CCS水電站TBM預備洞支護設計與研究

楊曉箐 徐慶

摘 要：簡要梳理了歐美國家的支護設計理論及方法，包括收斂-約束法（CCM法）、圍巖縱向變形曲線（LDP）、應力釋放法、廣義Hoek-Brown準則等。針對厄瓜多爾CCS水電站工程的TBM預備洞工程，引入歐美的支護設計理念及方法，總結了一套計算方法，對預備洞段的支護措施進行了定量分析。計算結果顯示，在設計支護措施下，預備洞圍巖的塑性區分布有效縮減、支護結構受力均在1.5的安全系數范圍線內、收斂變形量得到有效控制，保障了TBM依靠自身步行裝置順利滑行通過。

關鍵詞：火山灰噴發堆積地層;TBM預備洞;收斂-約束法;縱向變形曲線;CCS水電站

中圖分類號：TV554 ? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.025

Abstract：The supporting design theories and methods of European and American countries， including convergence-confinement method （CCM method）， longitudinal displacement profile of surrounding rock （LDP）， stress relief method， generalized Hoek-Brown criterion were sorted out. The European and American support design concepts and methods were introduced. A series of calculation methods were summarized. The support of TBM preparatory adit for CCS Hydropower Station in Ecuador was quantitatively analyzed. The calculation results show that the design support on the adit， the plastic zone distribution of the surrounding rock of the preparatory adit is effectively reduced， the support structure stress is within the safety factor line of 1.5 and the convergence deformation is also effectively controlled， which guarantees that TBM depends on itself walking device glides smoothly.

Key words： volcanic accumulation formation; TBM preparatoryadit; convergence-confinement method; longitudinal displacement profile; CCS Hydropower Station

隧洞及地下工程的支護設計理論發展至今已有上百年。錨噴支護的理論設計法最早是新奧法創始人之一拉布希維茲（Rabcewicz）在20世紀60年代提出的。20世紀70年代后期，在這一方法的基礎上，國外發展為收斂-約束法（CCM法）和特征曲線法，而在我國則發展為解析計算法。限于巖體力學參數及初始地應力難以準確確定，對圍巖的本構關系與破壞準則認識不足，國內解析法的計算結果一般只作為隧洞支護設計的參考依據[1]。軟弱巖體中圍巖的漸進破壞更是一個難以分析的問題，既不存在簡單的數值分析模型，也沒有安全系數計算方法可用來確定這種漸進破壞可接受的限度。對支護設計充分性的判定要以對相關因素的評價為基礎，這些因素包括隧洞開挖后的變形情況、支護措施如注漿錨桿、鋼拱架、混凝土襯砌等引起的應力重分布[2]。

CCS水電站的2A施工支洞是TBM的預備洞，前364 m隧洞圍巖為火山噴發堆積層，隧洞支護設計需保證圍巖穩定，且需控制支護后斷面的變形量，以保障TBM順利通過。不同于國內隧洞支護設計中常用的工程類比法為主和數值分析法為輔的手段，該工程的合同文件要求隧洞巖石分類采用Bieniawsky地質力學巖體分類評價方法、隧洞支護設計采用收斂-約束法（CCM法）和廣義Hoek-Brown判據，這無疑增加了設計難度。

筆者通過研究歐美規范和相關文獻，厘清了歐洲支護設計采用的CCM法的理論，總結了一套計算方法并成功運用于2A施工支洞的支護設計。

1 工程概況

CCS水電站位于南美洲厄瓜多爾共和國北部，電站總裝機容量1 500 MW。輸水隧洞全長24.83 km，從首部樞紐輸水至調蓄水庫，輸水隧洞施工在該工程的關鍵線路上，采用2臺TBM施工。2A施工支洞交于主洞樁號K9+878.18處，設計洞長1 644.34 m，作為TBM1的施工通道。2A施工支洞前410 m的地質條件復雜，設計考慮作為TBM預備洞[3]。為確保TBM早日投入正常掘進施工，預備洞采用鉆爆法開挖支護后，不再襯砌，TBM進場后依靠自身步行裝置滑行進洞。因此，2A支洞的斷面和支護設計應充分考慮控制圍巖的收斂變形量，以保障TBM（前盾直徑9.11 m）順利通過。

2 相關設計理論及方法

2.1 收斂-約束法

CCM法是通過預測隧洞開挖引發的圍巖變形與應力，初步估計支護的時機和強度，然后結合隧洞現場變形觀測資料，設計最優化的支護結構系統的一種方法。收斂-約束法主要在歐洲和日本等國家的初期支護設計中使用[4]，我國水工隧洞支護設計通常以經驗類比法為主，解析分析法為輔。

Panet[5]介紹的CCM法能夠評估隧洞的穩定性條件及傳遞給支護的圍巖壓力。該方法基于地面反應曲線（GRC）和支護特性曲線（SCC）兩條曲線的疊加。這兩條曲線的交叉處為開挖的平衡點，能得出圍巖施加給支護的壓力。通過縱向變形曲線（LDP）評估巖石在支護安裝處相對于開挖前部的松動。GRC和SCC曲線的相交可以確定巖石是屬于彈性范圍還是塑性范圍。

2.2 圍巖縱向變形曲線

無論采用解析法還是平面應變數值模型分析方法，圍巖的縱向變形曲線（LDP）都是收斂-約束方法成功運用的核心。

2.3 應力釋放法

隧洞的設計是一個三維問題，采用二維建模，將隧洞開挖簡化為平面應變問題。三維的開挖過程通過“應力釋放法”解決，即通過逐漸減少圍巖的內部應力來模擬開挖前方的情況。

在掌子面前方一定距離處有一個假設的內部支撐壓力，等于地面的自然應力。當遠離掌子面時，這種支撐壓力就會減小，直到零。這種從三維應力狀態到平面應力狀態的過渡可以確定在掌子面前后一定范圍內的變形情況。

一般開挖后，掌子面前方圍巖已經開始收縮，并且到掌子面后方圍巖的收縮逐漸增加。如果所有上述內容都采用內部支撐壓力與隧洞徑向收縮相關的曲線表示，則可以得到圍巖變形曲線。這條曲線的形狀取決于巖體斷裂準則。重要的是注意隧道從前段（沒有挖掘處）移動到后段（挖掘處）內部假設的支撐壓力是如何降低的。當出現壓力降低時，隧洞徑向收縮在增加，直到達到最大徑向變形點時支撐壓力為零。

因此，隧道已開挖部位有一個明顯的臨時支撐力，可在安裝支護之前作用一段時間。但是，掌子面前方已經有了一個較小的變形。評估以上情況的曲線是隧道前進方向的縱向變形剖面（LDP）。

應力釋放法基于上述曲線。在安裝支護之前，允許隧洞自然變形。一旦安裝支護，則對支護承載力進行分析，并計算支護系統的安全系數。

由于Ⅴ類圍巖現場實施時火山灰地層洞內成孔較為困難，全部采用管式注漿錨桿;施工時，頂拱錨桿漿液無法注入，全部取消，側墻錨桿方向全部由沿隧洞徑向布置調整為尾部向下，以防漿液流出。鋼拱架采用I16工字鋼，間距0.5 m，噴混凝土厚度0.25 m。支護材料相關參數：噴混凝土彈性模量E0為24.87 GPa，泊松比為0.2，抗壓強度fc為28 MPa，混凝土抗拉強度ft為2.8;Φ42管式錨桿彈性模量E0為200 GPa，鋼材屈服強度fy為420 MPa;鋼拱架彈性模量E0為210 GPa，鋼材抗拉強度fu為470 MPa，鋼材屈服強度fy為355 MPa。

3.2 計算模型及過程

以V類圍巖為例，采用Phase2軟件建模計算，采用10個階段模擬應力釋放，各階段應力釋放系數見表2。

3.3 計算結果

經計算，隧洞圍巖的塑性區分布、位移以及支護結構的受力情況如下：

（1）洞周塑性區環狀分布，不支護時塑性區等效半徑約18 m，施加設計支護時塑性區等效半徑縮減為10 m。

（2）不支護時隧洞的最大位移出現在頂拱，約為95 mm，設計支護措施下頂拱總位移不超過30 mm。由于鋼拱架的底拱未封閉，因此支護后的最大位移出現在隧洞底部，約為55 mm。

（3）錨桿最大第一主應力為63.24 MPa，不超過錨桿抗拉應力。鋼拱架的軸力范圍為0.3～0.7 MN，最大軸力出現在頂拱;鋼拱架彎矩范圍為-0.02～0.04 MN·m，最大彎矩出現在左右側墻處;鋼拱架剪力范圍為-0.05～0.05 MN，最大剪力出現在左右側墻處。噴混凝土層軸力范圍為0.24～0.63 MN，彎矩范圍為-0.02～0.04 MN·m，剪力范圍為-0.04～0.04 MN，噴層最大軸力、彎矩和剪力出現的位置與鋼拱架相同。將噴混凝土和鋼拱架的計算結果繪制在彎矩—軸力圖和剪力—軸力圖上，所有點安全系數均大于1.5。

因此，Ⅴ類圍巖采用間距0.5 m的I16工字鋼、噴0.25 m厚混凝土和Φ42管式注漿錨桿的組合支護措施基本合適。Ⅲ、Ⅳ類圍巖同理計算，各類圍巖設計支護措施詳見表3。

4 安全監測結果及分析

由于預備洞內成孔較為困難，安全監測施工時取消了滲壓計和多點位移計，設置了20個收斂監測斷面、25個鋼拱架應力監測點。根據監測結果，累計收斂值的范圍為-16.79～42.99 mm，累計相對收斂值范圍為-0.19%～1.20%;鋼拱架的應力為-15.7～-217.3 MPa，最大壓應力出現在頂拱部位。對比可知，設計計算成果與隧洞收斂監測和鋼拱架應力監測數據基本符合，設計的支護措施基本合適。

5 結 語

本文系統研究了歐美地區用于支護設計的收斂-約束法、圍巖縱向變形曲線和應力釋放法等相關理論和方法，總結了一套支護計算方法。針對CCS水電站工程位于火山灰噴發堆積層的TBM預備洞，依據上述理論和歐美相關規范，借助Phase2軟件，進行了系統的支護計算分析。通過現場監測數據反饋，計算成果與其基本符合，為今后類似工程的設計提供了一種思路。

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【責任編輯 張華巖】