CCS水电站TBM预备洞支护设计与研究

杨晓箐 徐庆

摘 要：简要梳理了欧美国家的支护设计理论及方法，包括收敛-约束法（CCM法）、围岩纵向变形曲线（LDP）、应力释放法、广义Hoek-Brown准则等。针对厄瓜多尔CCS水电站工程的TBM预备洞工程，引入欧美的支护设计理念及方法，总结了一套计算方法，对预备洞段的支护措施进行了定量分析。计算结果显示，在设计支护措施下，预备洞围岩的塑性区分布有效缩减、支护结构受力均在1.5的安全系数范围线内、收敛变形量得到有效控制，保障了TBM依靠自身步行装置顺利滑行通过。

关键词：火山灰喷发堆积地层;TBM预备洞;收敛-约束法;纵向变形曲线;CCS水电站

中图分类号：TV554   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.11.025

Abstract：The supporting design theories and methods of European and American countries， including convergence-confinement method （CCM method）， longitudinal displacement profile of surrounding rock （LDP）， stress relief method， generalized Hoek-Brown criterion were sorted out. The European and American support design concepts and methods were introduced. A series of calculation methods were summarized. The support of TBM preparatory adit for CCS Hydropower Station in Ecuador was quantitatively analyzed. The calculation results show that the design support on the adit， the plastic zone distribution of the surrounding rock of the preparatory adit is effectively reduced， the support structure stress is within the safety factor line of 1.5 and the convergence deformation is also effectively controlled， which guarantees that TBM depends on itself walking device glides smoothly.

Key words： volcanic accumulation formation; TBM preparatoryadit; convergence-confinement method; longitudinal displacement profile; CCS Hydropower Station

隧洞及地下工程的支護设计理论发展至今已有上百年。锚喷支护的理论设计法最早是新奥法创始人之一拉布希维兹（Rabcewicz）在20世纪60年代提出的。20世纪70年代后期，在这一方法的基础上，国外发展为收敛-约束法（CCM法）和特征曲线法，而在我国则发展为解析计算法。限于岩体力学参数及初始地应力难以准确确定，对围岩的本构关系与破坏准则认识不足，国内解析法的计算结果一般只作为隧洞支护设计的参考依据[1]。软弱岩体中围岩的渐进破坏更是一个难以分析的问题，既不存在简单的数值分析模型，也没有安全系数计算方法可用来确定这种渐进破坏可接受的限度。对支护设计充分性的判定要以对相关因素的评价为基础，这些因素包括隧洞开挖后的变形情况、支护措施如注浆锚杆、钢拱架、混凝土衬砌等引起的应力重分布[2]。

CCS水电站的2A施工支洞是TBM的预备洞，前364 m隧洞围岩为火山喷发堆积层，隧洞支护设计需保证围岩稳定，且需控制支护后断面的变形量，以保障TBM顺利通过。不同于国内隧洞支护设计中常用的工程类比法为主和数值分析法为辅的手段，该工程的合同文件要求隧洞岩石分类采用Bieniawsky地质力学岩体分类评价方法、隧洞支护设计采用收敛-约束法（CCM法）和广义Hoek-Brown判据，这无疑增加了设计难度。

笔者通过研究欧美规范和相关文献，厘清了欧洲支护设计采用的CCM法的理论，总结了一套计算方法并成功运用于2A施工支洞的支护设计。

1 工程概况

CCS水电站位于南美洲厄瓜多尔共和国北部，电站总装机容量1 500 MW。输水隧洞全长24.83 km，从首部枢纽输水至调蓄水库，输水隧洞施工在该工程的关键线路上，采用2台TBM施工。2A施工支洞交于主洞桩号K9+878.18处，设计洞长1 644.34 m，作为TBM1的施工通道。2A施工支洞前410 m的地质条件复杂，设计考虑作为TBM预备洞[3]。为确保TBM早日投入正常掘进施工，预备洞采用钻爆法开挖支护后，不再衬砌，TBM进场后依靠自身步行装置滑行进洞。因此，2A支洞的断面和支护设计应充分考虑控制围岩的收敛变形量，以保障TBM（前盾直径9.11 m）顺利通过。

2 相关设计理论及方法

2.1 收敛-约束法

CCM法是通过预测隧洞开挖引发的围岩变形与应力，初步估计支护的时机和强度，然后结合隧洞现场变形观测资料，设计最优化的支护结构系统的一种方法。收敛-约束法主要在欧洲和日本等国家的初期支护设计中使用[4]，我国水工隧洞支护设计通常以经验类比法为主，解析分析法为辅。

Panet[5]介绍的CCM法能够评估隧洞的稳定性条件及传递给支护的围岩压力。该方法基于地面反应曲线（GRC）和支护特性曲线（SCC）两条曲线的叠加。这两条曲线的交叉处为开挖的平衡点，能得出围岩施加给支护的压力。通过纵向变形曲线（LDP）评估岩石在支护安装处相对于开挖前部的松动。GRC和SCC曲线的相交可以确定岩石是属于弹性范围还是塑性范围。

2.2 围岩纵向变形曲线

无论采用解析法还是平面应变数值模型分析方法，围岩的纵向变形曲线（LDP）都是收敛-约束方法成功运用的核心。

2.3 应力释放法

隧洞的设计是一个三维问题，采用二维建模，将隧洞开挖简化为平面应变问题。三维的开挖过程通过“应力释放法”解决，即通过逐渐减少围岩的内部应力来模拟开挖前方的情况。

在掌子面前方一定距离处有一个假设的内部支撑压力，等于地面的自然应力。当远离掌子面时，这种支撑压力就会减小，直到零。这种从三维应力状态到平面应力状态的过渡可以确定在掌子面前后一定范围内的变形情况。

一般开挖后，掌子面前方围岩已经开始收缩，并且到掌子面后方围岩的收缩逐渐增加。如果所有上述内容都采用内部支撑压力与隧洞径向收缩相关的曲线表示，则可以得到围岩变形曲线。这条曲线的形状取决于岩体断裂准则。重要的是注意隧道从前段（没有挖掘处）移动到后段（挖掘处）内部假设的支撑压力是如何降低的。当出现压力降低时，隧洞径向收缩在增加，直到达到最大径向变形点时支撑压力为零。

因此，隧道已开挖部位有一个明显的临时支撑力，可在安装支护之前作用一段时间。但是，掌子面前方已经有了一个较小的变形。评估以上情况的曲线是隧道前进方向的纵向变形剖面（LDP）。

应力释放法基于上述曲线。在安装支护之前，允许隧洞自然变形。一旦安装支护，则对支护承载力进行分析，并计算支护系统的安全系数。

由于Ⅴ类围岩现场实施时火山灰地层洞内成孔较为困难，全部采用管式注浆锚杆;施工时，顶拱锚杆浆液无法注入，全部取消，侧墙锚杆方向全部由沿隧洞径向布置调整为尾部向下，以防浆液流出。钢拱架采用I16工字钢，间距0.5 m，喷混凝土厚度0.25 m。支护材料相关参数：喷混凝土弹性模量E0为24.87 GPa，泊松比为0.2，抗压强度fc为28 MPa，混凝土抗拉强度ft为2.8;Φ42管式锚杆弹性模量E0为200 GPa，钢材屈服强度fy为420 MPa;钢拱架弹性模量E0为210 GPa，钢材抗拉强度fu为470 MPa，钢材屈服强度fy为355 MPa。

3.2 计算模型及过程

以V类围岩为例，采用Phase2软件建模计算，采用10个阶段模拟应力释放，各阶段应力释放系数见表2。

3.3 计算结果

经计算，隧洞围岩的塑性区分布、位移以及支护结构的受力情况如下：

（1）洞周塑性区环状分布，不支护时塑性区等效半径约18 m，施加设计支护时塑性区等效半径缩减为10 m。

（2）不支护时隧洞的最大位移出现在顶拱，约为95 mm，设计支护措施下顶拱总位移不超过30 mm。由于钢拱架的底拱未封闭，因此支护后的最大位移出现在隧洞底部，约为55 mm。

（3）锚杆最大第一主应力为63.24 MPa，不超过锚杆抗拉应力。钢拱架的轴力范围为0.3～0.7 MN，最大轴力出现在顶拱;钢拱架弯矩范围为-0.02～0.04 MN·m，最大弯矩出现在左右侧墙处;钢拱架剪力范围为-0.05～0.05 MN，最大剪力出现在左右侧墙处。喷混凝土层轴力范围为0.24～0.63 MN，弯矩范围为-0.02～0.04 MN·m，剪力范围为-0.04～0.04 MN，喷层最大轴力、弯矩和剪力出现的位置与钢拱架相同。将喷混凝土和钢拱架的计算结果绘制在弯矩—轴力图和剪力—轴力图上，所有点安全系数均大于1.5。

因此，Ⅴ类围岩采用间距0.5 m的I16工字钢、喷0.25 m厚混凝土和Φ42管式注浆锚杆的组合支护措施基本合適。Ⅲ、Ⅳ类围岩同理计算，各类围岩设计支护措施详见表3。

4 安全监测结果及分析

由于预备洞内成孔较为困难，安全监测施工时取消了渗压计和多点位移计，设置了20个收敛监测断面、25个钢拱架应力监测点。根据监测结果，累计收敛值的范围为-16.79～42.99 mm，累计相对收敛值范围为-0.19%～1.20%;钢拱架的应力为-15.7～-217.3 MPa，最大压应力出现在顶拱部位。对比可知，设计计算成果与隧洞收敛监测和钢拱架应力监测数据基本符合，设计的支护措施基本合适。

5 结 语

本文系统研究了欧美地区用于支护设计的收敛-约束法、围岩纵向变形曲线和应力释放法等相关理论和方法，总结了一套支护计算方法。针对CCS水电站工程位于火山灰喷发堆积层的TBM预备洞，依据上述理论和欧美相关规范，借助Phase2软件，进行了系统的支护计算分析。通过现场监测数据反馈，计算成果与其基本符合，为今后类似工程的设计提供了一种思路。

参考文献：

[1] 郑颖人，董飞云，徐振远，等.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京：中国铁道出版社，1988：2.

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[4] 王梦恕，洪开荣，干昆蓉，等.中国隧道及地下工程修建技术[M].北京：人民交通出版社，2010：44.

[5] PANET M. Calcul des Tunnels par la Methode de Convergence-Confinement[M]. Paris： Presses delEcole Nationale des Ponts et Chaussees，1995： 178.

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[9] HOEK E， CARRANZA-TORRES C， CORKUM B. Hoek-Brown Failure Criterion–2002 Edition[C]//5th North American Rock Mechanics Symposium and 17th Tunneling Association of Canada Conference： NARMS-TAC. Toronto：[s.n.]，2002： 267-271.

[10] HOEK E， CARRANZA-TORRES C， DIEDERICHS M， et al. Kersten Lecture： Integration of Geotechnical and Structural Design in Tunneling[C]∥University of Minnesota.Proceedings of University of Minnesota 56th Annual Geotechnical Engineering Conference. Minneapolis： University of Minnesota，2008：1-53.

【責任编辑 张华岩】