某水电站引水隧洞TBM支护选型设计

刘嫦娥，张 青，牟春来，曹伟轩

(长江水利委员会长江勘测规划设计研究有限责任公司，湖北 武汉 430010)

随着隧洞修建技术的发展，TBM(Tunnel Boring Machine)施工方法以其施工速率快、围岩扰动小、生态干扰小等优点被广泛应用于隧洞建设当中[1-2]。TBM施工方法是使用一种特殊机械切削破碎岩体来开挖隧洞，这种隧洞开挖方法所使用的特殊机械称为隧道掘进机，可分为开敞式、单/双护盾式、支撑式、扩孔式等几种类型。在软弱断层和围岩破碎地段，常常会因为围岩大变形而发生TBM卡机及支护结构变形、失效等问题，增加工程建设中的不利因素。因此，如何避免和有效处理隧洞建设过程中所遇到的不同类型的施工和地质问题，已成为岩土工程领域现今研究的重点。

国外某水电站采用低坝长引水集中水头发电，工程为三等中型工程。引水发电系统额定水头630 m，额定流量38 m3/s。引水隧洞长约16 km，采用两机一洞布置方式。TBM法与钻爆法相比，机械化程度高、快速、安全、劳动强度小、对围岩扰动小、通风条件好等优点[3]。对于长大隧洞，地质条件复杂，不良地质条件发育的概率大，当全部采用TBM施工时，地质风险很大[4-5]。因此，为加快工期，发挥两种施工方法优势，本工程拟采取钻爆段加TBM相结合的施工方式。本文基于引水隧洞所处的基本地质条件，通过对敞开式和DSU钢管片两种不同的TBM二次支护型式进行深入地计算和比较分析，确定了采用开敞式TBM，喷锚支护型式；同时，对比不同衬砌设计厚度，进行受力分析，确定安全及经济合理的TBM衬砌厚度，可为同类型引水隧洞工程设计提供参考。

1 工程地质条件

引水线路工程区属高山峡谷地貌，山势雄伟，地势陡峻，植被茂密。工程区主要分布有板岩、片岩、花岗岩闪长岩三类岩体，为弱-微透水岩体。区内山顶高程1 700～3 000 m，山体地形坡度一般30°～45°，局部为陡崖。河两侧支沟多以大角度与其交汇，支沟常年有水，水流急速，冲沟沿线多有跌坎。其地下水形式主要为网状的裂隙水。局部长大裂隙交切部位或断层带有脉状透水带分布。

TBM掘进位于桩号Y6+000～Y14+658段，总长8.66 km。TBM施工洞段埋深325～1 062 m，主要坚硬岩，较硬岩、局部存在软质岩，地应力以中、低应力为主。局部可能存在断层、软弱夹层。引水隧洞全线Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ类围岩占比85%，Ⅳ～Ⅴ类围岩占比15%。工程区内发育6处褶皱，工程区共发现23条断层，断层带规模一般较小，断层走向多与引水线路大角度相交，断层带物质一般为碎裂岩，两侧岩体裂隙较发育。

根据TBM掘进洞段地质环境、围岩类别分析，总体认为板岩段为适宜，片岩段为基本适宜。当遇到含断层破碎带、软弱夹层时等部位时，适宜性差[2]。

2 TBM施工方案比较

2.1 TBM二次支护型式

根据隧洞地质条件、工程设计条件、掘进机特性选择掘进机的类型[3]。本项目引水隧洞地质条件为岩石，根据输水隧洞工程的设计和工程地质岩石条件，可选择掘进机类型有敞开式、单护盾、双护盾、复合型等。根据现场情况及业主要求，TBM设备选型集中在敞开式和DSU(钢管片)两种型式之间进行。

1)开敞式TBM方案(方案一)。开敞式TBM掘进机边开挖，边按各类岩体设计支护参数进行喷锚、拱架支护，待整个洞段开挖完成后，进行Ⅴ(Ⅳ)类围岩混凝土二次支护。

2)DSU方案(方案二)。DSU掘进机开挖时，遇Ⅱ、Ⅲ类围岩时，进行喷锚施工；遇Ⅳ、Ⅴ类围岩时，进行钢管片(替代传统混凝土管片)初期支护，钢管片内置二次支护的外侧钢筋，待整个洞段开挖完成后，进行Ⅴ(Ⅳ)类围岩混凝土二次支护。

2.2 TBM洞段支护设计

拟定TBM开挖洞径为5.8 m，进行TBM施工的引水隧洞段Ⅱ～Ⅴ围岩均有分布，对Ⅳ、Ⅴ类围岩方案一采取支护方式如下：HEB120钢拱架，间距1 m、全断面喷钢纤维混凝土20 cm、系统锚杆φ25，长L=3 m，间排距1 m×1 m；混凝土衬砌40 cm。方案二采用13.25 cm豆粒石回填层、8 mm厚钢板，钢管片(I18槽钢及工字钢)，23.2 cm混凝土衬砌支护。

对Ⅳ、Ⅴ类围岩段全断面进行固结灌浆，混凝土衬砌段顶拱120°范围进行回填灌浆。灌浆孔间、排距均为4.0 m，孔深6 m。

2.3 TBM支护结构计算

1)计算断面。由于两方案主要是衬砌状态下的支护方式有区别，因此，本文主要对Ⅴ类围岩洞段进行计算与比选。根据TBM洞段的岩性分布、埋深变化、地下水位线和运行期内水压力分布规律，对Ⅴ类围岩洞段，选择控制性断面进行计算分析，计算结果见表1，围岩力学参数取值见表2。

表1 TBM洞段计算分析控制性断面表

表2 V类围岩洞段的围岩力学参数取值表

2)计算软件、计算方法及计算参数。采用岩土工程通用计算软件FLAC3D进行计算分析。岩体材料采用带拉伸截止限的摩尔-库伦弹塑性本构模型，混凝土衬砌视计算分析工况，采用线弹性本构模型或考虑钢筋加固的弹塑性损伤本构模型，喷混凝土采用弹塑性本构模型；锚杆采用CABLE结构单元，钢拱架采用BEAM结构单元。

工程经验表明：在高内水压作用下，衬砌将开裂并内水外渗，不再服从线弹性本构关系。此时，应采用塑性损伤本构，并进行围岩-衬砌的渗流-应力耦合分析，其基本思路为：隧洞衬砌在运行期高内水压作用下会发生开裂，使得内水外渗进入围岩。由于衬砌开裂，其渗透性增强，渗透系数会提高，岩体渗流场也会改变，使得围岩-衬砌联合承担内水荷载，从而有效降低衬砌受力。因此，对于引水隧洞的Ⅴ类围岩洞段，在进行运行期正常工况计算分析时，采用基于上述思路的渗流-应力-损伤耦合计算分析。

运行期计算分析时，针对Ⅴ类围岩，在考虑外水或内水作用时，采用基于多孔介质理论的渗流计算分析方法，根据衬砌和围岩的渗透参数取值，计算得到作用在围岩和衬砌上的渗透力进行分析。其中，根据地质建议，Ⅴ类围岩的渗透系数为100Lu，二衬混凝土的初始渗透系数取为0.5Lu。另外，对于Ⅴ类围岩，均考虑约6 m深的洞周灌浆措施。根据工程经验，对于经过灌浆处理的岩体，其渗透系数取为3Lu。

3)计算简图。计算模型见图1、图2。

图1 方案一计算模型简图

图2 方案二计算模型简图

4)计算结果分析。两方案在设计支护参数条件下的Ⅴ类围岩施工期计算结果对比如表3所示。

表3 两方案在设计支护参数条件下的Ⅴ类围岩施工期计算结果对比表

方案一，在当前地质条件和设计支护参数条件下，Ⅴ类围岩在施工开挖支护作用下，围岩变形量较大，相对围岩变形为10.5%，属于极严重挤压变形，钢拱架应力超过屈服强度，围岩稳定性较差。因此，需要提高初期支护强度，才可限制围岩变形并降低钢拱架受力，有效提高初期支护保障围岩稳定性的能力。经计算对比，建议在设计支护参数基础上，将钢拱架支护提高至HEB200型钢、间距0.33 m布置，可使得Ⅴ类围岩施工期围岩和支护安全得到保障。当Ⅴ类围岩衬砌厚度加大到0.5 m后，围岩-衬砌形成了稳定渗流场，灌浆圈承担了因内水外渗而引起的大部分荷载，作用在衬砌上的渗透力较小，内水水头494 m条件下，衬砌洞周钢筋应力最大值为154 MPa，最大裂缝宽度0.22 mm，仅局部区域主压应力超过19.1 MPa，且配筋满足要求。方案一不同衬砌厚度下衬砌压应力分布见图3。

图3 方案一不同衬砌厚度下衬砌压应力分布图

方案二，在当前地质条件和设计支护参数条件下，Ⅴ类围岩在施工开挖支护作用下，管片和拱架受力均很大，承载结构稳定性难以保证。混凝土衬砌采用线弹性本构关系的计算结果表明：衬砌拉应力量值明显超过混凝土材料抗拉强度，且衬砌拉应力量值较大，配筋无法解决。工程经验也表明：在运行期高内水压作用下，衬砌将开裂，不再服从线弹性本构关系，应采用塑性损伤本构。混凝土采用塑性损伤模型计算结果表明：损伤系数较大区域集中分布在钢管片交界部位，其他部位的衬砌混凝土损伤系数较小——混凝土损伤越显著，越容易发生开裂破坏。在内水压条件下，钢管片会开裂，且开裂部位的钢筋应力达到屈服强度，裂缝宽度显著大于0.25 mm。另外，由于衬砌被钢管片包裹，管片开裂区域集中分布在管片交汇部位，故内水外渗通道也仅限于这些部位。钢管片在交界区域开裂后，内水从这些局部区域渗入围岩，导致围岩局部水力坡降较大，水力坡降的极值是常规衬砌的7.9倍，更易使岩体发生渗透破坏。

5)计算结论。计算分析对比如表4所示。结果表明初期支护期，方案一适应性较强，可加密钢拱架，保证深埋Ⅴ类围岩稳定，在深埋Ⅴ类围岩中，方案二钢拱架和管片应力较大，结构稳定性不满足。管片结构无法调整。运行期，方案一透水衬砌周围渗流场均匀稳定，衬砌及钢筋受力条件较好，Ⅴ类围岩中，方案二透水衬砌周围渗流场局部水力坡降较大，衬砌钢筋易屈服。检修期，方案一通过加大衬砌厚度，可满足结构设计要求。两方案水力坡降变化曲线对比和两方案从衬砌内缘到围岩内部的孔隙水压力变化曲线见图4和图5。

表4 两方案Ⅴ类围岩计算分析对比表

综上所述，方案一的常规衬砌具有更优良的围岩-衬砌联合承载条件，从而有效承载隧洞高压内水荷载作用，优于方案二。

3 结 语

本工程在设计的开挖洞径下，基于引水隧洞所处的基本地质条件，通过对拟定的两种的TBM二次支护型式进行深入地计算和比较分析，确定了采用方案一开敞式TBM，即喷锚支护型式施工；同时，对比不同衬砌设计厚度，进行受力分析，确定既满足工程安全又经济合理的TBM二衬厚度，可为同类型引水隧洞工程设计提供参考。

方案一、方案二在支护形式上存在不同，引水隧洞沿程水头损失亦不同，在掘进机类型、施工项目、工程量也存在差异，会带来投资的变化，因此，实际工程设计中，TBM设备选型还需通过水头损失、工程量等技术经济的比较，选择合适的开挖洞径、设备型式。