敞开式TBM穿越深埋中强蚀变岩区钢结构承载性能研究

于茂 章跃林 隋世军 池建军

1 研究背景

在富水蚀变地层中进行隧洞等地下工程施工时，水-岩软化损伤、渗流冲刷裹挟作用导致地层部分矿物流失或变质，显著地影响岩体的工程地质性状。在我国隧洞及其它岩土工程的建设中，已在蚀变岩对工程安全的影响等方面开展了一些研究工作，例如在大岗山高拱坝坝区[1]、二滩拱坝右岸基岩[2]、小湾水电站拱坝及坝肩[3]、广州抽水蓄能电站地下洞群[4]等水电工程中均针对蚀变岩的力学特性及其对工程安全的影响开展了相关研究工作。近年来，随着长距离隧洞等地下工程的陆续开工建设，也遇到蚀变岩相关问题，沈乐[5]、聂林[6]等相关学者也对此开展了一系列研究工作。尽管目前已有不少学者针对蚀变岩开展了一些研究工作，但蚀变岩体成因复杂，且在深埋长隧洞敞开式TBM支护结构及其承载性能等方面开展的研究较少，对敞开式TBM穿越深埋中强蚀变岩的适应性认识有限，有关研究亟待深入。

本文依托某TBM深埋长隧洞工程穿越二长花岗岩蚀变区域，开挖过程中洞壁大范围塌方，塌落高度多大于1 m，局部塌方高度达15 m，塌落物为碎块和岩屑，碎块块径多小于5 cm，拱架出现较大变形，少数连接槽钢焊接点断裂，严重影响了TBM的正常施工。为提高敞开式TBM对中强蚀变岩地层的适应性，本文采用有限元法对复合钢结构系统的承载能力进行分析，为隧洞支护设计提供依据，保障敞开式TBM在蚀变岩区的顺利掘进及洞室安全。

2 蚀变岩特征

某深埋敞开式TBM隧洞工程全长超过40 km，开挖洞径6.5m，净洞径5.3m，最大埋深超过2200 m。隧洞出口TBM自出口逆坡向上游掘进，设计掘进里程约18 km，在进尺约3.3 km处进入华力西中期侵入的二长花岗岩蚀变带，从隧洞揭露的蚀变岩看，蚀变岩具有范围大、性状差、分布不规则的特点，蚀变岩洞段存在变形、塌方掉块、承载力低、泥化、塌方等工程地质问题。敞开式TBM穿越中强蚀变岩区时，洞周围岩蚀变程度不均一，以强蚀变岩夹中等蚀变岩为主，洞壁大范围塌方，拱架变形，少数连接槽钢焊接点断裂，左壁下部岩体破碎，岩石强度低。右壁下部岩石较破碎，细小裂隙较发育，结构面附近岩石属强蚀变岩，岩石强度极低，手捏即碎。如图1所示，强蚀变岩为潮湿-湿状态时，在顶拱位置表现出明显的塑性变形，出现岩石将钢筋排包围的现象。如图2所示，强蚀变岩块浸水后，边缘细小颗粒迅速与岩块脱离，岩块周围出现类似“烟雾”状的浑浊；浸水20 s后，岩块出现明显开裂；浸水45 s后，岩块体积残余量不到一半，残余岩块软化；浸水1 min后，轻轻晃动，岩块基本完全消失。强蚀变花岗岩物理力学性质见表1。

3 钢结构支护系统模型建立

图1 潮湿状强蚀变岩顶拱变形情况

计算采用MIDAS GTS/NX软件的结构-弹簧方法，计算模型主要由钢拱架、钢筋排及被覆钢板三部分组成，钢结构每一段的钢壳采用壳单元模拟，壳体之间采用全耦合方式连接，可以传递剪力及弯矩，钢筋排采用全联接梁单元进行模拟。侧拱→底拱区域围岩简化为仅受压的地基弹簧支撑，地基弹抗采用50 MPa/m和100 MPa/m两种条件进行敏度分析。计算中钢拱架采用HW150 mm×150 mm，榀距0.15～0.5 m。顶拱140°钢板厚为2 mm，焊接钢筋为Φ16@0.2 m。建立的有限元模型如图3所示。

图2 强蚀变岩遇水软化崩解过程

表1 强蚀变花岗岩物理力学性质参数表

图3 蚀变岩段钢结构承载力分析模型

计算荷载主要包括自重、围岩塌落荷载、围岩初始地应力释放、外水压力、施工荷载等。本次计算主要分析施工期稳定性，因此，考虑荷载为自重、围岩压力（主要包括洞顶塌落荷载及侧拱、拱底区域的地应力释放荷载）及外水。隧洞顶部塌落荷载的作用范围考虑为顶部180°。洞顶区域的塌落压重采用γH来计算，侧拱处的围岩压力采用KγH来计算，得洞顶压重为300 kPa，侧拱压重为159 kPa。洞顶与侧拱之间塌落体压重按照线性变化施加。隧洞底部180°范围施加围岩变形压力荷载，应力释放率分别考虑为0.5%和1%。隧洞埋深为663 m。根据蚀变岩完整性及富水情况，计算方案共计5个，汇总见表2。根据现场调查情况，花岗岩蚀变程度强时，细颗粒多，洞壁往往无水，岩体性能差，弹性抗力取50 MPa/m；花岗岩蚀变程度中等-轻微时，细颗粒相对较少，往往伴随渗滴水，岩体性能稍好，弹性抗力取100 MPa/m。因此，针对洞壁出水情况，分别设计一次支护方案。其中，方案1—方案3为洞壁无水时的一次支护方案，方案4—方案5为洞壁有水时的一次支护方案。

表2 计算方案汇总

4 钢结构承载能力分析

图4 方案3钢结构典型变形分布

图5 方案3钢结构典型应力分布图

图4及图5展示了敞开式TBM采用的钢结构支撑系统在方案3计算条件下的变形及应力分布情况，可以看出，钢结构系统在塌落荷载及围岩变形荷载或水荷载的综合作用下，主要表现为“扁圆”的变形模式，结构最大变形位置均位于拱顶，以竖向向下变形为主；相应的，钢结构的受力特征表现为：拱顶及拱底处的拱架外翼缘受压、内翼缘受拉，拱架两侧则为外翼缘受拉、内翼缘受压，拱架的最大应力位于拱架侧上部的内翼缘处，与钢板计及顶拱土压力计的监测数据吻合，为压应力。综合不同计算方案下围岩支撑条件（围岩弹抗）、荷载分布条件（塌落荷载及围岩变形释放压力）及钢结构支撑系统的结构特征（主要是钢拱架间距）等因素的影响，可以实现对钢结构支撑系统在各种条件下的承载能力进行的综合对比分析，对比结果见表3。根据统计结果，可以看出：

表3 不同方案下钢结构承载特性汇总

（1）方案1条件下，钢拱架间距最小，为0.15 m，此时钢结构支撑系统的承载能力最好，钢结构最大应力为103.8 MPa，远小于屈服强度235 MPa，钢结构承载能力满足要求。

（2）方案2和方案3条件下，钢结构的间距为0.3～0.4 m，钢结构最大应力为163.7～179.1 MPa，钢结构无塑性区出现，均能满足承载能力要求。

（3）方案5条件下，钢拱架间距最大，为0.5 m，此时钢板及钢拱架均不能承受外荷载作用，且出现大面积塑性区，有失稳可能。建议减小钢拱架间距并采用Φ25 mm中空注浆锚杆加固围岩和塌方体。

（4）综合分析，当蚀变岩洞段蚀变程度高、洞壁无水时，设计条件可按照方案3控制，方案4下（钢拱架间距0.35 m）钢结构的受力情况良好，且钢结构基本满足承载能力要求，为推荐方案；当蚀变岩洞段蚀变程度轻微-中等、洞壁有水时，设计条件可按照方案4控制，方案4下（钢拱架间距0.4 m）钢结构受力情况良好，拱架间钢板变形稍大，但钢结构基本满足承载能力要求。同时，在深埋花岗蚀变岩洞段，建议采用Φ25 mm中空注浆锚杆加固围岩和塌方体，保证周边围岩形成整体承载结构。

5结语

针对穿越深埋中强蚀变岩的敞开式TBM隧洞，通过采用壳-弹簧方法对初期钢结构承载性能进行了分析，研究结果表明“钢拱架+钢筋排+被覆钢板”联合支护结构的传力特征明确，承载性能较优，对蚀变岩洞段破碎岩体的适应性强。

实际工程施工中，初期支护在敞开式TBM尾部通过拱架安装器安装，钢筋排通过McNally支护系统进行支护，钢板置于钢筋排与围岩之间，支护范围一般为顶部约140°。钢结构支护系统承载性能的保障，大大降低了敞开式TBM过蚀变岩区时“抄后路”的风险。为避免TBM长时间停滞造成卡机等现象，应同时注意地下水的封堵、围岩加固及撑靴部位承载性能提升等问题，从而为TBM的连续掘进创造条件，保障敞开式高效通过深埋蚀变岩区，为敞开式TBM施工类似地质工程提供借鉴。