TBM隧洞开挖施工过程中围岩稳定及初期支护三维仿真模拟

王凯生，周应祥，王红帅

(新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000)

在新时代推进西部大开发形成新格局的影响下，新疆大力开展水利工程建设，其中超长输水隧洞在新疆水利发展布局中起着至关重要的作用。由于超长隧洞的地质结构复杂这一特殊性，目前国内对于长距离隧洞常采用TBM(全断面硬岩掘进机)结合钻爆法(用于机组检修、组装洞段)进行组合施工，大多数学者结合不同地质条件的隧洞对TBM机组及施工关键技术进行研究，例如宋法亮等[1]根据高黎贡山隧道具有的高地应力、多断层破碎带的复杂地质条件，通过调研实际案例，提出钢筋排、钢拱架联合喷射混凝土及时支护方案，并结合TBM机实际施工工序，设计高适应性的TBM以此减少由地质因素引起的施工质量及安全影响；洪开荣等[2]通过对TBM刀盘磨损试验，结合对搭式HSP法、RTP岩体温度法的超前地质预报对高黎贡山隧道的TBM进行高适应性机组设计；吴世勇等[3]通过对锦屏二级水电站中深埋特长引水隧洞存在的高地应力、突涌水、溶洞以及断层破碎带等工程地质问题进行分析，对其TBM施工工法进行研究，针对性地提出不良地质条件下的施工措施；周建军等[4]结合传统钻爆法和TBM导洞扩挖技术，研究不同工法结合的适应性，以此解决TBM遇软弱地层引起的卡盾(大变形)问题；李建华等[5]针对深埋隧洞TBM掘进的关键技术问题，结合类似工程经验，提出围岩与TBM相互作用机制理论、TBM适应性评价指标以及安全评估方法；李涛[6]通过现场监测及数值分析方法，以围岩稳定性判别标准和岩体完整性指标为基础，探究隧洞破碎围岩段喷锚支护技术；马骋[7]等就TBM卡机施工程实例，分析塌方地质与设备受损情况，提出针对性TBM脱困措施；邓铭江等[8]结合北疆供水二期工程中TBM、盾构并结合钻爆法施工的特性，对提高TBM安全高效掘进技术水平提出了超前地质预报技术、适应性装备、智能化掘进、设备状态实时监测技术以及辅助破岩技术的发展研究方向。

由于TBM配套支护机组中机身固定机组(撑靴)以及一定施作范围机组(护盾、锚杆钻机)的区域工作特性，导致支护措施以及结构施工的工序是根据不同类级围岩进行调整的，部分学者针对TBM机施工支护与围岩的相互作用机理进行了三维数值模拟研究，如：程建龙等[9]采用FLAC3D数值模拟双护盾TBM在复合地层条件的围岩掘进过程，研究围岩变形、护盾受力特性以及相互作用机制；蒋邦友[10]以岩爆地质条件为背景，结合数值模拟、理论分析以及真三轴试验，研究TBM施工中发生岩爆的孕育机制以及演化过程；唐彬[11]通过岩块三轴压缩试验提供数据模拟TBM掘进过程中围岩扰动、应力场以及位移演化过程，并结合应力、位移现场监测数据进行施工支护的参数优化设计；杨晓刚[12]以八十一大坂隧洞为仿真模拟的工程背景，进行仿真模拟研究TBM实际施工工序和工作参数，优化设计参数，提出数值模拟结合三维动态可视化系统的崭新分析方法。

由于超长输水隧洞常伴随不同围岩类级划分，其支护结构设计参数也随之变化，因此本文以新疆某大型输水隧洞工程为依托，主要在不同围岩工况下，利用已施工支护结构参数，对TBM隧洞初期支护结构施工过程进行三维有限元数值模拟，分析不同围岩的稳定和初期支护结构的受力特性，为初期支护结构的安全分析提供数据依据。

1 工程概况

新疆某输水工程等别为Ⅰ等大(1)型工程，由拦河引水枢纽、5条输水隧洞、1座输水渡槽、3座输水倒虹吸、3座节制退(分)水闸、入库建筑物等组成，输水线路全长148.246km。其中输水隧洞，总长为140.771km，采用5台TBM施工，开挖直径为7.8m。该工程地质结构复杂，隧洞主要通过的地层岩性有奥陶系中上统哈巴河组黑云母石英片岩、二云石英片岩、华力西晚期变质花岗岩夹闪长岩、黑云母斜长花岗岩、片麻状花岗岩等。

根据前期地质勘探得知，全线洞段共分为4种围岩类别，分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，其中Ⅲ类围岩甄别过程部分岩性类似Ⅳ类围岩，为了保证支护结构安全，对Ⅲ类围岩进一步细分为Ⅲa、Ⅲb类，其对应的初期支护设计参数也有变化，根据现场实际围岩揭露及支护情况，Ⅱ类、Ⅲa类支护情况良好，Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ类支护存在围岩变形收敛较大情况，因此本文选取计算断面为Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ类围岩洞段中地质岩性相对较差、覆盖面最广、最长，并考虑现场监测对支护结构影响最大以及特殊地层(断层带)的洞段，其目的为校核支护结构安全裕度以及分析围岩变形较大原因，计算断面具体条件见表1。

表1 计算断面地质条件 单位：m

Ⅲb、Ⅳ、Ⅴ类围岩初期支护结构如图1所示，具体参数如下。

图1 围岩位移、塑性区分布云图

(1)Ⅲb类围岩段初期支护设计：全断面喷护12cm厚C30混凝土并挂φ8@200×200钢筋网，顶拱、边墙范围布设Φ25砂浆锚杆，锚杆L=3.0m，间、排距1.5m，并架设HW125型钢拱架，榀距1.5～2.0m。

(2)Ⅳ类围岩段初期支护设计：全断面喷护20cm厚C30混凝土并挂φ8@200×200钢筋网，顶拱、边墙范围布设Φ25砂浆锚杆，锚杆L=3.0m，间、排距1.2m，并架设HW150型钢拱架，榀距1.2～1.5m。

(3)Ⅴ类围岩段，初期支护设计：全断面喷护20cm厚C30混凝土并挂φ8@200×200钢筋网，顶拱、边墙范围布设Φ25砂浆锚杆，锚杆L=3.5m，间、排距1.0m，并架设HW150型钢拱架，榀距0.9～1.2m。

2 TBM开挖仿真模拟

2.1 设计模型的选择

设计模型采用地层-结构模型，该模型能够利用围岩自身承载力，结合初期支护结构，实现联合承载山岩压力，并能很好的抑制围岩持续变形，实现洞周快速自稳。由于研究对象是深埋地下洞室支护结构及围岩，根据工程地质学中的常取3～5倍洞径范围作为影响圈边界的计算域，结合实际工程TBM机掘进工序(距离掌子面60m后喷射混凝土)选取围岩计算范围：上下左右尺寸均大于5倍洞径，前后尺寸结合TBM机喷混工作台距离，即水平方向宽100m，垂直方向高100m，开挖方向长78m，计算模型整体视为三维应力-应变问题，采用弹塑性本构关系。模型的网格划分如图2所示，围岩整个模型共划分三维实体单元21216个、Ⅲb类围岩锚杆单元4992个、拱架单元1664个；Ⅳ类围岩锚杆单元6240个、拱架单元2080个；Ⅴ类围岩锚杆单元7488个、拱架单元为2496个；岩体、混凝土采用8节点6面体实体单元模拟，锚杆采用杆件单元模拟，拱架采用梁单元模拟。假定地层、喷混、锚杆和拱架材料均为各向同性。

图2 计算模型及有限元模型网格划分

2.2 模型参数及边界条件

模型参数的选取是综合勘察期、施工期岩块试验成果，类比附近已建工程岩体的原位试验成果，结合施工揭露的围岩基本地质特性、结构面性状，并参考SL 629—2014《引调水线路工程地质勘察规范》附录B各类围岩物理力学参数经验取值，提出本次选取断面的岩体参数具体见表2。

表2 计算断面围岩地质参数

位移边界参考相关文献[7-10]确定：顶部自由，沿洞轴线两侧、前后平面法向约束，底部平面法向和切向约束。

荷载边界：初始荷载为除各部件自重外，模型上部边界施加均布荷载，上部荷载边界主要分为覆盖层压力和外水压力，其中外水压力根据现场已开挖洞段地下水活动状态资料近似取值；掘进荷载是根据现场施工单位提供刀盘推力以及护盾顶部油缸压力进行推算后，以均布荷载的形式，在开挖每循环中作用到隧洞周围以及掌子面。

2.3 开挖及初期支护仿真数值模拟关键技术

模拟隧洞开挖至初期支护施工全过程：隧洞的开挖问题实质主要是应力的释放，TBM开挖施工步骤十分复杂，其涉及护盾临时支撑开挖过程中的应力释放，出护盾后锚杆与拱架施工应力重分布、开挖至掌子面距离60m后的喷混施工应力重分布问题。因此，初期支护施工过程主要研究对象为围岩收敛变形，即围岩水平位移、竖向位移、锚杆、拱架和喷层受力特性。有限元计算中，初期支护施工时岩体应力释放，若直接根据施工工序模拟，岩体应力早已有所释放，初期支护体系起不到及时支撑作用，所以，考虑到隧洞开挖中的地层损失，结合该工程，将岩体进行分区，分为开挖区和洞周岩体影响区，开挖前采用软化模量法对开挖区的弹性模量进行软化，以此模拟开挖施工过程部分应力释放。

计算模拟过程中，由于护盾长6m，为了模拟隧洞开挖出护盾过程，开挖步进为3m一循环，开挖2循环后，下一循开始前施作对应围岩类别的锚杆和拱架，并去除最后1循环的护盾单元；由于初期支护喷射混凝土在掌子面开挖60m后施作，因此，喷层在模型拱架、锚杆施作60m后直接施作上去；整体总共设置了88个计算步(STEP)，具体内容说明如下：

(1)初始地应力工况，根据地质实测，考虑水平应力，围岩网格单元进行应力赋值，以便仿真模拟岩体内力，重新建立一个相同围岩模型，对其进行边界条件控制，强制让边界发生位移，使网格在自重及水平应力条件下产生应力重分布(构造应力)，经过反复试算直到与现场实际围岩应力相符后，将网格各节点应力导入到需要开挖计算的模型中，并锁死岩体模型最外位移边界，以此模拟不受扰动围岩。

(2)开挖前软化开挖区域单元，以此模拟刀盘开挖扰动的掌子面围岩。

(3)在开挖区域未去除前，施加锚杆、拱架单元施，使其支护结构在岩体未卸荷前发挥支撑作用，其中Ⅴ类围岩考虑应急喷混单元的施作。

(4)在开挖60m后，直接施作喷混，Ⅴ类围岩应急喷混除外。

3 数值模拟分析

3.1 初期支护安全评价指标

当隧洞开挖，原始平衡状态被打破，围岩向洞内变形，直至重新达到平衡状态，其变形情况与围岩类别、埋深、地下水及构造应力等多方面情况有关，为保证隧洞结构安全和设计界限要求，需进行支护以阻止围岩变形过大并尽快达到平衡，防止出现坍塌，并根据相关规范规定，确定围岩变形指标和安全系数控制值，假定其作为围岩稳定性评定指标，结合初期支护结构安全性辅以说明，综合评价围岩稳定性，具体指标如下。

3.1.1围岩变形控制指标

根据中华人民共和国电力行业标准DL/T 5415—2009《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规程》中附录M1中的规定，隧洞周边允许位移相对值应符合规定。

结合该隧洞开挖洞径为7.8m，高跨比为1，适用于上表情况，计算可得该隧洞洞周允许相对收敛变形如下表所示。根据相关专业隧道设计规范要求，拱顶下沉值和底部隆起值按照表4中的1倍选用，见表5。

表3 隧洞周边允许位移相对值 单位：%

表4 洞周允许收敛 单位：mm

表5拱顶下沉和底部隆起控制值 单位：mm

3.1.2锚杆受力控制指标

根据GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》中第4.2.3条规定，普通钢筋的抗拉强度设计值、抗压强度设计值应按表6采用。根据该隧洞现场锚杆牌号为HRB400，因此锚杆抗拉强度指标为360MPa，抗压强度指标为360MPa。

表6 普通钢筋强度设计值 单位：MPa

3.1.3型钢拱架受力控制指标

根据GB 50017—2017《钢结构设计标准》中第5.4.1条规定，钢材的强度设计值见表7，结合该隧洞支护结构中选用的型钢拱架型号为HW125和HW150，因此，型钢拱架的强度控制指标为215MPa，端面承压320MPa。

表7 钢材的强度设计值 单位：MPa

3.1.4喷射混凝土受力控制指标

根据GB 50086—2001《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中第4.3.1条规定，不同强度等级喷射混凝土的设计强度应按表8采用。结合该隧洞喷射混凝土强度等级为C30，因此，喷射混凝土抗压强度指标为12.5MPa，抗拉强度指标为1.3MPa。

表8 喷射混凝土的强度设计值 单位：MPa

根据以上规范规定，采用综合多指标评级围岩稳定，通过数值法求强度折减系数、围岩变形、变形监测收敛速率为主要评价依据，结合初期支护结构和塑性区分布情况辅以评价围岩稳定。

3.2 Ⅲb类围岩初期支护数值模拟分析

3.2.1围岩收敛变形

为了减小模型边界影响，选取中间部分围岩进行收敛变形分析；围岩拱顶与底部收敛变形云图如图3所示，围岩变形计算结果见表9。结果表明，围岩收敛为拱顶范围沉降，底部隆起，边墙两侧向外变形；Ⅲb类围岩变形较小，最大拱顶沉降为14.7mm，底部隆起最大值为12mm，小于洞内允许收敛值46.8mm，水平收敛为最大值为10.4mm，小于93.6mm。塑性区范围在洞周拱肩及锁脚部位为2～3m处较大。

图3 围岩位移、塑性区分布云图

表9 Ⅲb类围岩变形计算结果统计表 单位：mm

3.2.2支护结构受力

初期支护结构受力云图如图4所示，初期支护结构受力计算结果见表10，初期支护结构拱架和锚杆受力较大，拱架整体处于受压状态，拱架最大压应力为26.9MPa，小于拱架端面最大承压应力320MPa；锚杆最大拉应力为31.8MPa，小于锚杆承受的最大拉压应力360MPa；喷混应力较小，最大拉应力为0.044MPa，小于1.3MPa，最大压应力为0.062MPa，小于12.5MPa，初期支护各个结构满足安全要求。

图4 初期支护受力分布云图

表10 Ⅲb类初期支护受力计算结果统计表 单位：MPa

3.3 Ⅳ类围岩初期支护数值模拟分析

3.3.1围岩收敛变形

围岩拱顶与底部收敛变形如图5所示，围岩变形计算结果见表11，结果表明，围岩变形收敛趋势同Ⅲb相同，但围岩变形相对较大，最大拱顶沉降为13.8mm，底部隆起最大值为11.9mm，均小于洞内允许收敛值78mm，水平收敛为最大值为24.6mm，小于156mm。塑性区范围主要分布在边墙两侧为2.5～3.5m。

表11 Ⅳ类围岩变形计算结果统计表 单位：mm

图5 围岩位移、塑性区分布云图

3.3.2支护结构受力

初期支护结构受力云图如图6所示，初期支护结构受力计算结果见表12，初期支护结构拱架和锚杆受力较大，拱架整体处于受压状态，拱架最大压应力为312MPa，小于拱架端面最大承压应力320MPa；锚杆最大拉应力为291MPa，小于锚杆承受的最大拉压应力360MPa；喷混应力较小，最大拉应力为0.058MPa，小于1.3MPa，最大压应力为0.064MPa，小于12.5MPa，初期支护各个结构满足安全要求。

图6 初期支护受力分布云图

表12 Ⅲb类初期支护受力计算结果统计表 单位：MPa

3.4 Ⅴ类围岩初期支护数值模拟分析

3.4.1围岩收敛变形

由于实际工程的反馈，相对较差的Ⅴ围岩按TBM机组固定的喷混桥(距离掌子面60m)施工，围岩收敛变形较大，存在卡机的安全隐患，因此，本文的Ⅴ围岩仿真模拟开挖支护过程中喷混是结合现场实际的应急喷混进行模拟的，应急喷混措施为出护盾立即喷混。

围岩拱顶与底部收敛变形如图7所示。围岩变形计算结果见表13，结果表明，围岩变形最大，最大拱顶沉降为55.4mm，底部隆起最大值为40.7mm，均小于洞内允许收敛值117mm，水平收敛为最大值为86mm，小于234mm。洞周均发生塑性破坏，边墙两侧范围最大约为4m。

图7 围岩位移、塑性区分布云图

表13 Ⅴ类围岩变形计算结果统计表 单位：mm

3.4.2支护结构受力

初期支护结构受力云图如图8所示，初期支护结构受力计算结果见表14，初期支护结构拱架和锚杆受力较大，拱架整体处于受压状态，拱架最大压应力为306MPa，小于拱架端面最大承压应力320MPa；锚杆最大拉应力为311MPa，小于锚杆承受的最大拉压应力360MPa；喷混应力较小，最大拉应力为0.042MPa，小于1.3MPa，最大压应力为0.064MPa，小于12.5MPa，初期支护各个结构满足安全要求。

图8 初期支护受力分布云图

表14 Ⅴ类初期支护受力计算结果统计表 单位：MPa

3.5 TBM掘进过程中岩体稳定分析

由于Ⅴ类围岩地质条件最差，就TBM掘进过程对已联合支护结构形成自稳的洞段影响最大，因此，本文对Ⅴ类围岩开挖掘进过程进行测点位移分析。根据上述围岩收敛分布云图，在拱顶、拱腰、拱底中间部分对应取点进行开挖施工过程围岩变形分析，其中结点间距离为3m，图9为拱顶、拱腰、拱底结点选取图。

图9 围岩拱顶、拱底收敛变形结点选取图

图10为初期支护施工过程围岩拱顶、拱腰、拱底变形图，从图中可以看出，隧洞在未开挖时，围岩受刀盘扰动，围岩发生位移，但变形值相对较小；在出护盾(6m)后，即第3结点开始掘进时，第1结点处围岩出现较为明显的位移变化，但不是变幅最大时刻，说明开挖掘进过程中，围岩已在护盾里发生部分收敛变形，但未发生较大变形，主要原因是开挖过程中TBM机撑靴使围岩没有出现较大的应力释放；在出护盾后立即施作锚杆、拱架以及应急喷混，围岩开始出现较大的应力释放，但在进行后续开挖，围岩变形相对于出护盾的时候变形幅度较缓，直至趋于稳定，此时距离掌子面已12m左右，说明TBM掘进过程对已初期支护的围岩扰动范围为2～3倍洞径，锚杆、拱架和应急喷混起到了及时支撑作用，与围岩形成临时联合支护体系，成功抑制围岩因开挖扰动导致的较大变形。相比于拱顶、拱底处变形，拱腰两侧变形变化幅度相对较缓。

图10 为初期支护施工过程拱顶、拱腰、拱底围岩变形曲线图

4 结语

(1)Ⅲb类、Ⅳ类、Ⅴ类采用现阶段初期支护能够满足围岩稳定，初期支护各结构均在强度设计要求范围内，围岩收敛呈顶部沉降、底部隆起、边墙左右两侧向外延伸的趋势。

(2)TBM掘进过程对已初期支护的围岩扰动范围为2～3倍洞径，现阶段设计的锚杆与拱架起到了及时支撑作用，与围岩形成联合支护体系，可以抑制围岩因开挖扰动导致的较大变形。

(3)较差的Ⅴ类围岩部分变形已在护盾内发生，为防止较大幅度的收敛变形导致TBM卡机，建议此类洞段采用出护盾直接施作全套初期支护措施，后续施工遇到更差的围岩，还需对现有的支护参数进行安全裕度的考虑。