某抽水蓄能電站斜井隧洞TBM開挖支護(hù)穩(wěn)定性分析

童 慧，賀 歡，任 鑫，張祥富，岳金文

（1．湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南省平江縣 414500；2．中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南省長沙市 410014）

0 引言

TBM法和鉆爆法是隧洞開挖施工最常用的兩種方法[1]。由于人工成本日漸增加，工程安全性要求日益嚴(yán)苛，鉆爆法因施工條件較差、安全保障性低而有被逐漸淘汰的趨勢[2]。TBM法憑借其較鉆爆法工序簡單、掘進(jìn)施工速度快、安全性好、對圍巖擾動小、超欠挖量小等諸多優(yōu)勢，在隧洞工程開挖中的應(yīng)用越來越廣泛[3]。國產(chǎn)TBM設(shè)備生產(chǎn)商也越來越多，TBM法逐漸成為未來隧洞開挖施工的主流趨勢[4]。

由于TBM隧洞掘進(jìn)較快速，支護(hù)施工也應(yīng)該同步加快才能保證掘進(jìn)進(jìn)度。故TBM斜井隧洞開挖支護(hù)方案設(shè)計的支護(hù)參數(shù)較鉆爆法弱，且因設(shè)備限制支護(hù)范圍也有不同[5]。為確保TBM開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文以某個抽水蓄能電站工程為例選取不同圍巖地質(zhì)條件的典型斷面，采用非線性有限元法[6]進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析。通過對圍巖土體采用D-P非線性模型，對錨桿采用Mises屈服模型，建立三維非線性有限元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計算分析[7]，得到圍巖塑性應(yīng)變、錨桿mises應(yīng)力、隧洞變形量、噴混凝土應(yīng)力等計算結(jié)果，以此分析TBM開挖支護(hù)參數(shù)的穩(wěn)定性與適用性[8]?？蔀門BM斜井隧洞開挖施工的支護(hù)方案提供理論依據(jù)支持，為同類工程支護(hù)方案的選擇提供參考。

1 計算斷面概況

平江抽水蓄能電站引水隧洞埋深65～605m，引水主洞為圓形隧洞，采用二級斜井立面布置方案；洞室圍巖多呈微風(fēng)化～新鮮狀，圍巖類別以Ⅱ、Ⅲ類為主，少量Ⅳ類。有限元計算分別選取上斜井中部、下部和下斜井上部、下部四個典型斷面進(jìn)行計算。由于四個斷面位置的上覆巖體厚度不同，故將未建模的上覆巖體的豎向巖體壓力用施加等效荷載的方式來模擬。四個典型計算斷面位置與相關(guān)計算參數(shù)詳見表1。

表1 計算斷面位置及其計算參數(shù)表Table 1 Calculation section position and calculation parameters

四個計算斷面參考鉆爆法初擬的原支護(hù)參數(shù)如下：

（1）斷面 1：噴C25厚 150mm；錨桿φ22mm/φ25mm，長3.0m/4.5m，間、排距1m×1m，入巖2.9/4.4m。

（2）斷面2：噴C25厚100mm錨桿φ22mm，長3m，間、排距1.5m×1.5m，入巖2.9m。

（3）斷面3：噴C25厚100mm錨桿φ22mm，長3m，間、排距1.5m×1.5m，入巖2.9m。

（4）斷面4：噴C25厚150mm錨桿φ22mm/φ25mm，長3.0m/4.5m，間、排距1m×1m，入巖2.9/4.4m。

而TBM法優(yōu)化設(shè)計的支護(hù)參數(shù)如下：

（1）斷面1：噴C25厚150mm；φ22mm錨桿，長3.0m，間、排距1m×1m，頂部240°范圍內(nèi)。

（2）斷面2：噴C25厚100mm；φ22mm錨桿，長2.0m，間、排距1.5m×1.5m，頂部240°范圍內(nèi)。

（3）斷面3：噴C25厚100mm；φ22mm錨桿，長2.0m，間、排距1.5m×1.5m，頂部240°范圍內(nèi)。

（4）斷面4：與鉆爆法相同。

2 計算前提內(nèi)容

2．1 非線性材料參數(shù)

圍巖土體材料采用滿足各向同性的理想彈塑性屈服準(zhǔn)則，即Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則[9]的D-P材料模型。通過輸入圍巖物理力學(xué)參數(shù)中決定抗剪性能的黏聚力C和摩擦角φ這兩個參數(shù)來定義圍巖土體D-P材料，輸出圍巖塑性應(yīng)變結(jié)果判斷其塑性變形區(qū)范圍大小。錨桿鋼材料所采用的本構(gòu)關(guān)系模型為滿足Mises屈服準(zhǔn)則的雙線性等向強(qiáng)化材料模型[10]，其塑性切向模量取0.03倍的彈性模量，即為6GPa。噴混凝土材料在有限元計算中不考慮材料非線性，結(jié)果后處理以應(yīng)力集中情況和主應(yīng)力值與混凝土抗拉、壓強(qiáng)度相互比較來判斷噴混凝土可能出現(xiàn)的受拉、受壓開裂范圍。各種材料的力學(xué)計算參數(shù)詳見表2。

表2 材料參數(shù)表Table 2 Material parameters

2．2 初始地應(yīng)力平衡

地層本身存在著應(yīng)力場，地層內(nèi)各點的應(yīng)力稱為原巖應(yīng)力，或稱地應(yīng)力。它是未受工程擾動的原巖體應(yīng)力，亦稱初始地應(yīng)力。它包括由于上覆巖層的重量引起的重力、相應(yīng)的側(cè)向壓力以及由于地質(zhì)構(gòu)造作用引起的構(gòu)造應(yīng)力。根據(jù)近三十年實測與理論分析證明，地應(yīng)力是一個具有相對穩(wěn)定性的應(yīng)力場，即巖體的原始應(yīng)力狀態(tài)是空間與時間的函數(shù)。天然土體在初始地應(yīng)力場中會產(chǎn)生變形，但這一變形在土體形成時就已發(fā)生，先于隧洞開挖施工。故實際外荷載產(chǎn)生的變形應(yīng)減去初始地應(yīng)力場產(chǎn)生的變形偏差值。初始地應(yīng)力場變形偏差平衡根據(jù)有無實測地應(yīng)力資料常分為兩種方法。若有實測地應(yīng)力資料，則寫入地應(yīng)力荷載進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡。但通常無實測地應(yīng)力資料，這種情況下，在構(gòu)造地應(yīng)力較低的地區(qū)，可將初始地應(yīng)力場簡化為自重應(yīng)力場，通過ANSYS軟件的自重應(yīng)力場反演技術(shù)來平衡初始地應(yīng)力，糾正初始地應(yīng)力場導(dǎo)致的變形偏差。本文即采用此方法進(jìn)行初始地應(yīng)力場的平衡。

2．3 開挖模擬

開挖模擬就是把部分開挖巖體單元從整個結(jié)構(gòu)中挖除，使得此時整體結(jié)構(gòu)的剛度性質(zhì)發(fā)生了變化，有限元計算不得不對其重新計算，這是一項極其耗時的工作。為了能夠克服這樣的問題，ANSYS程序采用“單元生死”技術(shù)來處理開挖巖體單元。“單元生死”可將某個工況不參與計算的單元的剛度設(shè)置為一個極小值（默認(rèn)值為10-6），使其對整體計算的剛度作用可忽略不計，不影響整體計算結(jié)果[11]。這樣在開挖模擬時，只需要“殺死”這些開挖巖體單元，而不需要重新形成整體剛度矩陣，可以很大程度地節(jié)省時間和精力，具有較大優(yōu)越性。

3 有限元建模計算

3．1 計算模型

3.1.1 模型計算范圍

以隧洞中心為原點，采用笛卡爾坐標(biāo)系，隧洞底部、頂部以及兩側(cè)圍巖土體均取30m長，沿洞軸線（Z向）取5m。其余上覆巖體采用等效荷載（豎向巖體壓力）施加，圍巖土體模型見圖1，其他各部分模型及細(xì)部結(jié)構(gòu)見圖2～圖4。

圖1 圍巖土體模型Figure 1 Soil Model of surrounding rock

圖2 系統(tǒng)錨桿模型Figure 2 System bolt model

圖3 噴混凝土模型Figure 3 Shotcrete model

圖4 模型細(xì)部結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Detailed structure of the model

3.1.2 單元類型選擇

圍巖土體和噴混凝土采用solid45單元模擬，便于平衡初始地應(yīng)力；鋼筋和錨桿采用beam188模擬，既能模擬軸向拉壓受力，還能模擬其受到的剪力和彎矩。

3.1.3 受力關(guān)系處理

噴混凝土與圍巖土體緊密貼合，采用共節(jié)點處理。錨桿與錨桿孔注入水泥砂漿，形成包裹體與圍巖緊密結(jié)合，不考慮二者的黏結(jié)滑移現(xiàn)象。通過節(jié)點耦合約束將錨桿與噴混凝土、圍巖土體建立相互作用關(guān)系。

3.1.4 邊界位移約束

對模型底部施加全約束，左右側(cè)面及前后面施加法向約束。

3.1.5 結(jié)果后處理

計算結(jié)果后處理輸出錨桿von mises應(yīng)力表征錨桿錨固力作用大小及屈服情況；輸出圍巖土體的塑性應(yīng)變判別塑性區(qū)范圍大小；輸出噴混凝土X、Y向變形量最大差值表征隧洞變形大?。惠敵鰢娀炷恋牡谝?、第三主應(yīng)力表征應(yīng)力集中情況。計算成果中應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果以受拉為正，受壓為負(fù)；位移變形量以沿坐標(biāo)軸的正向為正。

3．2 計算過程

考慮圍巖壓力一次完全釋放，由隧洞開挖受載歷史定義計算過程如下：

（1）建立有限元模型，施加位移約束，再施加重力后求解，求得初始地應(yīng)力場。

（2）輸入上一步的初始地應(yīng)力場，平衡初始地應(yīng)力。

（3）“殺死”開挖巖體單元，激活噴C25混凝土實體單元、系統(tǒng)錨桿梁單元，來模擬隧洞開挖支護(hù)工況。

（4）重復(fù)上述步驟計算斷面2～4。

4 計算結(jié)果及分析

4．1 計算結(jié)果

因版面限制，結(jié)果圖僅給出斷面1～4的圍巖塑性應(yīng)變與錨桿的von mises應(yīng)力結(jié)果，見圖5～圖12。其他結(jié)果處理后統(tǒng)計入表3。

圖5 斷面1錨桿von mises應(yīng)力圖（單位：Pa）Figure 5 Von Mises stress diagram of section 1 bolt（Unit：Pa）

圖6 斷面1圍巖塑性應(yīng)變圖Figure 6 Plastic strain diagram of section 1 rock mass

圖7 斷面2錨桿von mises應(yīng)力圖（單位：Pa）Figure 7 Von Mises stress diagram of section 2 bolt（Unit：Pa）

圖8 斷面2圍巖塑性應(yīng)變圖Figure 8 Plastic strain diagram of section 2 rock mass

圖9 斷面3錨桿von mises應(yīng)力圖（單位：Pa）Figure 9 Von Mises stress diagram of section 3 bolt（Unit：Pa）

圖10 斷面3圍巖塑性應(yīng)變圖Figure 10 Plastic strain diagram of section 3 rock mass

圖11 斷面4錨桿von mises應(yīng)力圖（單位：Pa）Figure 11 Von Mises stress diagram of section 4 bolt（Unit：Pa）

圖12 斷面4圍巖塑性應(yīng)變圖Figure 12 Plastic strain diagram of section 4 rock mass

表3 開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算結(jié)果表Table 3 Stability calculation results of excavation support structure

4．2 結(jié)果分析

全部計算結(jié)果匯總于表3。由計算結(jié)果分析可知，隧洞開挖后受到圍巖壓力的作用，隧洞Y向壓縮（變形為負(fù)值）而X向拉伸（變形為正值），隧洞有被壓縮成橢圓的變形趨勢，符合隧洞TBM開挖成洞的力學(xué)變形規(guī)律。噴混凝土中部拱腰的壓應(yīng)力將會因超過抗壓強(qiáng)度而出現(xiàn)較大范圍受壓開裂。斷面2噴混凝土頂、底小范圍位置的拉應(yīng)力因超過抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)小范圍受拉開裂。由上述計算結(jié)果可知，隧洞埋深越大，圍巖地質(zhì)條件越差，隧洞開挖后變形量就越大，噴混凝土應(yīng)力集中越明顯，拱腰受壓開裂范圍越大，隧洞成洞穩(wěn)定性越差，錨桿mises應(yīng)力越大，圍巖塑性應(yīng)變與范圍越大。比較可得，圍巖地質(zhì)條件（即圍巖物理力學(xué)參數(shù)）比埋深的影響敏感性更大。

通過上述計算結(jié)果，可知上斜井中部Ⅳ1類圍巖斷面1、上斜井下部Ⅲ1類圍巖斷面2、下斜井上部Ⅲ2類圍巖斷面3的錨桿mises應(yīng)力和圍巖塑性應(yīng)變均較小，圍巖塑性區(qū)范圍未超過錨桿有效長度范圍。這些斷面隧洞開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)均能自穩(wěn)，即可采用優(yōu)化后的TBM斜井隧洞開挖支護(hù)參數(shù)。

但下斜井下部Ⅳ1類圍巖斷面4的錨桿mises應(yīng)力和圍巖塑性應(yīng)變均較大，部分圍巖塑性區(qū)超過3m錨桿錨固范圍，支護(hù)結(jié)構(gòu)不能自穩(wěn)。建議將該斷面45°、135°、225°和315°等圍巖塑性區(qū)范圍深度較大位置的錨桿加長至3.5m以上，特別是頂拱45°和135°兩處塑性應(yīng)變最大的位置。并對斷面4位置做鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，同時做好固結(jié)灌漿和超前注漿加固以提高圍巖土體物理力學(xué)參數(shù)。

5 結(jié)語

本文以某個抽水蓄能電站工程為例，選取了四個不同圍巖地質(zhì)條件的典型斷面，考慮圍巖土體和錨桿的材料非線性，建立三維非線性有限元結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算分析。

通過圍巖塑性應(yīng)變范圍、錨桿mises應(yīng)力、隧洞變形量、噴混凝土應(yīng)力等計算結(jié)果的對比分析，得知斷面1、2和3的開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定，優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)適用。可以采用優(yōu)化后的支護(hù)參數(shù)，能夠加快TBM斜井隧洞開挖掘進(jìn)、支護(hù)施工的進(jìn)度。對TBM斜井隧洞支護(hù)參數(shù)優(yōu)化提供了數(shù)值分析理論依據(jù)。而對于斷面4支護(hù)結(jié)構(gòu)不能自穩(wěn)的情況，建議接桿加長圍巖塑性區(qū)范圍深度較大位置的錨桿，并對斷面4位置做鋼拱架加強(qiáng)支護(hù)，同時做好固結(jié)灌漿和超前注漿加固措施。計算結(jié)果與分析結(jié)論可為TBM斜井隧洞開挖施工的支護(hù)方案提供理論依據(jù)支持，為同類工程支護(hù)方案的選擇提供參考。