豆礫石填充層對TBM隧道支護結構影響研究

梅志遠 張志強

【摘要】護盾式TBM在隧道工程掘進中，襯砌管片外弧面與圍巖間會存在一定的空隙，采用現有的豆礫石回填灌漿方法主要存在豆礫石回填不飽滿、管片上浮或者下沉，造成豆礫石填充層厚度不均勻。基于此，文章以尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道為工程依托，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬，分析了豆礫石層在不同形狀時對管片支護結構產生的影響，獲得了襯砌管片變形、應力、內力的變化規律。

【關鍵詞】TBM隧道; 豆礫石層; 襯砌管片; 力學演化規律

【中國分類號】U455.7【文獻標志碼】A

1 TBM隧道的豆礫石填充層

隨著社會經濟需求的增大和科技技術的發展進步，護盾式TBM在隧道工程掘進中的應用越來越多。襯砌管片外弧面與圍巖間的空隙需要采用豆礫石回填灌漿將二者連接，采用現有的豆礫石回填灌漿方法常造成豆礫石填充層厚度不均勻，從而增大了工程建設的投資與風險，大大降低了工程質量，埋下了安全隱患。因此有必要研究豆礫石層在不同形狀時對管片支護結構產生的影響。

目前許多學者對于豆礫石填充層進行了研究，王明友等[1]研究了不同回填密實度對圍巖變形、屈服狀態及襯砌受力等的影響，得出回填灌漿密實度過低，會導致管片應力分布不均勻且產生較大拉應力，也會產生較大的圍巖變形和屈服區分布;楊延棟等[2]對全斷面硬巖地層盾構隧道管片上浮控制技術進行了研究，從盾構施工和設計等方面提出了減小管片上浮的新措施;劉麗萍[3]針對全斷面掘進機（TBM）施工過程中豆礫石回填灌漿存在的問題，提出了用充氣軟管進行分段施工的方法;羅儉[4]對TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質量進行了研究，總結了相關經驗供類似工程借鑒;劉吉勇[5]對TBM底拱豆礫石回填灌漿工藝試驗研究進行了研究，確定了適用于具體工程需求的豆礫石注漿回填工藝。

本文以尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道為工程依托，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬和分析，以期為豆礫石填充層的設計和施工提供有益參考。

2 計算模型及參數選取

隧道模型尺寸如圖1所示，三維模型的邊界范圍為：水平方向上隧道中心線距離左右邊界30 m，隧道底部距離模型下邊界15 m，隧道縱向長度20 m，隧道埋深為50 m。在邊界約束方面，模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。

按照尼泊爾施工設計，管片外徑為4.8 m，厚30 cm，豆礫石填充層外徑5.1 m，厚15 cm，而當管片發生上浮或者下沉時，豆礫石填充層會產生上薄下厚、上厚下薄等形狀，所以本章選取的豆礫石形狀分為3種，即均勻豆礫石層、上薄下厚豆礫石層、上厚下薄豆礫石層，不同豆礫石填充層如圖2所示。

采用尼泊爾引水隧道中分布較廣的Ⅴ級圍巖參數，使用摩爾-庫倫本構模型，豆礫石填充層和管片均使用彈性本構模型。圍巖、豆礫石層和管片力學參數見表1。

本次計算采用全斷面開挖法模擬TBM隧道的施工過程，結合上述分析，將豆礫石填充層的不同形狀分為3種工況，計算工況如表2所示。

3 計算結果分析

為忽略邊界條件等因素的影響，本節特選取模型中間、

距離隧道口10 m處的斷面為研究對象。因本章旨在研究TBM隧道施加管片時，管片位置發生偏移對管片支護結構產生的影響，所以主要從變形、受力以及安全性等方面，分析TBM隧道掘進支護完成后，不同工況下豆礫石層和管片的狀況。

3.1 支護結構變形分析

為研究TBM隧道掘進支護完成后，不同工況下的支護結構變形，選取距離隧道口10 m處的豆礫石層和管片，提取其豎向位移、水平位移，圖3～圖5為不同工況的支護結構位移云圖，表3為不同工況下支護結構的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂統計。

根據圖3～圖5和表3分析可知：

（1）結合工況1、工況2，如果管片發生上浮導致豆礫石層產生上薄下厚的形狀時，會使得管片變形發生變化，拱頂沉降量增加，仰拱隆起量減小，對水平收斂則影響不大。

（2）結合工況1、工況3，如果管片發生下沉導致豆礫石層產生上厚下薄的形狀時，會使得仰拱隆起量增加，拱頂沉降量減小，而對水平收斂效果不明顯。

3.2 支護結構應力分析

為研究不同工況下支護結構的受力規律，選取距離隧道口10m處的斷面為研究對象，提取豆礫石層和管片的最大絕對主應力，如圖6～圖8所示。

根據圖6～圖8分析可知：

（1）結合工況1、工況2，管片上浮會導致豆礫石層拱頂最大主應力增加，仰拱最大主應力則減小，而管片的最大拉、壓應力分布區域會向上移動，拱頂內側受拉區范圍則逐漸減小，仰拱內側受拉區范圍逐漸增大。

（2）結合工況1、工況3，管片下沉會引起豆礫石層拱頂處最大主應力減小，而仰拱處最大主應力則增加，管片的最大拉、壓應力分布區域會向下移動，拱頂內側受拉區范圍增加，仰拱內側受拉區范圍減小。

3.3 支護結構內力分析

為研究不同工況下管片的內力分布規律，選取距離隧道口10 m處的斷面為研究對象，提取管片的軸力和彎矩，并根據公式計算其橫截面的安全系數。

如圖9～圖11及表4所示：

根據圖9～圖11及表4分析可知：

（1）所有工況中，管片支護都是全截面受壓，且軸力最大值俱出現在拱腰處，其次在拱頂和仰拱處，最小值則出現在拱肩或者拱腳處，管片在拱頂、仰拱處以內側受拉為主，拱腰處則外側受拉。最大正彎矩值基本在拱頂或者仰拱處，最大表4 各工況管片拱頂和仰拱內力

負彎矩則發生在拱腰處。

（2）結合工況1、工況2可知，管片上浮會引起管片拱頂處的軸力和彎矩都增加、安全系數減小。

而仰拱處的軸力則減小彎矩增加、安全系數增大，而拱腰處的內力和安全系數變化不明顯。

（3）結合工況1、工況3可知，管片下沉會引起管片仰拱處軸力和彎矩會增加、安全系數減小而拱頂處則與之相反。

4 結論

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬和分析，主要結論如下：

（1）當TBM隧道施做管片支護結構時，管片發生上浮，導致豆礫石填充層分布不均勻而產生上薄下厚的形狀，則在變形方面，會使管片變形不均勻分布，管片拱頂沉降增大，而仰拱隆起減小;在應力方面，會引起豆礫石層拱頂應力集中，管片最大拉應力和最大壓應力分布的區域也向上移動;在內力方面，會導致管片拱頂軸力和彎矩增加、安全系數也減小。

（2）如果TBM隧道施工時管片發生下沉，使得豆礫石填充層產生上厚下薄的形狀，則在變形方面，會導致管片仰拱隆起量增加，拱頂沉降量減小;在應力方面，會導致豆礫石層仰拱應力集中，管片最大拉壓應力分布的區域向下移動;而在內力方面，會導致管片仰拱軸力和彎矩增加、安全系數減小。

參考文獻

[1] 王明友，侯少康，劉耀儒，等. TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質量[J].隧道建設：中英文，2020，40（3）：326-336.

[2] 楊延棟，陳饋，李鳳遠，等.全斷面硬巖地層盾構隧道管片上浮控制技術研究[J].隧道建設，2015，35（2）：180-184.

[3] 劉麗萍.全斷面掘進機（TBM）施工中豆礫石回填灌漿技術[J].水利水電技術，2012，43（6）：63-66.

[4] 羅儉，彭林峰.彭林峰.TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質量[J].湖南水利水電，2018（5）：37-40.

[5] 劉吉勇.TBM底拱豆礫石回填灌漿工藝試驗研究[J].東北水利水電，2020，38（1）：42-44.