深埋 TBM 隧洞围岩稳定与衬砌支护时机研究

深埋 TBM 隧洞围岩稳定与衬砌支护时机研究崔金鹏;苏凯;常智慧;周亚峰【摘要】A three-dimensional numerical model is developed for a given TBM water-conveyance pressure tunnel in an urban water supply project.Considering the spatial restriction effect of excavation face, the stability of surrounding rocks and installation timing of lining structures during the excavation period are analyzed with FLAC3D.Deformation of the surrounding rocks and stress distribution of the lining for this deep buried TBM tunnel with different installation timing are obtained.Results show that the spatial restriction effect of the excavation face plays a significant role in the deforma-tion process of surrounding rocks.The earlier the installation of lining structures, the smaller the deformation of sur-rounding rocks but the greater the stress of the lining structures, which is adverse to the safety of the lining structures. Consequently, the installation timing of lining could be decided by considering the stability of surrounding rocks and the lining stress level.%结合某市供水项目TBM有压输水隧洞工程，建立三维数值分析模型，考虑开挖面空间约束效应，采用FLAC3D 进行施工开挖期的围岩稳定与衬砌支护时机研究，分析了深埋TBM隧洞围岩的变形过程和在不同衬砌支护时机条件下围岩的变形与衬砌受力规律。

计算结果表明，开挖掌子面的空间效应明显，对围岩的变形过程有较大影响；衬砌支护越早，围岩的变形量越小，但会造成衬砌应力水平显著提高，对衬砌结构的安全不利；因此建议综合考虑围岩稳定状态与衬砌应力量值决定衬砌支护时机。

【期刊名称】《水电与新能源》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P5-10)【关键词】隧洞;TBM;围岩稳定;支护时机【作者】崔金鹏;苏凯;常智慧;周亚峰【作者单位】武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072;武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉 430072【正文语种】中文【中图分类】TV554+.14;U452.1+2随着隧洞埋藏深度的不断增大，产生的工程灾害也日趋增加，如软弱围岩大变形、流变、硬岩岩爆等，对深埋隧洞的稳定性造成巨大的威胁［1－2］。

在岩石地层中开挖隧洞，伴随着开挖掌子面向前推进，想要真实地模拟围岩在不同施工过程中的力学性态，不仅要考虑围岩介质的复杂属性及各种施工方式，如分部开挖步序、支护结构形式和施作时机，而且要考虑开挖面推进过程中的空间约束效应。

由于开挖面的空间约束效应，洞室开挖后围岩应力释放不是在瞬时完成，而是受到开挖面的约束影响，应力逐步释放，直到开挖面空间效应完全消失，围岩应力才得以全部释放。

G．Swobooda等［3］和 F．Pelli等［4］采用不同的数值分析方法模拟了开挖面推进过程中的围岩应力应变性态;于学馥等［5］提出了在平面应变法中采用释放系数模拟隧道施工过程的建议;朱维申和何满潮［6］利用洞壁径向位移释放系数反映开挖面径向“虚拟支撑力”的释放;孙钧和朱合华［7］通过二维数值模型采用“广义虚拟支撑力法”模拟了开挖面的时空效应;G．Swoboda和A．Abu－krisha［8］用三维有限元模拟了TBM推进过程中的地层受力和变形情况;谢锋等［9］通过蠕变损伤理论，给出了二维数值模型条件下的二次支护时机公式;G．Galli等［10］通过对隧道三维施工过程的数值模拟，研究了围岩和衬砌随施工推进的相互作用关系，金丰年和钱七虎［11］应用黏弹性模型，对全断面开挖隧洞的开挖过程进行了三维有限元模拟，讨论了开挖面和开挖推进速度的影响;刘建华等［12］利用FLAC3D进行了三维黏弹性数值模拟，分析了开挖位移和围岩稳定性;赵旭峰等［13］对软岩隧道工程中施工力学性态和变形时空效应进行了数值模拟，并将数值计算结果与现场实测进行了对比分析。

可以看出，隧洞开挖过程中围岩与支护结构相互作用的研究成果较多，但针对基于围岩稳定状态和衬砌受力特征的深埋TBM隧洞支护时机方面的研究尚十分有限。

本文利用FLAC3D基于某市供水项目TBM有压输水隧洞工程建立三维数值分析模型，考虑开挖面空间约束效应，进行施工开挖期的围岩稳定与衬砌支护时机研究，以期得到合理的衬砌支护时机。

1 计算理论与计算模型1．1 空间效应理论隧洞开挖面的空间效应在沿洞轴线方向上表现为“半圆穹”约束，“半圆穹”约束是指洞壁径向变形至开挖面距离的曲线呈半圆穹形。

“半圆穹”面积的大小取决于初始地应力状态(应力量值与侧压力系数)、岩性、隧洞埋深、隧洞截面形状系数(高宽比)以及施工开挖方式等因素。

而在隧洞横断面方向上则表现为“环形”约束［7］。

这两种约束之间的耦合作用使得开挖面附近一定范围内的围岩在无支护的情况下能够保持一段时间内的相对稳定，如图1所示。

图1 开挖面空间约束效应示意图1．2 屈服准则在岩土工程中，土体破坏准则应用最广泛的准则即为Mohr－Coulumb准则。

本文计算中，采用了基于Mohr－Coulomb准则的剪切屈服破坏和基于最大主应力准则的拉伸破坏的组合破坏准则，如图2所示。

图2 Mohr-Coulumb组合破坏准则破坏包络线f(σ1，σ3)=0，从A到B由剪切破坏准则fs=0定义:从B到C由拉伸破坏准则ft=0定义:式中，σt为抗拉强度;1．3 计算模型结合某市供水工程输水隧洞埋深为400 m的T13+000～T13+140洞段，共长140 m，建立三维数值计算模型，模型边界取至隧道5倍洞径(5D)范围外，上下边界分别取距隧道中心30 m;左右边界取距隧道中心30 m;模型采用笛卡儿直角坐标系，其整体坐标系的Y轴与隧洞的洞轴线一致，指向上游为正;铅垂向为Z轴，向上为正，X轴以右手法则确定，坐标原点位于隧洞上游端面中心位置。

左右两侧、底部以及上下游两端面均施加法向位移约束，上边界施加均布竖向应力模拟深部岩体高地应力条件，以侧压力系数法［14］模拟初始地应力场，并假定围岩为均质、各向同性的连续介质。

计算模型详见图3，其中开挖洞径为5．46 m，豆砾石厚度为 0．03 m，衬砌管片厚度为0．4 m。

在计算模型中取Y=70 m位置1－1截面为监测断面，并在监测断面隧洞顶部、底部和两腰共设置4个监测点以监测开挖后围岩位移变化情况，监测断面及监测点位置详见图4，模型计算材料参数见表1。

图3 计算模型图4 围岩变形监测断面及监测点位置示意图(单位:m)表1 材料参数取值介质密度/(k g·m －3)变形模量/G P a 泊松比粘聚力/M P a摩擦角/(°)侧压力系数2 4 3 0．0 3．0 0．3 0．3 3 0 0．9豆砾石 1 8 5 0．03．0 0．3 －－－衬砌围岩2 5 0 0．0 3 4．5 0．1 6 7 －－－2 计算结果分析2．1 围岩变形结果分析计算模型以5 m/计算步进行逐段开挖，开挖速率为20 m/d，记录监测断面处4个监测点的围岩径向位移变化如图5所示。

由图5和图6可知，开挖过程中，由于开挖面的空间约束效应，围岩应力和位移逐步释放。

在掌子面还未通过监测断面时，各监测点均已出现了变形，但此时整体位移值均很小;随着掌子面靠近监测断面，开挖导致隧洞前方一定范围内围岩受到扰动，各测点位移值急剧增大，其扰动影响范围为1倍洞径(1D)左右;当掌子面经过监测断面一段时间内，围岩位移增量达到最大值;然后随着掌子面远离监测断面，围岩位移继续增大，但此后位移增加缓慢;当掌子面距监测断面较远时(约3D)，各测点位移值趋于稳定，开挖面空间约束效应基本消失。

稳定后，监测点P1～P4的径向位移值分别为98．46、88．08、73．67 和87．96 mm。

图5 开挖推进过程中监测点径向位移图6 开挖过程中围岩径向位移纵剖面图/mm2．2 衬砌支护对围岩变形的影响为分析衬砌支护时机对围岩变形的影响，本文设置了4种支护方案，具体计算方案及参数取值见表2，支护时机示意图如图7所示。

其中，灌浆后豆砾石的弹性模量7天内由0．5 GPa线性增长到2．1 GPa。

记录各方案各监测点围岩径向位移变化，如图8所示。

表2 计算方案及参数取值?图7 衬砌支护时机(落后掌子面距离)示意图(单位:m)由图8(a)可以看出，对于方案 A、B、C、D，衬砌支护落后掌子面距离分别为5、10、20、40 m，围岩最大径向位移值分别为57．30、83．09、95．51 和98．20 mm，与无支护方案相比，围岩变形分别减少了42%、16%、3%和0．3%，且图8(b)、(c)和(d)有相似规律。

表明衬砌支护越早，围岩最终的变形量越小，若要求衬砌积极分担开挖荷载，衬砌支护应尽早进行，随着衬砌支护落后掌子面距离的增大，衬砌对围岩的支护作用越来越弱，在距离掌子面20 m以后进行支护，衬砌对围岩的支护作用基本不能发挥，衬砌支护落后掌子面距离大于40 m 时，衬砌支护对围岩变形的影响在1%以内。

2．3 衬砌受力分析选取一段衬砌(衬砌位置Y=15～20 m，具体位置详见图9)，分析掌子面推进过程中(豆砾石弹模同时增长)衬砌的应力变化特征，其中C50混凝土衬砌的设计抗压强度为23．1 MPa，设计抗拉强度1．89 MPa，安全系数取1．2。