敞开式TBM通过不良地质洞段钢管片支护系统研究

2022-12-19 08:38孙强杨海于茂
东北水利水电 2022年12期
关键词:洞段钢梁管片

孙强,杨海,于茂

(1.中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222;2.中卫市水务局,宁夏 中卫 755000)

0 引言

随着国内城市的快速发展,各地引调水工程也越来越多,在长距离引调水工程中,水工输水隧洞扮演着重要角色。我国是多山国家,在西部地区的调水工程中,隧洞呈现出地质条件多样化、地质条件差、埋深大、单洞距离长等特点。

目前,传统钢管片多用在地铁、公路、铁路等项目的盾构隧道,水工隧洞采用护盾式TBM 衬砌时,均采用混凝土管片,但未在敞开式TBM 开挖水工隧洞中采用。因此,在充分研究钢管片优缺点的前提下,发挥钢管片灵活支护、衬砌的优势,开发钢管片的作用,研究其在敞开式TBM 开挖水工隧洞中的应用,意义很大[1,2]。

本文依托天山输水隧洞,针对隧洞通过断层破碎带、大变形等不良地质洞段,开展一种强度高、重量轻、整体装备速度快、便于加工和修正、施工更灵活的钢管片支护系统的设计和应用技术研究,可为工程后续顺利施工提供技术支撑,还可为类似不良地质隧洞提供借鉴。

1 工程背景

天山输水隧洞全长约41.8 km,最大埋深约2 268 m,隧洞为无压洞,纵坡0.177%,采用“TBM+钻爆法”结合施工,开挖段由2 台敞开式TBM 相向开挖,隧洞开挖完成后采用现浇钢筋混凝土衬砌。

TBM 掘进机在开挖过程中,遭遇了大断层、突泥、大变形等不良地质条件,其中TBM 掘进机护盾承受的压力较大,且护盾后岩体易发生大范围塌方。该洞段主要地层为志留系上统博罗霍洛山组(S3b),属滨海相-浅海相沉积。受构造及热接触变质作用影响,地层岩性为变质粉砂岩或变质泥质粉砂岩,灰黑色、粉砂结构,局部发育方解石脉,整体围岩较差,已连续1 600 m 采用“钢筋排+钢拱架”支护,效果不理想。因此,针对以上特殊地质条件,本文提出采用敞开式TBM 开挖钢管片支护系统进行处理。

2 钢管片设计

管片设计是从隧洞横断方向和纵断方向开始。通常,管片的断面取决于横断方向的设计,而纵向连接、地基沉降带来的影响等,一般根据需要在纵断方向的设计中研究[3-6]。

从降低制作费用、加快拼装速度、提高防水性能角度看,管环的分块数是越少越好,但如果分块过少,单块管环的重量增加,从而导致管片在制作、搬运、洞内操作及拼装过程中出现各种各样的问题。一般情况下,软土地层中小直径隧洞管环以4~6 块为宜,初选5+1 形式[7]。

管片设计流程:确定设计条件(隧洞轴线、断面尺寸、地质条件、TBM 开挖型式等)→根据经验确定管片尺寸(工程类比法、经验法确定初步管片尺寸)→分析荷载(选择土压力理论,确定水土压力、侧向垂直压力、地基反力系数等)→选定计算模型(修正惯用计算法、梁-弹簧模型计算法、多铰环模型等)→计算管片结构受力(应力、弯矩、轴力、剪力等,包括管片主体、环向及纵向接头)→优化初始结构(根据计算结果调整初始尺寸,反复计算,确定最终尺寸)→定型制作→隧洞应用。

3 支护方案

针对以上隧洞不良地质洞段,敞开式掘进机进行隧洞开挖后需进行支护。敞开式TBM的装配式支护钢管片与喷锚联合支护方法包括以下内容。

1)根据设计参数,选取装配式支护钢管片,使支护钢管片环形钢壳的外侧紧贴岩壁布置,环向、纵向肋板靠近洞内一侧,环形钢壳与环向、纵向肋板间焊接牢固,形成整体受力结构。

2)在敞开式TBM 盾尾,通过安装器封闭360°范围内出露岩面,实现环形钢壳与岩面紧贴,支护钢管片间采用螺栓连接。

3)在支护钢管片内侧采用喷射混凝土填充环向、纵向肋板之间的预留空间,使支护钢管片与喷射混凝土形成整体受力结构。

4)通过环形钢壳上的预留孔,沿半径方向钻设中空注浆锚杆,通过锚杆注浆加固周边围岩。

5)通过预留孔沿洞轴线方向向前打设超前钢花管,同时复喷混凝土,超前钢花管与洞轴线方向夹角范围在5°~15°,保障超前加固范围。

管片间采用螺栓连接,可实现洞内快速拼装及固定,避免不稳定岩体暴露,从而减少溜渣、掉块及坍塌,并减弱地下水的冲刷裹挟作用,减少因不良地质洞段塌方掉块而造成的安全风险,同时简化敞开式TBM 内L1 区的作业工序,减少TBM换步时间,增加TBM 掘进效率。

装配式支护钢管片可洞外定型成批预制,装配式工艺封闭岩面速度快,机械化程度高,从而提高围岩的整体承载能力及撑靴部位支撑强度,保障断层破碎带、突涌水、岩爆等不良地质洞段的围岩稳定性及TBM 的连续掘进。当预判出现挤压大变形、中等以上等级岩爆或洞周出现渗低水时,可采用纳米纤维喷射混凝土、预应力锚杆、重型钢管片等加强措施,从而提高支护结构适应变形能力及冲击韧性。钢管片结构见图1。

图1 管片环结构图(单位:mm)

4 结构受力分析

4.1 计算模型

本文采用有限元分析软件MIDAS GTS 计算,钢管片结构可以简化为围岩支撑条件下的带肋钢-梁结构。在有限元分析中,钢管片钢梁及纵横钢肋均采用梁单元模拟。钢管片与地基之间的作用关系采用仅受压的地基弹簧单元进行模拟,并在钢管片上施加相应的结构荷载(如管片自重、隧洞周围围岩压力,并考虑部分围岩变形释放等),进行有限元分析后可进行结构的变形、应力及内力分析。

4.2 计算荷载

钢管片结构承受的荷载体系见图2。垂直方向的地层抗力为等分布荷载,水平方向的地层抗力假定为管片环顶部开始,左右两边45°~135°内线性分布荷载(三角形分布)[8]。

图2 荷载体系图

根据地质勘察资料,计算所采用围岩物理力学参数:岩石密度为2.2~2.4 g/cm3,弹性模量为0.5~2.0 GPa,泊松比为0.36~0.40,内摩擦角φ为24°~29°,粘聚力C为0.05~0.12,单位弹性抗力系数为100~300 MN/m3,坚固系数为0.8~1.0。

4.3 计算结果

钢管片的承载力分析采用梁-弹簧计算方法,钢管片中钢梁及钢肋均采用板单元进行模拟,管片周边围岩的支撑条件简化为仅受压的地基弹簧支撑,并对地基弹抗(50~100 MPa/m,100~200 MPa/m等范围)进行反复试算。

钢管片总变形:最大变形在底部,为7.4 mm,钢梁跨中区域变形明显大于钢肋变形(大约1.7 mm),表明钢肋对钢梁的支撑作用较弱,建议减小钢肋之间间距或增大钢梁厚度,使钢梁与钢肋之间能够保持变形协调。

钢管片竖向变形:竖向变形为钢管片总变形中的主要部分,最大变形在底部,为竖直向上的变形,最大变形为7.4 mm,钢梁跨中区域变形明显大于钢肋变形。

钢管片水平变形:最大变形在侧壁,为1.4 mm。侧壁水平变形为指向洞外的变形,由于钢梁处径向刚度小于钢肋的刚度,在外荷载作用下,钢梁有向内变形特征,与侧壁向洞外的水平变形相抵消,因而钢肋的水平变形大于附近钢梁的水平变形。

钢管片最大压应力:最大压应力在底部,为156.8 MPa,位于钢梁跨中区域。在外荷载作用下,钢肋对钢梁有支撑作用,跨中区域弯曲变形较大,导致钢管片的钢梁跨中区域压应力较大。

综上所述,钢梁、钢肋厚度等基本尺寸对钢管片受力影响很大,通过反复计算、调整参数,最终选择合理的钢管片尺寸,对隧洞的支护效果、投资影响较大。

5 结语

敞开式TBM 穿越不良地质洞段的工效提升方案成为制约隧洞工程安全、进度、投资的重要因素,本文提出了敞开式掘进机钢管片支护系统方案,采用钢管片快速封闭支护方案是有效解决这一问题的重要途径,在天山输水隧洞的应用中起到了预期效果,解决了现场问题,为其他类似工程提供了思路,提升效率。

猜你喜欢
洞段钢梁管片
某水电站引水隧洞局部洞段衬砌破损处理研究
塔机内爬钢梁及焊接锚脚加固设计及验证
TBM管片选型对比分析
乌斯通沟水库导流洞偏压洞段埋藏式锚筋桩的应用
滇中引水工程隧洞施工技术研究
大直径盾构管片在盾壳内的力学行为实测分析
夹岩水利枢纽工程长石板隧洞施工开挖支护方案优化调整研究
盾构管片封顶块拼装施工技术研究
一种建筑钢结构用便于安装的钢梁
枝城长江大桥钢梁锈蚀调查及防护措施研究