輸水隧洞TBM開挖段圍巖預留變形量確定方法

王小軍

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

輸水隧洞TBM開挖段圍巖預留變形量確定方法

王小軍

（水利部新疆維吾爾自治區水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000）

目前長距離輸水隧洞預留變形量的取值一般根據工程經驗及類比方法進行設置，該方法缺乏理論依據，極易造成資源浪費。根據長距離深埋隧洞的開挖支護過程及變形規律，以新疆某輸水隧洞工程為依托，采用經驗公式法及數值模擬法綜合確定預留變形量，對同類型的工程有一定的參考價值。

長距離隧洞；預留變形；有限元

目前地下隧洞工程建設中，新奧法的施工方式已經被普遍采用，長距離輸水隧洞一般采用TBM掘進機施工為主、鉆爆法為輔的施工手段。掘進機施工段隧洞開挖洞徑的確定是一項重要內容，通常認為圍巖是隧道承擔荷載的一部分，圍巖與支護結構聯合承載，由于受隧洞埋深、地應力、地質條件、支護時間等因素的影響，隧洞從開挖到支護完成這段時間是存在變形的，為了保證二次襯砌結構的厚度及隧洞凈空不被侵占，所需預留的尺寸，即預留變形量。

預留變形量也是影響開挖洞徑確定的主要因素，此外還包括隧洞成洞洞徑、初期支護厚度、永久襯砌厚度。對于隧洞工程，成洞洞徑、初期支護厚度及二次襯砌厚度比較容易確定，而預留變形量的設置通常根據工程類比經驗確定，變化范圍較大，設置過大造成隧洞超挖，出渣量增加，耽誤工期，增加工程投資。本文以新疆某長距離輸水隧洞工程為依托，根據長距離輸水隧洞開挖支護過程及變形規律，采用經驗公式法及數值計算方法綜合確定預留變形量，為類似工程提供參考建議和經驗。

1 地質概況

新疆某輸水隧洞采用無壓方式向下游輸水，圓型斷面，設計開挖洞徑7.0m。隧洞沿線穿越的地質構造、地層巖性較多，洞線以泥盆系（D）+石炭系（C）凝灰質砂巖、凝灰巖、鈣質砂巖為主，其次為華力西期侵入的黑云母花崗巖、花崗閃長巖；二疊系、三疊系的泥質、砂巖夾砂礫巖在隧洞尾部有少量分布；隧洞穿越的斷裂破碎帶累計總長度7.5km，其中包含5條區域性斷裂破碎帶共2.08km。隧洞埋深一般在150～650m，平均埋深428m，最大埋深774m，洞身段大多數處于新鮮巖體內，裂隙不發育，圍巖呈塊狀和厚層狀，巖體較完整，以中硬巖、硬巖為主，隧洞沿線地下水以基巖裂隙水為主，流量較小。根據地勘成果洞線Ⅱ類圍巖占洞線全長的42.65%，Ⅲ類圍巖占43.82%，Ⅳ類圍巖占11.66%，Ⅴ類圍巖占1.87%。TBM施工段Ⅴ類圍巖斷面的預留變形量控制開挖洞徑取值，隧洞開挖洞徑7.0m，成洞洞徑5.84m。Ⅴ類圍巖段洞身斷面頂拱290°范圍，噴護180mm厚C30混凝土，并掛φ10@150mm×150mm鋼筋網；頂拱180°范圍設置3.0m長φ25中空錨桿，側底拱設置3.0m長φ22砂漿錨桿，錨桿間排距1.0m；洞周采用HW150全環支撐鋼拱架加強支護，榀距0.90～1.20m；通過大的斷層破碎帶時，可根據需要采用超前小導管預注漿加固圍巖，二次襯砌厚度0.35m。Ⅴ類圍巖洞段支護結構斷面如圖1。

圖1 Ⅴ類圍巖設計襯砌橫斷面

2 計算方法及參數選擇

對于深埋隧洞預留變形量的研究方法，目前沒有較為成熟的理論，相關隧洞預留變形量的研究多為定性描述，定量研究較少。在無現場監控資料時，通常根據工程類比法、經驗公式法或數值模擬法進行確定。國內部分工程預留變形量取值如表1。

表1 預留變形量工程實例

本工程TBM施工段初擬開挖洞徑7.0m，參照以上工程實例，對于Ⅴ類圍巖段預留變形可取5cm。以下采用公式法及數值模擬方法進行對比計算。參照《錦屏二級水電站引水隧洞軟巖段變形特征及預留變形分析》中的經驗公式，結合彈塑性有限元法塑性區及應力場計算成果進行計算：

Ⅴ類圍巖物理力學參數如表2。

表2 圍巖物理力學參數

在采用數值分析法前對預留變形量做如下定義：隧洞開挖后圍巖可能產生較大的擠壓變形，為防止變形導致初期支護侵入凈空，需要將原設計的開挖輪廓徑向擴大，擴大部分用于彌補變形，則徑向擴大的尺寸為預留變形量。因此，將隧洞初期支護完成后圍巖產生的最大變形定義為預留變形。隧洞洞徑擴大后可能導致變形計算成果有所變化，但其量值非常小，可忽略不計。

數值模擬計算采用彈塑性有限元法，圍巖采用彈塑性模型模擬，單元類型選擇實體單元，開挖過程通過分析步及增量步結合的方式進行。

三維模型尺寸作為對稱模型取一半進行計算，則X× Y×Z=30m×60m×60m。三維有限元模型如圖2。

圖2 有限元模型

3 計算成果分析

采用彈塑性有限元法及彈塑性公式法預留變形成果如表3。

表3 預留變形計算成果

通過彈塑性有限元法及彈塑性公式法計算得出，埋深較大斷面由于地應力高，隧洞開挖位移相對較大。由計算成果可知彈塑性有限元法及公式法計算成果較為接近，Ⅴ類圍巖計算值6.9cm；TBM掘進段通過的Ⅴ類圍巖段均為規模很小的斷層帶，多數斷層帶寬度均不足30m，TBM通過的最大斷層帶為F49，寬度60m；考慮斷層帶兩側均為完整巖石，對斷層變形有一定的約束作用，其實際變形應小于計算值。綜上所述因素考慮Ⅴ類圍巖段預留變形取5cm，計算結論與工程類比結果一致。

4 結語

在類似隧洞工程施工中，可對隧洞首先進行數值模擬及經驗公式法分析隧洞圍巖變形規律，基于有限元計算結果，結合地質條件綜合考慮預留變形量的設置，能夠有效減少因人為經驗因素造成預留變形量設置不合理的情況，具有一定的實際意義。

［1］王鵬．臺階法施工中下臺階開挖對預留變形量的影響［J］．地下空間與工程學報，2010，6（5）：1077-1080．

［2］趙東平，喻渝，王明年，等．大斷面黃土隧道變形規律及預留變形量研究［J］．現代隧道技術，2009，46（6）：64-69.

［3］JTG D70—2004，公路隧道設計規范［S］．

［4］謝貽權.何福保.彈性和塑性力學中的有限單元法［M］.北京：機械工業出版社，1983.

［5］王勖成，邵敏.有限單元法的基本原理和數值方法［M］.北京：清華大學出版社，1997.

（責任編輯：尹健婷）

Determination of preset deformation for TBM excavation section surrounding rocks in water conveyance tunnel

WANG Xiao-jun
（Xinjiang Scientific Research Institute of Water Resources and Hydropower，Urumqi 830000，China）

The value of long distance water conveyance tunnel preset deformation is based on the engineering experience and analogy method.This method is lack of theoretical basis and easy to cause the waste of resources.According to the excavation supporting process and deformation regularity of long distance deep buried tunnel， based on a water conveyance tunnel project in Xinjiang，the experience formula method and numerical simulation method is adopted to define the preset deformation，it have a reference for the similar project.

long distance tunnel；preset deformation；finite element

TV672+.1

B

1672-9900（2017）01-0067-03

2017-01-16

王小軍（1984-），男（漢族），甘肅天水人，工程師，主要從事水利水電工程設計及水工結構應力仿真分析研究工作，（Tel）15999167075。