敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究

任道远　高新强　马泽骋　樊浩博　朱正国

摘 要：依托国家重点铁路工程雅林段孜拉山隧道穿越高地应力TBM施工段，通过精细化三维数值模拟，分析在高地应力条件下，不同支护体系对围岩变形、塑性区深度、支护结构受力情况的影响规律。研究结果表明，在高地应力条件下，围岩的超前变形在总变形量中占比较高；较早的施作刚性较大的支护，支护结构所受压应力过大，进而导致初期支护的变形与破坏，降低施工安全性。选用超前支护、多次喷混凝土与长短锚杆相结合的支护体系，与原有施工方案相比，较好地控制了掌子面前方岩体超前变形，减小了围岩总变形量，降低了支护结构的应力水平，提高了圍岩及支护的稳定性。

关键词：高地应力隧道、敞开式TBM、多次喷混凝土、精细化三维数值分析

中图分类号：U25;TP391.9文献标志码：A文章编号：1001-5922（2023）06-0153-05

Research on construction optimization of open TBM crossing high ground stress tunnel

REN Daoyuan1，2，GAO   Xinqiang1，2，3，4，MA Zecheng1，2，FAN Haobo2，ZHU Zhengguo2，4

（1.State Key Laboratory of Mechanical Behavior and System Safety of Traffic Engineering Structures，Shijiazhuang  Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；

2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China；

3.Hebei Key laboratory of Mechanics Behavior Evolution and Control of Transport Engineering Structures，Shijiazhuang 050043，China；

4.Hebei Technology and Innovation Center on Safe and Efficient Mining of Metal Mine，Shijiazhuang 050043，China）

Abstract：This paper relies on the TBM construction project of the national key railway project Yalin section of the Zila Mountain Tunnel through high ground stress.Through refined three-dimensional numerical simulation，the influence of different support systems on the deformation of surrounding rock，the depth of plastic zone and the stress of support structure under high ground stress conditions is analyzed.The results show that under the condition of high ground stress，the advanced deformation of surrounding rock accounts for a relatively high proportion in the total deformation.For the rigid support that was applied earlier， the compressive stress of the support structure is too large，which leads to the deformation and failure of the initial support and reduces the construction safety.While the support system of advanced support，multiple lining and long and short bolts is selected，compared with the original construction scheme，the advanced deformation of rock mass in front of the face is well controlled，the total deformation of surrounding rock is reduced，the stress level of support structure is reduced，and the stability of surrounding rock and support is improved.

Key words：high ground stress tunnel，open TBM，multiple support structures，refined 3D numerical analysis

全断面硬岩隧道掘进机（TBM），其施工相较于传统钻爆法具有施工速度快、对围岩扰动小等优点。随着人们对地下空间需求的增加，TBM在未来隧道建设中发挥着不可替代的重要作用。关于敞开式TBM隧道从选型到施工与支护的各方面已经有了十分丰硕的成果。通过设备改造和采用合理的掘进参数，有效地提高了TBM在Ⅳ围岩地段中的掘进速度和施工效益［1］。对全断面衬砌液压台车进行特殊结构设计，解决了TBM正常掘进时连续皮带机在出渣工况下实现同步实施衬砌［2］。通过现场监测和数值模拟，研究了高地应力层状粉砂质泥岩地层中TBM施工围岩变形特征［3］。认为隧道TBM施工隧道围岩发生失稳的其中一方面原因包括刀盘扰动和撑靴扰动［4］。分析了敞开式TBM在城市轨道交通浅埋隧道中的应用，通过数值模拟与现场试验，研究了敞开式TBM施工隧道的围岩变形情况，优化了TBM施工参数，提高了施工效率［5-7］。针对敞开式TBM的研究主要是围绕层状、节理密集、围岩破碎等复杂地质条件下的TBM施工及支护等方面，对敞开式TBM在埋深超过1 000 m的高地应力地质条件下的隧道施工支护参数优化方面研究较少。

1 工程背景

隧道长32.7 km，最大埋深约1.6 km，隧道高差大于1 km。施工所采用TBM为圆形断面，开挖直径（D）为11 m，循环进尺（L）为1.8 m。岩性主要为片麻岩夹片岩、糜棱岩、灰岩、砂岩、凝灰岩、砂岩夹砾岩［8］。本文以TBM穿越高地应力段为研究对象，该地段为Ⅳ级围岩。TBM配套锚杆钻机、钢拱架安装架等支护系统，在围岩裸露出护盾后可立即施工钢拱架、锚杆、钢筋网［9］。支护锚杆采用5 m长φ22低预应力涨壳式中空注浆锚杆，环向间距1 m，纵向间距0.9 m。

2 高地应力敞开式TBM施工隧道围岩及支护结构稳定性研究

2.1 分析模型

采用有限差分软件FLAC 3D［10］，以该隧道Ⅳ级围岩段正洞断面为基础建立精细化三维数值模型，模型示意图如图1所示。模拟区段隧道埋深h取为1 300 m，模型顶面按29.06 MPa施加垂直荷载，侧面采用水平位移约束，底面采用竖向位移约束，初期支护距离掌子面3～4 m距离施作。围岩和喷混凝土均视为连续、均质、各向同性介质，采用Mohr-Coulomb屈服准则。喷混凝土与撑靴采用实体单元模拟，锚杆和超前小导管采用Cable单元模拟，钢拱架采用Beam单元模拟，围岩的物理力学参数如表1所示；隧道初期支护设置参数如表2所示。

每次循环TBM步进距离为1.8 m，一步进过程分3次开挖，一次开挖距离为0.6 m，模拟开挖过程：（1）刀盘掘进时施加开挖推力，撑靴施作水平支撑力；（2）刀盘掘进-护盾支护-刀盘掘进-删除护盾结构单元，支护锚杆、钢拱架，喷射混凝土-撑靴单元向掘进方向移动1.8 m；（3）循环掘进至隧道贯通。

模型中刀盘推力、转矩［11］通过掌子面施加应力的方式实现模拟，总推力按照实际掘进参数选取为25 500 kN，换算为掌子面均布荷载为268.5 kPa，在掌子面后10 m处预留的撑靴单元上施加水平荷载以模拟撑靴支撑力，掘进时的撑靴支撑力按照实际参数选取为66 300 kN，接触压力为6 MPa。开挖一步进后，删除上一步施加在撑靴与掌子面上的应力，同时施加下一循环位置的应力。

2.2 围岩稳定性分析

2.2.1 围岩变形分析

为减小模型边界效应对计算结果的影响，计算完成后均取模型中间断面（y=45 m）作为分析断面，围岩变形如图2所示。拱顶最大沉降值为110.2 mm，隧道最大跨度处的最大水平位移值为44.3 mm。

掌子面前方距离大于10 m范围的围岩拱顶沉降较缓慢，掌子面前方10 m，约0.91D处的拱顶沉降量为13.2 mm，掌子面前方10 m范围内拱顶沉降急速增加，掌子面处拱顶沉降量达到了75.46 mm，掌子面后方拱顶持续沉降，但沉降幅度减小，于掌子面后方36 m（3.27D）处趋于稳定。掌子面前方5.4 m（0.5D）范围内，最大跨度处水平位移迅速增加，掌子面位置最大跨度处水平位移为24.55 mm，掌子面后方10 m处撑靴施作水平支撑力，最大跨度处水平位移出现小幅度回弹，撑靴后方水平位移增加至39 m并于掌子面后方18 m（1.64D）处趋于稳定。掌子面前方围岩变形中，拱顶沉降量占总沉降量的69.74%，最大跨度处水平位移占总水平位移量的62.56%。

2.2.2 围岩塑性区分布特征

TBM掘进施工过程中，掌子面前后围岩塑性区如图3所示。

由图3可以发现，当TBM刀盘在掌子面时，掌子面前方塑性区深度8.3 m，掌子面后方3.6 m内围岩处于护盾支撑区域，塑性区很小，围岩主要表现为局部剪切破坏。掌子面后方3.6～5.4 m为护盾脱出围岩的范围，主要以剪切破坏为主。随着初期支护施作的完成，围岩转变为局部剪切破坏与局部拉剪破坏。

2.3 支护变形和受力特征

2.3.1 钢拱架受力分析

钢拱架轴力如图4所示。钢拱架所受轴力均为压应力，拱顶轴力值最小为126 MPa；2侧边墙轴力值最大为482 MPa。

2.3.2 喷混凝土受力分析

喷混凝土受力如图5所示。

从图5可以看出，水平应力、竖向应力与最大主应力均沿隧道中线对称分布，且均为负值，说明喷射混凝土全环受压。拱頂水平应力值较小，仰拱处水平应力最大，为43.7 MPa；最大跨度处竖向应力最大为64.4 MPa；拱顶处最大主应力较小，边墙内侧最大主应力最大为65.4 MPa。

2.4 支护变形特征与受力存在的问题

2.4.1 变形破坏特征

高地应力敞开式TBM施工中隧道围岩变形破坏特征：刀盘前方围岩会发生一定程度的塑性区和变形破坏，且掌子面前方围岩变形占比较高；随着TBM掘进，已经发生变形破坏的围岩进入护盾支撑区域，由于护盾的支撑作用缓解了围岩的变形速率，塑性区得到了一定程度的控制，但当护盾脱出围岩，该部分围岩变形量与塑性区再次增大；随着支护的施作，围岩的变形逐渐趋于稳定，塑性区进一步得到控制，在距离掌子面约3倍洞径以后，围岩基本不再变形，塑性区也不再发展。

2.4.2 初支变形受力特征

喷射混凝土边墙内侧及该处钢拱架呈现过高的应力，其外在原因是撑靴的支撑力作用在支护结构上，限制了边墙的位移，虽然随着TBM撑靴前移，支撑力在开挖一步进过程后删除，但是由于撑靴处边墙位移量较小，导致边墙处应力较大。由于初支施作距离掌子面较近，以竖向应力为主的过高地应力得不到释放，大部分应力作用在初支上，致使边墙位置处应力过高，这是主要的内在原因。过高的应力会导致钢拱架发生变形破坏、喷射混凝土变形开裂及压溃。初支的变形破坏造成的不利影响，一方面频繁更换钢拱架增加施工工作量，延长施工周期，降低经济效益；另一方面，混凝土的剥落开裂降低了初支承载力，严重时会影响施工安全。因此应对支护体系进行优化。

3 高地应力TBM隧道施工支护体系优化

对于高地应力敞开式TBM隧道，掌子面前方变形量在总变形量中占比较高，在考虑控制围岩变形时，应重点考虑针对掌子面前方围岩变形的控制。同时，如何减小高地应力对支护结构的影响是保证隧道施工安全的关键。优化支护方案考虑采用超前注浆小导管来控制掌子面前方围岩变形，小导管采用复合玻璃纤维导管，长9 m，搭接长度1.8 m，外插角5°，浆液扩散范围按1 m计，通过刀盘前方预留孔洞，利用敞开式TBM刀盘后方锚杆钻机打入［12］。锚杆采用长短锚杆相结合的支护方式［13］，喷射混凝土分为初喷10 cm和复喷25 cm二次施工［14］，短锚杆、钢拱架与初喷混凝土在护盾脱出围岩后及时施作，复喷混凝土与长毛杆在距离掌子面16 m处施作。初次施作初支的目的在于利用初喷混凝土及时封闭围岩，防止围岩裸露时间过长失去自稳能力而导致的松动掉块和坍塌等灾害，同时允许围岩变形，释放地应力，二次施作的初支作为主要承担荷载的结构，目的在于加固围岩，提高支护结构稳定性。其余支护参数与原有施工参数保持一致，优化后支护结构如图6所示。

3.1 高分子注浆加固技术

高分子注浆加固技术是将高分子树脂混合液通过特种设备注入到围岩中，使其在较短时间内将破碎松散的岩体胶结称为连续、完整的受力体，从而提高围岩的力学性能。

隧道用高分子注浆加固材料属于改性聚氨酯类高分子材料，由A、B2组分液体构成，无颗粒，可注性及渗透能力强，能注入破碎围岩体中细小裂隙，扩散半径大，反应快，具有一定的韧性，能够适应围岩变形及掘进扰动等因素的影响。超前注浆加固区采用等效代替法，将注浆后的加固区围岩力学参数等效，具体如表3所示。

3.2 优化后的围岩稳定性分析

优化支护参数后的围岩变形云图如图7所示。在进行支护方法优化后，围岩最大拱顶沉降为89 mm，最大水平位移为19.8 mm。掌子面前方围岩变形中，拱顶沉降值为38 mm，占总沉降量的44.9%；最大跨度处水平位移值为2.8 mm，占总收敛量的21%。相较于原有支护结构计算工况，掌子面前方变形与围岩总变形量均得到了有效控制。

图8为优化后的钢拱架应力图。钢拱架全环整体受压，边墙处轴力最大，为78 MPa，相较于原有支护方案，钢拱架所承受压力大幅度减小，钢拱架所受应力在安全工作范围内，符合钢结构设计标准。

优化方案的喷混凝土受力如图9所示。喷混凝土全环受压，水平应力最大值在拱顶及仰拱处，为10 MPa；竖直方向应力最大值在边墙外侧，为22.2 MPa。相较于原有方案，25 cm厚喷混凝土所承受的最大压应力得到降低，支护结构所受应力在其安全工作的范围内，符合混凝土结构设计规范。

4 结语

（1）高地应力段敞开式TBM施工中，掌子面前方变形在总变形中占比较高，控制掌子面前方变形是控制围岩变形的关键。数值模拟结果表明，采取一定的超前支护措施，可以有效地控制掌子面前方变形与围岩总变形；

（2）隧道洞身分布以竖向应力为主的高地应力，原施工方案在围岩刚露出护盾便使用刚性较大的支护结构进行支护，容易造成支护结构应力集中，其超过自身承载范围，影响施工安全。采用多次喷混凝土、长短锚杆结合的支护体系，有效降低了支护结构中的应力水平，保证了支护结构的稳定性。

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收稿日期：2022-10-21；修回日期：2023-04-10

作者简介：任道远 （1997-），男，硕士，主要从事隧道围岩稳定机理研究;E-mail：15994011256@163.com。

通讯作者：高新强 （1970-），男，博士，教授，博导，主要从事隧道围岩稳定机理研究；E-mail：gxqgaoxinqiang@163.com。

基金项目：中国铁建股份有限公司2019年度科技重大专项（项目编号：2019-A05）；石家庄铁道大学研究生创新自主项目（项目编号：YC2022017）。

引文格式：任道远 ，高新强，马泽骋，等.敞开式TBM穿越高地应力隧道支护优化研究[J].粘接，2023，50（6）：153-157.