滇中引水工程香爐山隧洞TBM開挖圍巖卸荷響應特征

龔熙橋，劉登學，孫 云，黃書嶺，張雨霆

(1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；2.長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北 武漢 430010)

1 概述

隨著我國“十四五”時期國家水網重大工程建設的大力推進，一大批重大引調水工程將被修建。在高山峻嶺地區修建引調水工程，大多采用長距離隧洞輸水方式。鑒于在機械化施工水平上面的優勢，TBM(Tunnel Boring Machine)開挖方式已經成為修建長距離隧洞(道)重要選擇[1- 6]。由于同傳統的鉆爆法施工方式存在明顯區別，采用TBM開挖后的隧洞圍巖卸荷響應特征也存在顯著差異。嚴鵬等[7]采用理論分析方法，對比了鉆爆和TBM兩種開挖方法下隧洞圍巖損傷特性。冷先倫等[8]通過構建損傷本構模型，研究了南水北調西線工程TBM掘進條件下隧洞圍巖的損傷特征。程建龍等[9]基于所建立的完整TBM數值分析模型，探明了不同類型復合地層中雙護盾TBM與圍巖的相互作用機制。黃興等[10]通過開展三軸卸圍壓試驗，揭示了TBM開挖條件下深部軟巖地層圍巖變形破壞特征。滇中引水工程香爐山隧洞TBM掘進洞段地質條件復雜，施工技術難度大，為此，本文采用現場監測和三維數值仿真2種手段，分析香爐山隧洞滇中引水工程香爐山隧洞敞開式TBM掘進洞段圍巖開挖卸荷響應特征，以期為該洞段隧洞支護方案優化及圍巖穩定安全控制提供參考。

2 工程背景

2.1 工程概況

香爐山隧洞起于麗江市玉龍縣石鼓鎮望城坡，止于大理州鶴慶縣松桂鎮河北-河西村一帶，途經麗江市玉龍縣和大理白族自治州鶴慶縣，線路長約62.596km，最大埋深1450m，是滇中引水工程最長的深埋隧洞，是整個滇中引水工程的控制性工程。

隧洞斷面為圓形，采用無壓輸水，設計流量135m3/s。隧洞采用“TBM法+鉆爆法”組合法施工方案，鉆爆法施工主要是針對活動斷層、埋深相對淺的不良地質段，其它洞段均采用敞開式TBM施工。TBM掘進段總長35.52km，隧洞襯砌后TBM段隧洞直徑為8.4～8.5m。

2.2 TBM掘進洞段地質條件

TBM施工隧洞段位于微新巖帶，巖性為灰巖、白云巖、玄武巖及砂泥頁巖等，其中灰巖、白云巖等屬較完整巖體，玄武巖屬較完整-完整巖體，局部完整性較差，砂、泥頁巖屬較破碎-較完整巖體。根據隧洞圍巖詳細分類統計：TBM掘進段Ⅲ類圍巖累計洞段長16.662km；Ⅳ類圍巖累計洞段長14.684km；Ⅴ類圍巖累計洞段長4.171km。Ⅳ、Ⅴ類圍巖約占TBM隧洞長度的53%，TBM施工隧洞段巖體完整性和圍巖類別總體偏差。

香爐山隧洞工程地形地質條件復雜，跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，沿線穿越13條大斷(裂)層。TBM施工段主要不良地質問題有：大埋深條件下的高外水壓力問題、(巖溶)涌突水問題、高地應力下軟巖(含斷層破碎帶)大變形問題、高地應力下硬巖巖爆問題及可能的高地溫問題和有毒有害氣體問題等，工程風險較大，技術難度居世界前列。

3 敞開式TBM掘進特點及初期支護設計方案

3.1 敞開式TBM掘進特點

從香爐山隧洞地質條件、工期、造價等多方面綜合比選，隧洞最終確定采用2臺敞開式TBM進行TBM洞段的開挖掘進[11- 12]。敞開式TBM依靠撐靴結構提供反力，實現其掘進所需的反推力和反扭矩，主要適用于巖石整體較為完整，有較好自穩性的中硬巖地層[13]。當遭遇軟巖地層或斷層破碎帶時，可依靠L1區和L2區設置的拱架安裝器、鋼筋排支護系統、錨桿鉆機、噴混等設備對圍巖進行加固[14]，如圖1所示。錨桿鉆機鉆孔與掘進可同步進行，首桿鉆孔深度大于4m，接桿鉆孔深度大于8m，采用無線遙控操作方式，L1區錨桿鉆機覆蓋上部180°圍巖，L2區錨桿鉆機覆蓋下部180°圍巖。混凝土噴射系統可環向覆蓋圍巖270°。相對于護盾式TBM，敞開式TBM護盾長度較短，在穿越斷層或軟巖大變形洞段時，卡機發生概率相對較低。此外，采用敞開式TBM施工，待護盾通過后，可直接觀測到圍巖巖性的變化，便于地質圖的繪制。

圖1 敞開式TBM分區支護設備示意圖

3.2 TBM掘進洞段初期支護設計方案

敞開式TBM掘進洞段主要采用架立鋼拱架、打設錨桿、布置鋼筋網、噴混凝土等初期支護措施。香爐山隧洞TBM掘進洞段不同圍巖類別的初期支護設計方案如圖2所示，具體支護參數如下：

(1)Ⅲ類圍巖，埋深小于1000m洞段。邊頂拱270°范圍布設Φ25砂漿錨桿，錨桿長度4.0m，間距1.5m；邊頂拱270°范圍噴10cm厚C25混凝土，并掛φ6.5@15cm×15cm鋼筋網；架設全斷面H125型鋼拱架，間距100～200cm。

(2)Ⅳ類圍巖，埋深小于1000m洞段。全斷面布設Φ25中空注漿/砂漿錨桿，錨桿長度5.0m，間距1.25m；邊頂拱270°范圍噴15cm厚聚丙烯粗纖維C25混凝土，并掛φ6.5@15cm×15cm鋼筋網；架設全斷面H125型鋼拱架，間距100cm。

(3)Ⅴ類圍巖。全斷面布設Φ25中空注漿錨桿，錨桿長度6.0m，間距1.25m；邊頂拱270°范圍噴15cm厚聚丙烯粗纖維C25混凝土，并掛φ8@15cm×15cm鋼筋網；架設全斷面H150型鋼拱架，間距50cm。

4 基于現場監測數據的圍巖開挖卸荷響應特征分析

4.1 圍巖變形

不同圍巖類別典型斷面的隧洞拱頂下沉變形監測曲線如圖3—5所示。Ⅲ類圍巖典型斷面埋深為878.52m，實測左右拱頂下沉變形量值分別為15.8、15.6mm，圍巖下沉變形在起測33d后逐漸趨于收斂；Ⅳ類圍巖典型斷面埋深為866.07m，實測左右拱頂下沉變形量值分別為21.5、20.4mm，圍巖下沉變形在起測26d后逐漸趨于收斂；Ⅴ類圍巖典型斷面埋深為967.68m，實測左右拱頂下沉變形量值分別為30.3、25.7mm，圍巖下沉變形在起測44d后逐漸趨于收斂。

從以上分析可知，3種不同圍巖典型斷面中，Ⅴ類圍巖變形量值最大，一方面是由于該斷面圍巖巖性較差，另一方面原因為該斷面埋深最大；不同圍巖類別典型斷面拱頂下沉均表現為左側拱頂下沉變形量值大于右側，且下沉變形一般在起測后26～44d內開始逐漸呈現收斂狀態。還可以看出，Ⅳ類圍巖典型斷面的收斂時間要短于Ⅲ類圍巖，主要是由于所選的Ⅳ類圍巖典型監測斷面的埋深要大于Ⅲ類圍巖。但需要指出的是，受TBM工作環境制約，隧洞圍巖變形監測一般是在圍巖出露護盾后才具備條件開展，故所監測到得變形量值要比由于隧洞開挖所引起的圍巖變形量值小的多。

圖2 不同圍巖類別隧洞初期支護設計方案

圖3 Ⅲ類圍巖典型斷面拱頂下沉變形監測曲線

圖4 Ⅳ類圍巖典型斷面拱頂下沉變形監測曲線

圖5 Ⅴ類圍巖典型斷面拱頂下沉變形監測曲線

4.2 支護受力

典型斷面鋼拱架應力隨TBM掘進變化規律如圖6所示。該斷面埋深為975.86m，巖性主要為砂巖、泥質砂巖夾泥巖，局部圍巖相對較為破碎，為Ⅴ類圍巖。從圖6中可以看出該斷面鋼拱架受力不均，具體表現為：拱頂處最大，其次左拱肩，最小是右拱肩。鋼拱架應力隨TBM掘進變化過程可分為3個階段：在第①階段，隨TBM向前掘進，圍巖應力釋放，鋼拱架應力逐漸增大；在第②階段，撐靴的經過，引起加卸載，鋼拱架應力呈現先增大再減小的變化規律；在第③階段，隨著前方掌子面的遠離，鋼拱架應力隨時間漸趨穩定。

圖6 典型斷面鋼拱架應力-時間曲線

5 基于三維數值仿真的圍巖開挖卸荷響應特征分析

受TBM工作環境制約，圍巖變形監測及支護受力監測工作相對滯后，所捕獲的監測數據不能完全真實反映隧洞圍巖開挖卸荷響應特征。通過對敞開式TBM施工過程開展三維數值仿真工作，可為復雜地層深埋隧洞敞開式TBM掘進洞段開挖卸荷響應特征分析提供有益參考。

5.1 初始計算條件

5.1.1計算分析洞段及初始地應力場

選取香爐山隧洞樁號DLI56+306作為計算分析洞段，該洞段埋深為866.07m，巖性主要為泥質灰巖、砂泥巖、泥巖，Ⅳ類圍巖。根據項目現場地應力測量結果，該區域隧洞高程范圍內，水平最大主應力σH占主導地位，垂直應力σz次之，水平最小應力σh量值最小。3個主應力之間的定量關系可歸納為σH=1.3σz，σh=0.65σz。水平最大主應力σH方向與洞軸線方向基本垂直。

5.1.2計算模型及巖體力學參數

采用商用軟件FLAC3D進行敞開式TBM開挖過程的三維數值模擬計算。計算模型如圖7所示，計算分析模型全部采用六面體單元進行剖分，共計剖分122496個單元，125759個節點。模型范圍為：垂直水流向150m，順水流向120m，鉛直方向150m。在順水流方向上，模型中間部位每一層的網格厚度為1.0m，隧洞周邊的徑向網格尺寸控制在0.5m以內。需要說明的是，DLI56+531斷面隧洞埋深為878.52m，模型中隧洞上覆巖體為75m。但在計算過程中，又施加了上部791.07m厚覆蓋層的自重應力。計算中采用彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb屈服準則進行模擬分析。巖體力學參數取值見表1。

圖7 計算分析模型

表1 巖體參數計算取值

5.2 敞開式TBM開挖施工計算分析方法

根據3.1節對敞開式TBM掘進特點的描述，建立了敞開式TBM開挖施工的計算方法。敞開式TBM在洞軸線方向上的刀盤+護盾累積長度取6m，考慮到在刀盤+護盾的區間內，圍巖雖已出露但尚無作業條件進行支護措施的施加，故對該區間內的圍巖不考慮初期支護措施的作用。當圍巖出露護盾后，根據敞開式TBM L1和L2分區支護的特點，隨掌子面逐步推進的方式再施加初期支護措施。其中鋼拱架采用FLAC3D中的beam單元模擬，錨桿采用cable單元模擬，噴層采用實體單元模擬。

5.3 圍巖開挖卸荷響應特征分析

5.3.1圍巖變形

圖8給出了計算模型開挖完成后監測斷面(位于模型中部)圍巖變形量值及變形矢量。開挖完畢后，洞周圍巖變形量值在20.9cm以內，洞周圍巖變形矢量指向洞內。監測斷面圍巖變形隨著掌子面推進的變化曲線如圖9所示。從圖9中可以看出，掌子面推進過程中的圍巖變形可分為掌子面前方變形和掌子面后方變形，其中，掌子面還未通過監測斷面時引起額圍巖變形增量為：拱頂6.3cm，邊墻7.5cm；掌子面在通過監測斷面后的圍巖變形增量為：拱頂13.5cm，邊墻10.1cm。此外，在距掌子面最近的6m范圍內(即“TBM刀盤+護盾”區間)，初期支護無法在開挖后立刻施加，可算得從開挖出露到具備初期支護施作條件前，圍巖在無支護條件下發生的增量變形為：拱頂10.7cm，邊墻7.7cm，這部分變形可為判斷TBM掘進過程中是否出現卡機問題提供參考。

圖8 模型開挖完成后監測斷面圍巖變形量值及變形矢量

圖9 隨掌子面推進監測斷面圍巖變形的變化曲線

5.3.2圍巖應力

圖10給出了計算模型開挖完成后監測斷面(位于模型中部)圍巖第一主應力和第三主應力分布圖。開挖完成后，圍巖第一主應力最大值為-39.1MPa(負值表示受壓)，出現在拱頂和底板處的圍巖內部，距開挖面大致為5m；受開挖卸荷影響，開挖面附近圍巖出現應力松弛現象，具體表現為開挖面淺部圍巖的第一主應力量值和第三主應力量值均較小，分別為-3.3、-0.2MPa，但未出現拉應力。

圖10 模型開挖完成后監測斷面圍巖主應力

在監測斷面拱頂不同深度圍巖位置設置了2個監測點(C點和D點)，其中C點位于開挖面表層單元，D點所在單元距開挖面為5m。記錄了C點和D點所在單元的圍巖第一主應力隨掌子面推進過程中的變化規律，如圖11所示。由圖11可知，隨掌子面推進，C點圍巖第一主應力大小變化大致可分為6個階段：在第1階段，掌子面距監測斷面較遠，TBM掘進開挖對C點圍巖第一主應力影響不大，C點處圍巖基本還處于初始應力狀態；在第2階段，掌子面推進至離監測斷面4～12m位置時，監測點C處的圍巖第一主應力逐漸增加，并出現應力集中現象，且當掌子面距監測斷面4m時，監測點C處的圍巖第一主應力達到峰值(-37.9MPa)；在第3階段，掌子面繼續推進并開始通過監測斷面，監測點C處的圍巖應力快速釋放，至掌子面通過監測斷面2m后，監測點C處的圍巖應力釋放基本完成；在第4階段，監測斷面處于TBM護盾范圍內，監測點C處的圍巖第一主應力基本無變化；在5階段，監測斷面移出護盾范圍，隨著初期支護的施加，監測點C處的圍巖第一主應力有一定程度的恢復；在第6階段，隨著掌子面的逐漸遠離，監測點C處的圍巖第一主應力基本不再變化。不同于C點，D點圍巖第一主應力隨掌子面推進過程中的變化曲線大致可分為3個階段，在第1階段，掌子面距監測斷面較遠，TBM掘進開挖對D點圍巖第一主應力影響不大，D點處圍巖基本還處于初始應力狀態；在第2階段，掌子面逐漸接近并通過監測斷面，監測點D處的圍巖第一主應力開始持續增加，并出現應力集中現象；在第3階段，隨著掌子面逐漸遠離監測斷面，D點處的圍巖第一主應力基本趨于穩定。

圖11 隨掌子面推進監測斷面圍巖第一主應力的變化曲線

5.3.3圍巖塑性區

圖12給出了計算模型開挖完成后監測斷面塑性區分布圖。開挖完成后，圍巖塑性區以剪切屈服為主，僅淺層圍巖呈現拉伸屈服，拱頂部位的塑性區深度為5m，邊墻部位的塑性區深度為4m，基本滿足錨固支護長度應超出塑性區深度的要求。

圖12 模型開挖完成后監測斷面圍巖塑性區分布

5.3.4支護受力

圖13給出了計算模型開挖完成后監測斷面錨桿受力圖，從圖13中可以看出，監測斷面錨桿受力最大值29.4MPa，出現在兩側邊墻中部；下半空間的錨桿受力明顯小于上半空間，這是由于下半空間的錨桿是在L2區施加，顯著滯后于在L1區施加的上半空間錨桿。圖14為監測斷面拱頂處錨桿應力隨掌子面推進的變化曲線，可以看出，錨桿施加后，隨著掌子面的持續向前推進，其應力持續增加，至掌子面至距監測斷面26m時，拱頂處的錨桿應力值才開始呈現逐漸收斂的態勢。以上分析可知，隧洞開挖后，錨桿應力值較小，腰線以下的錨桿表現最為顯著，可作適當優化。

圖13 模型開挖完成后監測斷面錨桿受力(單位：Pa)

圖14 隨掌子面推進監測斷面拱頂處錨桿受力的變化曲線

圖15給出了計算模型開挖完成后監測斷面鋼拱架受力圖，鋼拱架在開挖模擬計算中設置的承力上限為400MPa，從圖15中可以看出，監測斷面底拱部位鋼拱架已達承力上限，拱頂部位和邊墻部位鋼拱架應力值分別為333、180MPa，整個斷面鋼拱架受力平均值為268MPa。圖16為監測斷面拱頂處鋼拱架應力值隨掌子面推進的變化曲線，可以看出，鋼拱架施加后，隨著掌子面的持續向前推進，其應力持續增加，至掌子面至距監測斷面26m時，拱頂處的鋼拱架應力值才開始呈現逐漸收斂的態勢，同拱頂處錨桿應力值變化規律基本一致。

圖15 模型開挖完成后監測斷面鋼拱架受力(單位：Pa)

圖16 隨掌子面推進監測斷面拱頂處鋼拱架應力的變化曲線

6 結論

采用現場監測和三維數值仿真2種手段，對滇中引水工程香爐山隧洞敞開式TBM掘進洞段圍巖開挖卸荷響應特征進行了分析，主要結論如下：

(1)在敞開式TBM掘進過程中，通過在圍巖表面或內部及支護結構上布置監測儀器，可較為直接獲取圍巖開挖卸荷響應特征，但受TBM工作環境制約，圍巖變形監測及支護受力監測工作相對滯后，所捕獲的現場監測數據往往具有一定的局限性。

(2)通過建立敞開式TBM的仿真模型，對敞開式TBM掘進過程進行數值模擬工作，以此獲得圍巖變形、應力及支護結構受力隨掌子面推進的變化規律，可為隧洞支護設計優化及TBM掘進過程中卡機問題的預測和判斷提供參考。