敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

刘登学 孔勇斌 寇甲兵 黄书岭 张雨霆

收稿日期：2023-04-25；接受日期：2023-06-23

基金项目：云南省重大科技专项计划项目（202002AF080003）；长江科学院创新团队资助项目（CKSF2021715/YT）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2021457/YT）

作者简介：刘登学，男，高级工程师，博士，研究方向为隧洞围岩稳定及结构安全。E-mail：liudengxue123@sina.cn

通信作者：寇甲兵，男，高级工程师，硕士，研究方向为水利水电工程建设管理。E-mail：kouzi@qq.com

Editorial Office of Yangtze River. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 license.

文章编号：1001-4179（2024） 06-0182-06

引用本文：刘登学，孔勇斌，寇甲兵，等.敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

［J］.人民长江，2024，55（6）：182-187.

摘要：当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时，通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点，建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段，可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形，从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明，所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性，从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

关  键  词：TBM； 围岩变形； 安全评价； 卡机； 侵限； 香炉山隧洞； 滇中引水工程

中图法分类号： TV554

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.06.025

0  引 言

在长距离深埋隧洞（道）施工时，相较于传统的钻爆方法施工，TBM开挖方式在机械化施工水平、施工人员安全保障等方面具有巨大优势，使其成为首选［1-5］。然而由于在TBM施工方法中，机器-围岩-支护体系之间的相互作用关系极强，当遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时，通常会造成卡机或侵限等风险［6-8］。因此，开展针对TBM开挖隧洞的围岩变形安全性评价研究对于长距离深埋隧洞高效施工和安全建设具有重要的意义［9］。温森等［10］采用收敛-约束法和风险分析理论，提出了TBM施工变形风险评估方法。Zhang等［11］考虑地层变形的时间效应，推导了挤压性地层卡机计算模型。黄兴等［12］给出了TBM围岩挤压大变形的定义，并将TBM开挖隧洞围岩挤压变形分为5个等级。温森等［13］基于Hoek-Brown准则并考虑管片支护和掌子面效应建立了停机和连续掘进不同工况下卡机状态判断计算模型。柳同祥等［14］基于TBM开挖隧洞施工期围岩变形监测数据反演获得的围岩蠕变参数，预测分析了大埋深洞段的围岩变形，并对TBM卡机风险进行了评估。刘泉声等［15-16］将护盾内表面应变作为预警指标，提出了TBM卡机实时监测预警方法。虽然上述研究已从TBM围岩变形风险等级、监测预警方法等方面进行了探讨，但研究工作往往仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，未考虑TBM施工过程中围岩变形过大引起的侵限风险，且围岩变形风险等级判别方法往往过于复杂，未能在TBM施工过程中广泛推广。基于此，本文拟根据敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点，综合考虑敞开式TBM开挖隧洞由于围岩变形可能导致的卡机和侵限风险，建立隧洞围岩变形安全评价方法，并将该方法应用于敞开式TBM开挖隧洞围岩大变形洞段支护应对方案评价工作中，以验证所提方法的有效性。

1  敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法

1.1  敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点

如图1所示，在敞开式TBM向前掘进过程中，围岩变形可分为3个部分，即掌子面前方变形、TBM护盾区间变形和出护盾后的变形。其中，掌子面前方变形是指围岩在开挖出露前因隧洞变形的空间效应而引发的变形［17］；TBM护盾区间变形是指在围岩处于护盾的区间内且尚无条件施加支护措施时产生的变形；出护盾后变形是指围岩在临空面出露护盾后产生的变形。敞开式TBM隧洞围岩护盾区间的变形与出护盾后变形界定点具体根据TBM设备的护盾长度确定。TBM护盾区间的围岩变形量值一旦超过开挖预留的变形间隙，将很容易造成护盾被卡，而TBM护盾区间的围岩变形量值与出护盾后的变形量值的总和超过预留变形量时，将会侵占二次衬砌的施作空间，最终会影响隧洞运行期过流洞径或二次衬砌的长期安全。

1.2  安全评价指标

基于以上分析，提出敞开式TBM隧洞围岩变形安全度Fdisp来量化分析隧洞开挖施工期围岩的变形幅度，定义为

Fdisp=min（F1，F2）（1）

F1=D1U1（2）

F2=D2U1+U2（3）

式中：D1为考虑刀盘扩挖和护盾收缩后围岩与护盾间的最大间隙；D2为TBM隧洞预留变形量；U1为TBM护盾区间的围岩变形量值；U2为出护盾后的围岩变形量值；min（F1，F2）为对F1和F2取最小值。

围岩变形安全度Fdisp大于或等于1即表明围岩变形指标满足所制定的围岩变形安全判别标准。

1.3  围岩变形安全评价流程

根据上述提出的敞开式TBM围岩变形安全评价标准，当围岩变形安全度Fdisp大于或等于1时，即表明当前敞开式TBM开挖隧洞支护方案能够满足围岩变形安全的要求；反之，则说明当前支护方案下存在卡机或者侵限的风险，应调整设计方案以保障围岩变形安全。具体的，当围岩变形指标不满足所制定的围岩安全判别标准时，即Fdisp 小于1时，可分为3种情况：① F1<1且F2≥1，说明当前支护方案下，存在卡机风险，应调整支护方案以控制护盾内围岩变形；② F1≥1且F2<1，说明当前支护方案下，存在侵限风险，应调整支护方案以控制围岩总体变形；③ F1<1且F2<1，说明当前支护方案下，存在卡机和侵限风险，应调整支护方案以控制围岩在护盾内的变形和总体变形。图2给出了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法的流程框图。

2  敞开式TBM隧洞围岩变形获取方法

2.1  三维数值仿真

采用掌子面持续推进的模拟方法实现敞开式TBM隧洞开挖支护的三维数值仿真，可获得不同支护方案下围岩在各阶段的变形。根据敞开式TBM掘进特点，建立了敞开式TBM开挖施工的计算方法［18］。如图3所示，在TBM护盾区间内不考虑支护措施作用，随着掌子面推进，当围岩出露护盾后，再根据敞开式TBM分区支护的特点，施加初期支护措施。通过三维数值仿真获得围压变形安全度指标后，可用于量化分析不同支护方案条件下的围岩变形安全程度，为方案比选提供依据。

2.2  施工期现场围岩变形监测

2.2.1  TBM护盾区间围岩变形

受TBM工作环境制约，采用传统监测手段，如采用全站仪、收敛尺进行施工期隧洞围岩变形监测一般是在围岩出露护盾后才具备条件开展，TBM护盾区间变形难以获取，故所监测到的变形量值要比由于隧洞开挖所引起的围岩变形量值小得多。

为了解决上述问题，本文提出了一种获取TBM开挖过程中护盾区间内围岩变形的监测系统及方法，其能够在TBM正常掘进过程中实时获取护盾与围岩之间的距离，从而监测围岩在TBM护盾区间内的变形。

如图4所示，在敞开式TBM护盾前后两端各设置一组激光测距仪，每一组的布设位置分别对应隧洞的拱顶（A1和A2）、左拱肩（B1和B2）、右拱肩（C1和C2）、左边墙（D1和D2）、右边墙（E1和E2）、底拱左侧（F1和F2）和底拱右侧（G1和G2）。通过记录两组激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离，可计算得到监测断面相应点在TBM护盾区间内的变形量值。如护盾前端A1点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离为LA1，护盾后端A2点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离为LA2，则监测断面顶拱处围岩在TBM护盾区间的变形量值U1可通过式（4）求得：U1=LA1－LA2（4）

2.2.2  出护盾后围岩变形

开挖施工期围岩出露护盾后的变形U2可通过三维激光扫描设备获取，见图5。三维激光扫描获得的是各个部位点云坐标数据（图6），相同位置两次点云之差就是围岩各部位坐标变化，通过坐标变化即可获得围岩各部位的变形数据。

3  工程应用

3.1  工程概况

滇中引水香炉山隧洞7号施工支洞上游工作面控制洞段总长21.065 km（桩号DLⅠ57+865.39～DLⅠ36+800），采用敞开式TBM掘进机全断面开挖，截至2022年11月18日，TBM掘进至桩号DL I 53+375.24。TBM掘进过程中，桩号DL I 53+800～53+400段围岩变形问题突出，围岩变形显著部位主要为顶拱、拱肩及底板部位，顶拱及拱肩部位最大变形量值为120 cm，底板最大隆起量值为51 cm，围岩变形程度为中等—极严重变形，见图7。

3.2  现状条件下隧洞围岩变形安全性评价

选取香炉山隧洞桩号DL I 53+450作为计算分析洞段，该洞段埋深为1 202.24 m。采用三维数值仿真手段对该断面进行TBM掘进过程的三维模拟计算，反演该断面各阶段围岩变形，利用本文所提的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法对该洞段围岩变形安全性作出评判。

3.2.1  初始计算条件

计算模型见图8。计算分析模型尺寸为：垂直水流向150 m，顺水流向120 m，铅直方向150 m，共计剖分122 496个单元，125 759个节点，且均为六面体单元剖分。需要说明的是，DL I 53+450断面隧洞埋深为1 202.24 m，模型中隧洞上覆岩体为75 m，在计算过程中，又施加了上部1 127.24 m厚上覆岩体的自重应力。

该洞段围岩为三叠系松桂组（T3sn）深灰色-灰黑色薄层-互层泥岩、泥质砂岩夹炭质泥岩。根据室内试验成果，围岩力学参数为：重度26.8 kN/m3，变形模量1.5 GPa，泊松比0.3，内摩擦系数0.55，黏聚力为0.3 MPa。计算中岩体采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则进行模拟分析。

根据地质资料，最大水平主应力侧压系数取1.2，最大水平主应力方向与洞轴线垂直。根据现场实际施工情况，计算中考虑的支护措施为：全断面Ⅰ20b@50 cm钢拱架，边顶拱270°范围喷15 cm厚C25聚丙烯粗纤维混凝土。

3.2.2  评价结果

图9给出了计算模型开挖完成后监测断面（位于模型中部）围岩变形量值。开挖完毕后，洞周围岩变形量值在127 cm以内，其中顶拱沉降变形为98 cm，底板抬升变形为56 cm。监测断面顶拱围岩下沉变形和底板围岩抬升变形随着掌子面推进的变化曲线如图10所示。从图中可以看出，掌子面还未通过监测断面时引起的围岩变形增量为：顶拱沉降31 cm，底板上抬25 cm。掌子面在通过监测断面后的围岩变形增量U1+U2为：顶拱沉降67 cm，底板上抬31 cm，与实际所测得的围岩变形量值基本一致。其中，TBM护盾区间围岩变形量值U1为顶拱沉降41 cm，底板上抬18 cm；出护盾后的围岩变形量值U2为顶拱沉降26 cm，底板上抬13 cm。据此，可计算出该断面围岩变形安全度Fdisp=0.32<1（D1取为15 cm，D2取为21.25 cm），表明当前支护方案不能够满足围岩变形安全的要求，存在卡机和侵限风险。

3.3  不同支护方案下隧洞围岩变形安全性判别

从上述计算结果可知，现有施工支护方案下，围岩变形不满足围岩变形安全要求，需增强现有支护强度。

表1拟定了5种TBM洞段优化支护方案。不同支护方案下围岩变形安全性判别结果见表2。从表中可知，通过提高钢拱架型号、增设中空注浆锚杆及施加超前支护措施可提高围岩变形安全度，其中提高钢拱架型号和增设中空注浆锚杆仅能限制围岩出露护盾后的变形，即提高F2，而通过施加超前支护措施改善掌子面前方围岩，可有效限制围岩在护盾区间的变形，降低卡机风险。

4  结 论

本文根据敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点提出了隧洞围岩变形安全评价方法，并将该方法应用于滇中引水工程香炉山隧洞围岩大变形洞段支护应对方案评价工作中，主要结论如下：（1） 考虑敞开式TBM开挖隧洞由于围岩变形可能导致的卡机和侵限风险，建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价指标及评价方法。

（2） 通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测

手段，可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形，

从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。

（3） 工程应用表明，该方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性，从而为敞开式TBM开挖隧洞支护方案调整提供依据。

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（编辑：郑 毅）

Research on safety evaluation method for surrounding rock deformation of open TBM excavation tunnel and application

LIU Dengxue1，KONG Yongbin2，KOU Jiabing2，HUANG Shuling1，ZHANG Yuting1

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China;

2.Central Yunnan Water Diversion Project Co.，Ltd. of Yunnan Province，Kunming 650000，China）

Abstract：

When excavating a tunnel by TBM encounters geological disasters，such as large deformation，it usually poses risks such as jamming or limit intrusion.The research on safety evaluation of surrounding rock deformation during TBM excavation has an important practical significance in reducing the risk of jamming or limit intrusion.This paper analyzed the deformation characteristics of open TBM excavation tunnels，and established safety evaluation indicators and methods for deformation of open TBM excavation tunnels.By using three-dimensional numerical simulation and on-site monitoring of deformation，the deformation of surrounding rock in the shield zone and after the shield can be obtained，so we can achieve safety discrimination of deformation in open TBM excavation tunnels.Engineering applications in Xianglushan tunnel in Central Yunnan Water Diversion Project show that the proposed method can effectively identify the safety of deformation under different support schemes，thereby providing a basis for real-time adjustment of support schemes during open TBM tunnel construction.

Key words：

TBM; surrounding rock deformation; safety evaluation; TBM jamming; limit intrusion; Xianglushan tunnel; Central Yunnan Water Diversion Project