TBM扩大洞室及交叉段围岩稳定数值分析

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁 沈阳 110006)

1 工程概况

新疆重点输水工程包括41.0km的主洞。具体施工分段规划见表1。

表1 喀双段工程分段规划

工程布置如下：

a. TBM掘进洞段：TBM9设备掘进洞段为主洞段桩号204+153m～224+823m(长度20.67km)，开挖洞径7.0m。TBM10设备掘进洞段为主洞段桩号225+483m～245+153m(长度19.67km)，开挖洞径7.0m。TBM9和TBM10两台TBM总掘进长度40.34km。

b.钻爆法开挖段：224+823m～225+483m(长度0.66km)。

c.T5勘探试验洞：T5勘探试验洞末端与喀双隧洞225+153m桩号处相交，进口布置在主洞左侧，与主洞夹角130°33＇41″，进口高程约1246.833m，与主洞交点高程550.461m，长度约6243.73m，采用TBM掘进机开挖，断面型式为圆形，开挖断面尺寸为8.5m。勘探试验洞开挖掘进完成后，通过回填混凝土型式改造纵坡，形成长为200m坡度为11.80%的陡坡，长+20m坡度为3.0%的缓坡。井底布置30m长纵坡为零的洞段，采用竖曲线为1000.00m圆弧与陡坡段连接。勘探试验洞与主洞相交后继续前进施工200m用于TBM设备拆卸。隧洞交叉段平面布置见图1。

图1 隧洞交叉段平面布置

2 支护结构设计

2.1 地质条件

该段隧洞埋深在707～723m，均处在新鲜基岩内，泥盆系凝灰质砂岩，为坚硬岩，围岩整体稳定性好，以Ⅱ类围岩为主，断层带及影响带为Ⅳ、Ⅴ类围岩；其中Ⅱ类围岩占该段总长的89.87%；Ⅳ、Ⅴ类围岩占该段总长的10.13%，围岩的初始应力为16.8～22.2MPa，侧压力系数为1.3。

2.2 结构设计

主洞设计断面采用城门洞形，跨度为14.4m，高度为16.2m，顶拱及边墙支护采用200mm厚C30喷射混凝土，挂φ8间距200×200mm钢筋网，采用5m长φ28砂浆锚杆，间距为1.2m，梅花形布置，底板采用C30素混凝土。主支洞交叉处最大断面跨度为22.315m，支护形式基本同主洞断面。

主洞及主支洞的断面及支护形式如图2、图3所示。

图2 主洞设计断面及支护形式 (单位：mm)

图3 主支洞交叉处最大断面及支护形式 (单位：mm)

3 数值计算分析

计算采用成熟的显式有限差分软件FLAC3D，该程序适合模拟地质材料的破坏和塑性流动的力学行为，已大规模运用于模拟岩土体的大变形、失稳支护、加固、建造及开挖等工程问题。

3.1 主要参数选取

计算参数见表2。

表2 数值计算主要参数

3.2 位移分析

3.2.1 主洞部位

由图4(a)位移矢量图可以看出洞室开挖后的围岩位移趋势，其中最大位移值为18.3mm，发生在洞室侧壁部位，这一点可以从图4(b)水平向位移云图中得出相同结论；从图4(c)竖直方向位移云图中可以看出，拱顶位移为11.2mm，底板位移为15.7mm。总体来说，洞室的水平位移大于竖直位移。

图4 主洞洞室开挖位移

3.2.2 主支洞交叉部位

由图5(a)位移矢量图可以看出洞室开挖后的围岩位移趋势，其中最大位移值为22.3mm，发生在洞室底板部位。从图5(b)水平向位移云图中可以看出，洞室侧壁的水平位移值为19.6mm；从图5(c)竖直方向位移云图中可以看出，拱顶位移为19.0mm，底板位移为22.2mm。总体来说，由于主支洞交叉部位洞室跨度的增大，洞室的水平位移值与竖直位移值均有所增大，且竖直方向位移值增加更明显，已超过水平方向位移值。

图5 主支洞交叉部位洞室开挖位移

3.3 应力分析

3.3.1 主洞部位

由图6(a)可以看出，洞室开挖后围岩最大主应力最大值为33.8MPa，出现在顶拱3m深度范围左右，最大主应力较大值主要分布在沿拱顶和底板深度2～6m的弧形范围；由图6(b)可以看出，最小主应力越靠近洞壁，数值越趋向于零，存在拉应力0.02MPa；由图6(c)可以看出，最大水平应力为33.5MPa，分布在拱顶及底板深度5m左右。由图6(d)可以看出，最大竖直应力为21.1MPa，分布在洞室两侧深度3～6m范围，顶拱及底板竖向应力为零。

图6 主洞洞室开挖应力云图

3.3.2 主支洞交叉部位

由图7(a)可以看出，洞室开挖后围岩最大主应力最大值为30.7MPa，出现在顶拱6m深度范围左右，最大主应力较大值主要分布在沿拱顶和底板深度2～8m的弧形范围；由图7(b)可以看出，最小主应力越靠近洞壁，数值越趋向于零，存在拉应力0.04MPa；由图7(c)可以看出，最大水平应力为30.6MPa，出现在拱顶深度为5m左右，较大值分布在拱顶及底板深度5～8m左右。由图7(d)可以看出，最大竖直应力为23.6MPa，出现在洞壁两侧深度为4.5m左右，较大值分布在洞室两侧深度3～6m范围，顶拱及底板竖向应力为零。

图7 主支洞交叉部位洞室开挖应力云图

3.4 洞室围岩稳定判别

在位移方面，根据《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB 50086—2015)，隧洞周边允许相对位移值为0.4%，该次计算隧洞周边相对位移值为0.16%，满足规范要求，围岩稳定。在应力方面，洞室周边最大压应力为30.7MPa，远小于岩石抗拉强度135MPa；拉应力极小，亦小于岩体的抗拉强度，说明围岩有较好的稳定性。

4 结 语

根据上述数值计算分析，新疆引额供水二期输水工程TBM主洞及主支洞交叉段在采用该设计参数支护下，围岩松动圈范围内围岩得到了有效的加固，围岩整体基本稳定；在岩体开挖后及初期支护之前，仍要重点注意顶拱部位(特别是在主支洞交叉段)局部块体的塌落对施工安全造成的隐患。此外，可考虑适当增加此部位围岩的位移监测，进一步提高施工的安全系数。

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