敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法及應用

收稿日期：2023-04-25；接受日期：2023-06-23

基金項目：云南省重大科技專項計劃項目（202002AF080003）；長江科學院創新團隊資助項目（CKSF2021715/YT）；中央級公益性科研院所基本科研業務費項目（CKSF2021457/YT）

作者簡介：劉登學，男，高級工程師，博士，研究方向為隧洞圍巖穩定及結構安全。E-mail：liudengxue123@sina.cn

通信作者：寇甲兵，男，高級工程師，碩士，研究方向為水利水電工程建設管理。E-mail：kouzi@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章編號：1001-4179（2024） 06-0182-06

引用本文：劉登學，孔勇斌，寇甲兵，等.敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法及應用

［J］.人民長江，2024，55（6）：182-187.

摘要：當TBM開挖隧洞遭遇不良地質條件下的圍巖大變形地質災害時，通常會造成卡機或侵限等風險。開展TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價工作對降低卡機或侵限等風險具有重要的現實意義。通過分析敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形特點，建立了敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法。該方法通過采用三維數值分析和圍巖變形現場監測手段，可獲得圍巖在護盾區間以及出露護盾后的變形，從而實現敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全性判別。在滇中引水工程香爐山隧洞的工程應用表明，所提方法能夠有效判別不同支護方案下的圍巖變形安全性，從而為敞開式TBM開挖隧洞施工期支護方案實時調整提供依據。

關" 鍵" 詞：TBM； 圍巖變形； 安全評價； 卡機； 侵限； 香爐山隧洞； 滇中引水工程

中圖法分類號： TV554

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.025

0" 引 言

在長距離深埋隧洞（道）施工時，相較于傳統的鉆爆方法施工，TBM開挖方式在機械化施工水平、施工人員安全保障等方面具有巨大優勢，使其成為首選［1-5］。然而由于在TBM施工方法中，機器-圍巖-支護體系之間的相互作用關系極強，當遭遇不良地質條件下的圍巖大變形地質災害時，通常會造成卡機或侵限等風險［6-8］。因此，開展針對TBM開挖隧洞的圍巖變形安全性評價研究對于長距離深埋隧洞高效施工和安全建設具有重要的意義［9］。溫森等［10］采用收斂-約束法和風險分析理論，提出了TBM施工變形風險評估方法。Zhang等［11］考慮地層變形的時間效應，推導了擠壓性地層卡機計算模型。黃興等［12］給出了TBM圍巖擠壓大變形的定義，并將TBM開挖隧洞圍巖擠壓變形分為5個等級。溫森等［13］基于Hoek-Brown準則并考慮管片支護和掌子面效應建立了停機和連續掘進不同工況下卡機狀態判斷計算模型。柳同祥等［14］基于TBM開挖隧洞施工期圍巖變形監測數據反演獲得的圍巖蠕變參數，預測分析了大埋深洞段的圍巖變形，并對TBM卡機風險進行了評估。劉泉聲等［15-16］將護盾內表面應變作為預警指標，提出了TBM卡機實時監測預警方法。雖然上述研究已從TBM圍巖變形風險等級、監測預警方法等方面進行了探討，但研究工作往往僅考慮TBM施工過程中圍巖變形引起的卡機風險，未考慮TBM施工過程中圍巖變形過大引起的侵限風險，且圍巖變形風險等級判別方法往往過于復雜，未能在TBM施工過程中廣泛推廣。基于此，本文擬根據敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形特點，綜合考慮敞開式TBM開挖隧洞由于圍巖變形可能導致的卡機和侵限風險，建立隧洞圍巖變形安全評價方法，并將該方法應用于敞開式TBM開挖隧洞圍巖大變形洞段支護應對方案評價工作中，以驗證所提方法的有效性。

1" 敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法

1.1" 敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形特點

如圖1所示，在敞開式TBM向前掘進過程中，圍巖變形可分為3個部分，即掌子面前方變形、TBM護盾區間變形和出護盾后的變形。其中，掌子面前方變形是指圍巖在開挖出露前因隧洞變形的空間效應而引發的變形［17］；TBM護盾區間變形是指在圍巖處于護盾的區間內且尚無條件施加支護措施時產生的變形；出護盾后變形是指圍巖在臨空面出露護盾后產生的變形。敞開式TBM隧洞圍巖護盾區間的變形與出護盾后變形界定點具體根據TBM設備的護盾長度確定。TBM護盾區間的圍巖變形量值一旦超過開挖預留的變形間隙，將很容易造成護盾被卡，而TBM護盾區間的圍巖變形量值與出護盾后的變形量值的總和超過預留變形量時，將會侵占二次襯砌的施作空間，最終會影響隧洞運行期過流洞徑或二次襯砌的長期安全。

1.2" 安全評價指標

基于以上分析，提出敞開式TBM隧洞圍巖變形安全度Fdisp來量化分析隧洞開挖施工期圍巖的變形幅度，定義為

Fdisp=min（F1，F2）（1）

F1=D1U1（2）

F2=D2U1+U2（3）

式中：D1為考慮刀盤擴挖和護盾收縮后圍巖與護盾間的最大間隙；D2為TBM隧洞預留變形量；U1為TBM護盾區間的圍巖變形量值；U2為出護盾后的圍巖變形量值；min（F1，F2）為對F1和F2取最小值。

圍巖變形安全度Fdisp大于或等于1即表明圍巖變形指標滿足所制定的圍巖變形安全判別標準。

1.3" 圍巖變形安全評價流程

根據上述提出的敞開式TBM圍巖變形安全評價標準，當圍巖變形安全度Fdisp大于或等于1時，即表明當前敞開式TBM開挖隧洞支護方案能夠滿足圍巖變形安全的要求；反之，則說明當前支護方案下存在卡機或者侵限的風險，應調整設計方案以保障圍巖變形安全。具體的，當圍巖變形指標不滿足所制定的圍巖安全判別標準時，即Fdisp 小于1時，可分為3種情況：① F1lt;1且F2≥1，說明當前支護方案下，存在卡機風險，應調整支護方案以控制護盾內圍巖變形；② F1≥1且F2lt;1，說明當前支護方案下，存在侵限風險，應調整支護方案以控制圍巖總體變形；③ F1lt;1且F2lt;1，說明當前支護方案下，存在卡機和侵限風險，應調整支護方案以控制圍巖在護盾內的變形和總體變形。圖2給出了敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法的流程框圖。

2" 敞開式TBM隧洞圍巖變形獲取方法

2.1" 三維數值仿真

采用掌子面持續推進的模擬方法實現敞開式TBM隧洞開挖支護的三維數值仿真，可獲得不同支護方案下圍巖在各階段的變形。根據敞開式TBM掘進特點，建立了敞開式TBM開挖施工的計算方法［18］。如圖3所示，在TBM護盾區間內不考慮支護措施作用，隨著掌子面推進，當圍巖出露護盾后，再根據敞開式TBM分區支護的特點，施加初期支護措施。通過三維數值仿真獲得圍壓變形安全度指標后，可用于量化分析不同支護方案條件下的圍巖變形安全程度，為方案比選提供依據。

2.2" 施工期現場圍巖變形監測

2.2.1" TBM護盾區間圍巖變形

受TBM工作環境制約，采用傳統監測手段，如采用全站儀、收斂尺進行施工期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，TBM護盾區間變形難以獲取，故所監測到的變形量值要比由于隧洞開挖所引起的圍巖變形量值小得多。

為了解決上述問題，本文提出了一種獲取TBM開挖過程中護盾區間內圍巖變形的監測系統及方法，其能夠在TBM正常掘進過程中實時獲取護盾與圍巖之間的距離，從而監測圍巖在TBM護盾區間內的變形。

如圖4所示，在敞開式TBM護盾前后兩端各設置一組激光測距儀，每一組的布設位置分別對應隧洞的拱頂（A1和A2）、左拱肩（B1和B2）、右拱肩（C1和C2）、左邊墻（D1和D2）、右邊墻（E1和E2）、底拱左側（F1和F2）和底拱右側（G1和G2）。通過記錄兩組激光測距儀通過監測斷面時與圍巖的距離，可計算得到監測斷面相應點在TBM護盾區間內的變形量值。如護盾前端A1點處激光測距儀通過監測斷面時與圍巖的距離為LA1，護盾后端A2點處激光測距儀通過監測斷面時與圍巖的距離為LA2，則監測斷面頂拱處圍巖在TBM護盾區間的變形量值U1可通過式（4）求得：U1=LA1－LA2（4）

2.2.2" 出護盾后圍巖變形

開挖施工期圍巖出露護盾后的變形U2可通過三維激光掃描設備獲取，見圖5。三維激光掃描獲得的是各個部位點云坐標數據（圖6），相同位置兩次點云之差就是圍巖各部位坐標變化，通過坐標變化即可獲得圍巖各部位的變形數據。

3" 工程應用

3.1" 工程概況

滇中引水香爐山隧洞7號施工支洞上游工作面控制洞段總長21.065 km（樁號DLⅠ57+865.39～DLⅠ36+800），采用敞開式TBM掘進機全斷面開挖，截至2022年11月18日，TBM掘進至樁號DL I 53+375.24。TBM掘進過程中，樁號DL I 53+800～53+400段圍巖變形問題突出，圍巖變形顯著部位主要為頂拱、拱肩及底板部位，頂拱及拱肩部位最大變形量值為120 cm，底板最大隆起量值為51 cm，圍巖變形程度為中等—極嚴重變形，見圖7。

3.2" 現狀條件下隧洞圍巖變形安全性評價

選取香爐山隧洞樁號DL I 53+450作為計算分析洞段，該洞段埋深為1 202.24 m。采用三維數值仿真手段對該斷面進行TBM掘進過程的三維模擬計算，反演該斷面各階段圍巖變形，利用本文所提的敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價方法對該洞段圍巖變形安全性作出評判。

3.2.1" 初始計算條件

計算模型見圖8。計算分析模型尺寸為：垂直水流向150 m，順水流向120 m，鉛直方向150 m，共計剖分122 496個單元，125 759個節點，且均為六面體單元剖分。需要說明的是，DL I 53+450斷面隧洞埋深為1 202.24 m，模型中隧洞上覆巖體為75 m，在計算過程中，又施加了上部1 127.24 m厚上覆巖體的自重應力。

該洞段圍巖為三疊系松桂組（T3sn）深灰色-灰黑色薄層-互層泥巖、泥質砂巖夾炭質泥巖。根據室內試驗成果，圍巖力學參數為：重度26.8 kN/m3，變形模量1.5 GPa，泊松比0.3，內摩擦系數0.55，黏聚力為0.3 MPa。計算中巖體采用彈塑性本構模型和Mohr-Coulomb屈服準則進行模擬分析。

根據地質資料，最大水平主應力側壓系數取1.2，最大水平主應力方向與洞軸線垂直。根據現場實際施工情況，計算中考慮的支護措施為：全斷面Ⅰ20b@50 cm鋼拱架，邊頂拱270°范圍噴15 cm厚C25聚丙烯粗纖維混凝土。

3.2.2" 評價結果

圖9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。開挖完畢后，洞周圍巖變形量值在127 cm以內，其中頂拱沉降變形為98 cm，底板抬升變形為56 cm。監測斷面頂拱圍巖下沉變形和底板圍巖抬升變形隨著掌子面推進的變化曲線如圖10所示。從圖中可以看出，掌子面還未通過監測斷面時引起的圍巖變形增量為：頂拱沉降31 cm，底板上抬25 cm。掌子面在通過監測斷面后的圍巖變形增量U1+U2為：頂拱沉降67 cm，底板上抬31 cm，與實際所測得的圍巖變形量值基本一致。其中，TBM護盾區間圍巖變形量值U1為頂拱沉降41 cm，底板上抬18 cm；出護盾后的圍巖變形量值U2為頂拱沉降26 cm，底板上抬13 cm。據此，可計算出該斷面圍巖變形安全度Fdisp=0.32lt;1（D1取為15 cm，D2取為21.25 cm），表明當前支護方案不能夠滿足圍巖變形安全的要求，存在卡機和侵限風險。

3.3" 不同支護方案下隧洞圍巖變形安全性判別

從上述計算結果可知，現有施工支護方案下，圍巖變形不滿足圍巖變形安全要求，需增強現有支護強度。

表1擬定了5種TBM洞段優化支護方案。不同支護方案下圍巖變形安全性判別結果見表2。從表中可知，通過提高鋼拱架型號、增設中空注漿錨桿及施加超前支護措施可提高圍巖變形安全度，其中提高鋼拱架型號和增設中空注漿錨桿僅能限制圍巖出露護盾后的變形，即提高F2，而通過施加超前支護措施改善掌子面前方圍巖，可有效限制圍巖在護盾區間的變形，降低卡機風險。

4" 結 論

本文根據敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形特點提出了隧洞圍巖變形安全評價方法，并將該方法應用于滇中引水工程香爐山隧洞圍巖大變形洞段支護應對方案評價工作中，主要結論如下：（1） 考慮敞開式TBM開挖隧洞由于圍巖變形可能導致的卡機和侵限風險，建立了敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全評價指標及評價方法。

（2） 通過采用三維數值分析和圍巖變形現場監測

手段，可獲得圍巖在護盾區間以及出露護盾后的變形，

從而實現敞開式TBM開挖隧洞圍巖變形安全性判別。

（3） 工程應用表明，該方法能夠有效判別不同支護方案下的圍巖變形安全性，從而為敞開式TBM開挖隧洞支護方案調整提供依據。

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（編輯：鄭 毅）

Research on safety evaluation method for surrounding rock deformation of open TBM excavation tunnel and application

LIU Dengxue1，KONG Yongbin2，KOU Jiabing2，HUANG Shuling1，ZHANG Yuting1

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;

2.Central Yunnan Water Diversion Project Co.，Ltd. of Yunnan Province，Kunming 650000，China）

Abstract：

When excavating a tunnel by TBM encounters geological disasters，such as large deformation，it usually poses risks such as jamming or limit intrusion.The research on safety evaluation of surrounding rock deformation during TBM excavation has an important practical significance in reducing the risk of jamming or limit intrusion.This paper analyzed the deformation characteristics of open TBM excavation tunnels，and established safety evaluation indicators and methods for deformation of open TBM excavation tunnels.By using three-dimensional numerical simulation and on-site monitoring of deformation，the deformation of surrounding rock in the shield zone and after the shield can be obtained，so we can achieve safety discrimination of deformation in open TBM excavation tunnels.Engineering applications in Xianglushan tunnel in Central Yunnan Water Diversion Project show that the proposed method can effectively identify the safety of deformation under different support schemes，thereby providing a basis for real-time adjustment of support schemes during open TBM tunnel construction.

Key words：

TBM; surrounding rock deformation; safety evaluation; TBM jamming; limit intrusion; Xianglushan tunnel; Central Yunnan Water Diversion Project