大型引水隧洞TBM安装间有限元分析与研究

魏彦军，薛兴祖，汪 涛

(吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130021)

在地下洞室施工过程中，围岩稳定性判断、地质力学参数选择、渗流场分析以及开挖顺序、支护方式、喷锚衬砌时机、围岩塑性变形影响等均是地下工程设计、施工的关键。

为验证设计方案的合理性，需全面了解施工全过程地下洞室围岩的变形、受力特征以及塑性开裂区和围岩稳定状况。本文结合吉林省中部城市供水工程隧洞区域的地形、地貌和地质特征，以及施工过程中的开挖、支护方式，建立TBM安装间的有限元计算模型，从施工开挖到支护衬砌进行全过程的仿真分析与研究。

1 工程概况及仿真分析方案

1.1 工程概况

吉林省中部城市供水工程是解决中部城市供水问题的大型调水工程，也是实现松辽流域水资源优化配置的主要工程。输水总干线从丰满水库取水，终点为冯家岭分水枢纽，全程110.483km。工程永久性主要水工隧洞级别为1级。

输水隧洞桩号0+000～71+469段采用TBM法和钻爆法结合施工。其中，TBM2施工段位于桩号25+581～47+800段，全长22.219km。TBM2安装间进口位于桩号47+800。隧洞全程地质条件复杂，穿越山岭地区，属深埋隧洞。其中TBM2安装间顶部山岭高程389.00m，安装间底高程220.00m，埋深169.00m。TBM2段设计掘进洞径7.65m，安装间顶拱开挖半径11.40m，中心角69°；安装间两侧直墙开挖宽度11.40m，高9.18m；两侧直墙顶部开挖成支座平台，宽0.90m，高3.14m，待二次衬砌后，架设桥吊。安装间拱顶到洞底总高14.32m，拱跨12.90m，属地下大洞室结构。

1.2 地质力学指标及支护参数

1.2.1 Ⅱ类围岩地质力学指标

本文分析的TBM2安装间位于Ⅱ类围岩地段。地貌为丘陵及河谷，山势较陡，植被发育，河谷常年流水。岩性为燕山早期石英闪长岩，半自形粒状结构，块状构造，主要矿物成份为斜长石、角闪石、黑云母和少量石英。Ⅱ类围岩地质力学指标见表1。

表1 Ⅱ类围岩地质力学设计指标

1.2.2 安装间支护参数

由于TBM2安装间处于Ⅱ类围岩地段，围岩自稳性较强，拟采用全断面法开挖。洞室断面开挖后，即进行一次支护，拱顶C20喷射混凝土200mm，边墙C20喷射混凝土150mm；顶拱布置Φ25锚杆，长4.0m，梅花形布置，间距为1000；边墙布置Φ25锚杆，长6.0m，梅花形布置，间距为1000。二次衬砌两侧边墙模筑C25F200W4钢筋混凝土500mm，洞底模筑C25F200W4钢筋混凝土300mm。

1.3 有限元模型

有限元模型坐标系为：x坐标位于隧洞中心；y坐标与大地坐标系重合，指向上为正；z坐标与洞室轴线重合，指向下游为正。因安装间埋设较深，计算网格模型仅截取其所在岩层部分显示，如图1所示。

图1 TBM2安装间有限元计算模型

1.4 仿真分析方案

隧道工程的设计方法主要有：结构力学法、岩石力学法、经验类比法及信息化设计方法。

载荷-结构模型是基于传统结构力学的方法，此法将支护结构和围岩分开考虑，支护结构是承载主体，围岩作为载荷来源和支护结构的弹性支承。围岩-结构模型是基于岩石力学的计算方法，此法将支护结构和围岩视为一体，作为共同承载的结构体系。围岩是直接的承载单元，支护结构只用来约束和限制围岩变形。

对于几何形状和围岩初始应力、地质条件都比较复杂的地下工程，需要考虑围岩的各种非线性特征和稳定性影响。利用围岩-结构模型能确定围岩的初始应力场，以及表示材料非线性的各种参数及其变化情况。

2 仿真分析

本文计算成果包括：毛洞初始地应力图、洞室开挖衬砌后的位移变形图、x向应力分布图、y向应力分布图、第一主应力分布图及第三主应力分布图等。

2.1 初始地应力场

图2 x向初始地应力云图

初始应力场计算结果如图2～5所示。由图2可见，x向初始应力在拱腰和两侧直墙墙腰处最大，为-4.27MPa；拱脚及直墙墙角为-1.78MPa。

因此，浸出中上清加入大量的锌粉进行一段净化反应时，中上清中铜镉等杂质被置换进入铜镉渣中，部分钴也被置换进入铜镉渣中。铜镉渣经过综合回收铜、镉后得到贫镉液，贫镉液返回系统，如此反复，一部分钴在系统内部闭路循环而积累。

图3 y向初始地应力云图

由图3可见，y向应力在拱腰和洞底中心处最大，为-11.70MPa；拱脚和直墙两侧为-5.99MPa。

图4 第3主应力云图

由图4可见，第3主应力在墙角处最大，为-2.46MPa；顶拱及直墙两侧为-1.88MPa。

图5 第1主应力云图

由图5可见，第1主应力在拱腰和洞底中心处最大，为-12.90MPa；拱顶及直墙两侧为-4.71MPa。

2.2 施工开挖与支护

施工开挖与喷锚支护计算结果如图6～11所示。

图6 喷锚支护后x向位移

由图6可见，x向位移在两侧直墙墙腰处最大，为0.66mm。

图7 喷锚支护后y向位移

由图7可见，y向位移在拱顶处最大，为-13mm；洞底为+7.8mm。

图8 喷锚支护后x向应力云图

图9 喷锚支护后y向应力云图

由图9可见，y向应力在拱脚和直墙墙角处最大，为-9.78MPa；直墙两侧为-4.29MPa；洞顶和洞底为-0.62MPa。

图10 喷锚支护后第3主应力云图

由图10可见，第3主应力在拱脚和墙角处最大，为-1.95MPa；顶拱为-0.99MPa；洞底为+0.52MPa。

图11 喷锚支护后第1主应力云图

由图11可见，第1主应力在拱脚和墙角处最大，为-7.73MPa；顶拱及洞底中心为-0.92MPa。

3 成果分析

3.1 围岩位移

(1)由y向位移云图可以看出，在初始地应力作用下，洞室开挖支护后的竖向位移以中心轴对称，拱顶位移呈漏斗状分布，在两侧趋于平行。洞顶沉降位移大于底部回弹位移，左、右侧边墙变形较小。

(2)由x向位移云图可以看出，洞周收敛位移较小，最大拱顶下沉也较小，说明洞室施工过程中围岩稳定。

(3)虽然安装间开挖跨度较大，但所处地段为Ⅱ类围岩，围岩自稳能力较强，在混凝土喷锚支护作用下，隧洞整体变形小，初拟衬砌方式能够满足设计要求。

3.2 围岩应力

本文计算给出了毛洞和喷锚支护两种工况下洞周围岩最大应力和最小应力分布情况。从结果可以看出：

(1)洞周围岩应力以压应力为主。围岩应力主要发生在洞室拱脚和两侧边墙中下部区域，在洞底局部发生拉应力，但数值很小。

(2)在喷锚支护作用下，洞周围岩应力集中效应缓解，洞周围岩环向压应力均比毛洞时减少，衬砌效果显著。

(3)由应力云图可以看出，洞室不同部位应力集中程度不同，因此，采取合理的开挖方式十分必要。如先进行洞室顶拱的开挖，有利于部分应力释放，再开挖拱下洞室结构，同时，要抓住衬砌时机，边开挖边支护等。

(4)对拱脚和两侧边墙中下部的应力和变形较大部位，应加强衬砌强度，如增加锚杆长度、加密锚杆间距等有效措施。

(5)施工过程中应加强监控测量，建立地下洞室施工的情报化系统，从而有利于指导设计和施工，并获得最佳的地下结构设计方法和施工经验。

4 结语

本文通过对大型引水隧洞Ⅱ类围岩段TBM安装间的施工及支护模拟，能够总体分析围岩稳定特性，较好地指导设计和施工。但对于Ⅱ类围岩，岩石条件比较完整，寻找导致开挖洞体局部失稳的关键块体有很大意义，作者将在后续设计工作中继续深入研究，以关键块体理论为支撑，探索大型地下洞室结构的局部稳定性与整体稳定性及其破坏性机理之间的关系，更好地指导设计和施工，付诸工程实践。