馬 菲 張成軍 王克忠

(1.山西中部引黃工程建設(shè)管理有限公司，山西 太原 030000;2.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310014)

解決水資源的不平衡問題，一個重要的辦法就是調(diào)水。由于水源地、引水線路地形地貌的限制，深埋超長引水隧洞的施工將會越來越多[1-6]。

雙護(hù)盾TBM硬巖掘進(jìn)機(jī)又稱伸縮護(hù)盾式TBM，是一種集破巖、出渣、支護(hù)等作業(yè)于一體的成套施工設(shè)備，最適宜30～120MPa的硬質(zhì)巖掘進(jìn)，廣泛用于水利水電等建設(shè)工程，因此深入研究雙護(hù)盾TBM隧道施工具有很重要的工程意義[7-11]。三維數(shù)值分析能夠較好地模擬隧道開挖支護(hù)的過程[12-15]，而隧洞開挖卸荷效應(yīng)[16]、巖體開挖支護(hù)時機(jī)[17-18]、圍巖應(yīng)力變化和圍巖松動[18-20]等因素，對于數(shù)值模擬分析引水隧洞的TBM施工影響很大，因此研究考慮開挖卸荷效應(yīng)下的三維數(shù)值模擬分析，對于地下引水隧洞工程施工的安全性評價與設(shè)計優(yōu)化具有重要意義[21]。

1 工程概況

中部引黃工程是山西省大水網(wǎng)建設(shè)中輸水線路最長、覆蓋市縣最廣、投資規(guī)模最大、受益人口最多的大型骨干引水工程，規(guī)劃每年供水6.02億m3?？偢?號隧洞地處呂梁山脈，是中部引黃工程的控制性工程，具有線路長、埋深大、勘察研究范圍廣、地質(zhì)構(gòu)造背景與巖溶水文地質(zhì)條件復(fù)雜、地下水環(huán)境影響敏感等工程特點。中部引黃總干3號隧洞樁號K77+040.9～K118+395.8為TBM施工段，全長41.355km，為無壓輸水隧洞。穿過的地層為寒武、奧陶系灰?guī)r、白云巖、太古界變質(zhì)巖等，硬質(zhì)巖占絕大多數(shù)，巖體較完整或較破碎，其飽和抗壓強(qiáng)度多在40～100MPa。隧洞沿線地面高程1247～1605m，地表大部分被上第三系、第四系松散堆積物覆蓋，洞底最大埋深610m，隧洞埋深較大。

2 分析理論與方法

2.1 數(shù)值模型

采用Unigraphics NX軟件建模,模型從原點(樁號K97+476.87)出發(fā)，沿隧洞水流方向取48m(40環(huán)管片結(jié)構(gòu)的長度)，沿豎直方向向上、向下各取20m，水平方向向上、向下各取20m，使用ANSYS剖分網(wǎng)格(見圖1)，共得到單元31200個，節(jié)點32841個，利用有限差分程序FLAC3D進(jìn)行數(shù)值仿真計算。

圖1 ANSYS部分網(wǎng)格

2.2 計算基本假定

a.同層巖體按均質(zhì)、各向同性理想彈塑性材料考慮；襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)看作各向同性線彈性材料。

b.不考慮巖體變形的時間效應(yīng)。

2.3 計算參數(shù)及本構(gòu)模型

根據(jù)現(xiàn)場勘測資料，襯砌結(jié)構(gòu)、巖體物理力學(xué)參數(shù)見表1～表2。

表1 圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表2 襯砌材料物理力學(xué)參數(shù)

2.4 初始應(yīng)力場模擬

本文垂直應(yīng)力場以自重應(yīng)力場為主(σz=γz)，構(gòu)造應(yīng)力場影響不大；水平應(yīng)力場通過調(diào)整側(cè)壓力系數(shù)k值的大小來模擬(σx=kxσz，σy=kyσz)。

3 計算分析

本工程隧道段施工斷面為圓形，設(shè)計水深3.43～3.32m，采用六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)預(yù)制混凝土管片襯砌，襯砌后直徑4.3m；管片寬1.2m，厚25cm，管片在洞內(nèi)由四片組成一環(huán)；管片與圍巖之間的間隙90mm，用豆礫石充填并進(jìn)行回填灌漿密實，以達(dá)到結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和防滲止水效果。

隧洞開挖過程也是圍巖應(yīng)力釋放并重新分布的過程，是否考慮開挖卸荷效應(yīng)對于隧洞TBM施工三維彈塑性模擬分析影響很大。下面就是否考慮開挖卸荷效應(yīng)的兩種不同情況，模擬計算隧洞圍巖和襯砌管片的位移場、應(yīng)力場以及圍巖塑性區(qū)分布等，分析隧洞圍巖及襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。取監(jiān)測斷面(y=24m)的特征點進(jìn)行分析研究。

3.1 不考慮開挖卸荷效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

模擬過程說明：在不考慮開挖卸荷效應(yīng)時，隧洞掘進(jìn)后，在地應(yīng)力還未開始釋放時立即襯砌支護(hù)，襯砌管片產(chǎn)生支護(hù)反力，此時圍巖中應(yīng)力由襯砌與圍巖共同承擔(dān)。不考慮開挖面的推進(jìn)過程，假定一次成型開挖成洞。

由圖2～圖3可知，監(jiān)測斷面頂部下沉3.80mm，底部上升3.08mm，洞腰水平收斂5.20mm。圍巖各部位特征點的位移均較小，且沒有出現(xiàn)圍巖塑性區(qū)。

圖2 圍巖豎向位移等值線

圖3 圍巖水平位移等值線

由圖4～圖5可知，監(jiān)測斷面洞頂和洞底處的水平應(yīng)力為30MPa，洞腰處的豎向應(yīng)力為28MPa。

圖4 圍巖第一主應(yīng)力等值線(單位：MPa)

圖5 圍巖第三主應(yīng)力等值線(單位：MPa)

由圖6～圖7可知，監(jiān)測斷面管片頂部和底部的第一主應(yīng)力最大值達(dá)到了76MPa，超出了襯砌管片的抗壓強(qiáng)度設(shè)計值，管片襯砌混凝土主要表現(xiàn)為受壓破壞。

圖6 管片第一主應(yīng)力云圖線

圖7 管片第三主應(yīng)力云圖線

3.2 考慮開挖卸荷效應(yīng)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

考慮開挖卸荷效應(yīng)，在圍巖變形完成60%時進(jìn)行管片結(jié)構(gòu)支護(hù)，模擬計算該變形壓力釋放率下對圍巖應(yīng)力應(yīng)變及管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的影響。假設(shè)盾構(gòu)機(jī)是逐步向前推進(jìn)的，每次向前推進(jìn)的步距為一個襯砌管片單元的寬度(1.2m)。每個開挖步又分為兩個時間步，第一個時間步模擬隧洞開挖，采用在隧洞周圍施加虛擬支撐力模擬切削面圍巖的變形；第二個時間步模擬管片結(jié)構(gòu)的襯砌，采用替換注漿層和管片參數(shù)來模擬管片支護(hù)和盾尾孔隙注漿。通過重復(fù)循環(huán)上述過程，完成對隧道TBM施工的開挖卸荷、支護(hù)過程模擬。

3.2.1 圍巖位移變化規(guī)律

a.豎向位移變化規(guī)律。由圖8可知，隧道開挖之初，監(jiān)測斷面洞頂下沉0.46mm，位移釋放系數(shù)僅為5.1%，當(dāng)超過監(jiān)測斷面1倍開挖洞徑時，隨著掌子面約束的解除，監(jiān)測斷面洞頂下沉量增加較快，監(jiān)測斷面洞頂位移釋放系數(shù)達(dá)到81.6%，其后變形速率將有所減慢，逐漸趨于穩(wěn)定。

圖8 洞頂豎向變形隨掌子面推進(jìn)的變化曲線

b.水平位移變化規(guī)律。由圖9～圖12可知，隧道開挖之初，監(jiān)測斷面圍巖拱腰處最大水平位移值僅為2.6mm，當(dāng)超過監(jiān)測斷面1倍開挖洞徑(D)時，隨著掌子面約束的解除，監(jiān)測斷面拱腰處最大水平位移值增加較快，位移釋放系數(shù)達(dá)到85%。

圖9 L=-D圍巖水平位移等值線

圖10 L=0D圍巖水平位移等值線

圖11 L=0.5D圍巖水平位移等值線

圖12 隧洞貫通時圍巖水平位移

由圖13可知，隧道開挖之初，當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面前方隧道1倍開挖洞徑時，監(jiān)測斷面底部圍巖第一主應(yīng)力最大值達(dá)到22.03MPa，之后應(yīng)力增長緩慢，當(dāng)推進(jìn)到監(jiān)測斷面時，第一主應(yīng)力最大值為23MPa；繼續(xù)推進(jìn)，第一主應(yīng)力最大值增加較快，當(dāng)推進(jìn)到監(jiān)測斷面2倍洞徑時，最大值為32MPa。隨后應(yīng)力增長減慢，至趨于穩(wěn)定時僅增加1MPa。

圖13 圍巖第一主應(yīng)力最大值變化規(guī)律

3.2.2 圍巖塑性區(qū)分析

由圖14可知，隧洞貫通襯砌后，圍巖塑性區(qū)的最大半徑為3.1m，最大塑性區(qū)厚度為0.6m，在維護(hù)和利用圍巖自穩(wěn)能力的同時，襯砌管片保證了圍巖塑性區(qū)的適度發(fā)展。

圖14 襯砌后圍巖塑性區(qū)

3.2.3 管片凈空收斂分析

隧洞TBM掘進(jìn)貫通后，由圖15可知，隧道管片結(jié)構(gòu)豎向凈空收斂為2mm；由圖16可知，隧道管片結(jié)構(gòu)水平凈空收斂為3.6mm。水平凈空收斂大于豎向凈空收斂，這是由于工程區(qū)水平構(gòu)造應(yīng)力起主導(dǎo)作用。

圖15 管片豎向位移云圖

圖16 管片水平位移云圖

由圖17～圖20可知，TBM掘進(jìn)過程中，隧道管片結(jié)構(gòu)開始受壓，管片應(yīng)力值隨掌子面推進(jìn)而變化。在以水平構(gòu)造應(yīng)力為主的地應(yīng)力作用下，隧道管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律為：管片結(jié)構(gòu)頂部和底部的應(yīng)力大于側(cè)腰；第一主應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在管片結(jié)構(gòu)的頂部和底部的內(nèi)側(cè)；管片結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)應(yīng)力大于外側(cè)應(yīng)力，距離掌子面的遠(yuǎn)端應(yīng)力大于近端應(yīng)力。

圖17 第1步掘進(jìn)后管片第一主應(yīng)力

圖18 第4步掘進(jìn)后管片第一主應(yīng)力

圖19 第7步掘進(jìn)后管片第一主應(yīng)力

圖20 第10步掘進(jìn)后管片第一主應(yīng)力

隨著TBM掘進(jìn)襯砌，管片結(jié)構(gòu)應(yīng)力緩慢增加。當(dāng)管片結(jié)構(gòu)長度距離掌子面7環(huán)時，管片應(yīng)力趨于穩(wěn)定，管片第一主應(yīng)力最大值最終穩(wěn)定在13.7MPa左右，遠(yuǎn)小于襯砌管片(C45預(yù)制混凝土)設(shè)計抗壓強(qiáng)度，襯砌管片混凝土表現(xiàn)為穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

選取輸水隧洞600m深處洞段，針對是否考慮開挖卸荷效應(yīng)兩種不同的工況進(jìn)行了三維數(shù)值計算分析，研究得到以下結(jié)論和建議：

a.通過數(shù)值模擬結(jié)果可知，在不考慮開挖卸荷效應(yīng)下，TBM掘進(jìn)時，洞頂和洞底處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，管片結(jié)構(gòu)頂部和底部為脆弱部位，襯砌混凝土表現(xiàn)為受壓破壞。

b.針對是否考慮開挖卸荷效應(yīng)兩種工況，采用不同的圍巖應(yīng)力釋放率進(jìn)行對比計算，分析得出應(yīng)選擇適當(dāng)時機(jī)進(jìn)行管片支護(hù)，在保證圍巖穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，達(dá)到減小襯砌成本的目的。