FLAC3D结论为主。

通过分析计算可以得出：隧洞Ⅲ类围岩相对位移值上看，无支护情况下不满足规范条件，在锚杆支护后即可满足规范值要求，支护参数较为合理；从塑性区发展上看，破坏区域并未沿环向完全贯通，破坏区域主要集中在顶拱和仰拱部位，适当的支护可以减小塑性区和围岩松动圈发展范围，有利于围岩的稳定；对于Ⅱ～Ⅲ类围岩，由于围岩整体稳定，一般不会产生塑性变形，在不支护情况下大部分能满足规范要求。隧洞断面满足规范位移要求,初选的支护参数较为合理。

综合分析认为，TBM开挖段Ⅱ～Ⅲ类围岩进行锚喷支护处理，锚杆间距1.2～1.5 m，排距1.2～1.5 m，长2 m，无需衬砌支护即可满足要求，此次优化计算合理，结果可行。