豆礫石填充層對TBM隧道支護結(jié)構(gòu)影響研究

梅志遠(yuǎn) 張志強

【摘要】護盾式TBM在隧道工程掘進中，襯砌管片外弧面與圍巖間會存在一定的空隙，采用現(xiàn)有的豆礫石回填灌漿方法主要存在豆礫石回填不飽滿、管片上浮或者下沉，造成豆礫石填充層厚度不均勻?；诖耍恼乱阅岵礌柊腿鸢拓愐淼罏楣こ桃劳校捎么笮屯ㄓ糜邢拊浖嗀BAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬，分析了豆礫石層在不同形狀時對管片支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，獲得了襯砌管片變形、應(yīng)力、內(nèi)力的變化規(guī)律。

【關(guān)鍵詞】TBM隧道; 豆礫石層; 襯砌管片; 力學(xué)演化規(guī)律

【中國分類號】U455.7【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 TBM隧道的豆礫石填充層

隨著社會經(jīng)濟需求的增大和科技技術(shù)的發(fā)展進步，護盾式TBM在隧道工程掘進中的應(yīng)用越來越多。襯砌管片外弧面與圍巖間的空隙需要采用豆礫石回填灌漿將二者連接，采用現(xiàn)有的豆礫石回填灌漿方法常造成豆礫石填充層厚度不均勻，從而增大了工程建設(shè)的投資與風(fēng)險，大大降低了工程質(zhì)量，埋下了安全隱患。因此有必要研究豆礫石層在不同形狀時對管片支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。

目前許多學(xué)者對于豆礫石填充層進行了研究，王明友等[1]研究了不同回填密實度對圍巖變形、屈服狀態(tài)及襯砌受力等的影響，得出回填灌漿密實度過低，會導(dǎo)致管片應(yīng)力分布不均勻且產(chǎn)生較大拉應(yīng)力，也會產(chǎn)生較大的圍巖變形和屈服區(qū)分布;楊延棟等[2]對全斷面硬巖地層盾構(gòu)隧道管片上浮控制技術(shù)進行了研究，從盾構(gòu)施工和設(shè)計等方面提出了減小管片上浮的新措施;劉麗萍[3]針對全斷面掘進機（TBM）施工過程中豆礫石回填灌漿存在的問題，提出了用充氣軟管進行分段施工的方法;羅儉[4]對TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質(zhì)量進行了研究，總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗供類似工程借鑒;劉吉勇[5]對TBM底拱豆礫石回填灌漿工藝試驗研究進行了研究，確定了適用于具體工程需求的豆礫石注漿回填工藝。

本文以尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道為工程依托，采用大型通用有限元軟件ABAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬和分析，以期為豆礫石填充層的設(shè)計和施工提供有益參考。

2 計算模型及參數(shù)選取

隧道模型尺寸如圖1所示，三維模型的邊界范圍為：水平方向上隧道中心線距離左右邊界30 m，隧道底部距離模型下邊界15 m，隧道縱向長度20 m，隧道埋深為50 m。在邊界約束方面，模型頂部為自由面，不施加約束，其余各面都施加法向約束。

按照尼泊爾施工設(shè)計，管片外徑為4.8 m，厚30 cm，豆礫石填充層外徑5.1 m，厚15 cm，而當(dāng)管片發(fā)生上浮或者下沉?xí)r，豆礫石填充層會產(chǎn)生上薄下厚、上厚下薄等形狀，所以本章選取的豆礫石形狀分為3種，即均勻豆礫石層、上薄下厚豆礫石層、上厚下薄豆礫石層，不同豆礫石填充層如圖2所示。

采用尼泊爾引水隧道中分布較廣的Ⅴ級圍巖參數(shù)，使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型，豆礫石填充層和管片均使用彈性本構(gòu)模型。圍巖、豆礫石層和管片力學(xué)參數(shù)見表1。

本次計算采用全斷面開挖法模擬TBM隧道的施工過程，結(jié)合上述分析，將豆礫石填充層的不同形狀分為3種工況，計算工況如表2所示。

3 計算結(jié)果分析

為忽略邊界條件等因素的影響，本節(jié)特選取模型中間、

距離隧道口10 m處的斷面為研究對象。因本章旨在研究TBM隧道施加管片時，管片位置發(fā)生偏移對管片支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，所以主要從變形、受力以及安全性等方面，分析TBM隧道掘進支護完成后，不同工況下豆礫石層和管片的狀況。

3.1 支護結(jié)構(gòu)變形分析

為研究TBM隧道掘進支護完成后，不同工況下的支護結(jié)構(gòu)變形，選取距離隧道口10 m處的豆礫石層和管片，提取其豎向位移、水平位移，圖3～圖5為不同工況的支護結(jié)構(gòu)位移云圖，表3為不同工況下支護結(jié)構(gòu)的拱頂沉降、仰拱隆起和水平收斂統(tǒng)計。

根據(jù)圖3～圖5和表3分析可知：

（1）結(jié)合工況1、工況2，如果管片發(fā)生上浮導(dǎo)致豆礫石層產(chǎn)生上薄下厚的形狀時，會使得管片變形發(fā)生變化，拱頂沉降量增加，仰拱隆起量減小，對水平收斂則影響不大。

（2）結(jié)合工況1、工況3，如果管片發(fā)生下沉導(dǎo)致豆礫石層產(chǎn)生上厚下薄的形狀時，會使得仰拱隆起量增加，拱頂沉降量減小，而對水平收斂效果不明顯。

3.2 支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

為研究不同工況下支護結(jié)構(gòu)的受力規(guī)律，選取距離隧道口10m處的斷面為研究對象，提取豆礫石層和管片的最大絕對主應(yīng)力，如圖6～圖8所示。

根據(jù)圖6～圖8分析可知：

（1）結(jié)合工況1、工況2，管片上浮會導(dǎo)致豆礫石層拱頂最大主應(yīng)力增加，仰拱最大主應(yīng)力則減小，而管片的最大拉、壓應(yīng)力分布區(qū)域會向上移動，拱頂內(nèi)側(cè)受拉區(qū)范圍則逐漸減小，仰拱內(nèi)側(cè)受拉區(qū)范圍逐漸增大。

（2）結(jié)合工況1、工況3，管片下沉?xí)鸲沟[石層拱頂處最大主應(yīng)力減小，而仰拱處最大主應(yīng)力則增加，管片的最大拉、壓應(yīng)力分布區(qū)域會向下移動，拱頂內(nèi)側(cè)受拉區(qū)范圍增加，仰拱內(nèi)側(cè)受拉區(qū)范圍減小。

3.3 支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析

為研究不同工況下管片的內(nèi)力分布規(guī)律，選取距離隧道口10 m處的斷面為研究對象，提取管片的軸力和彎矩，并根據(jù)公式計算其橫截面的安全系數(shù)。

如圖9～圖11及表4所示：

根據(jù)圖9～圖11及表4分析可知：

（1）所有工況中，管片支護都是全截面受壓，且軸力最大值俱出現(xiàn)在拱腰處，其次在拱頂和仰拱處，最小值則出現(xiàn)在拱肩或者拱腳處，管片在拱頂、仰拱處以內(nèi)側(cè)受拉為主，拱腰處則外側(cè)受拉。最大正彎矩值基本在拱頂或者仰拱處，最大表4 各工況管片拱頂和仰拱內(nèi)力

負(fù)彎矩則發(fā)生在拱腰處。

（2）結(jié)合工況1、工況2可知，管片上浮會引起管片拱頂處的軸力和彎矩都增加、安全系數(shù)減小。

而仰拱處的軸力則減小彎矩增加、安全系數(shù)增大，而拱腰處的內(nèi)力和安全系數(shù)變化不明顯。

（3）結(jié)合工況1、工況3可知，管片下沉?xí)鸸芷龉疤庉S力和彎矩會增加、安全系數(shù)減小而拱頂處則與之相反。

4 結(jié)論

采用大型通用有限元軟件ABAQUS對不同豆礫石填充層的TBM隧道進行了模擬和分析，主要結(jié)論如下：

（1）當(dāng)TBM隧道施做管片支護結(jié)構(gòu)時，管片發(fā)生上浮，導(dǎo)致豆礫石填充層分布不均勻而產(chǎn)生上薄下厚的形狀，則在變形方面，會使管片變形不均勻分布，管片拱頂沉降增大，而仰拱隆起減小;在應(yīng)力方面，會引起豆礫石層拱頂應(yīng)力集中，管片最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力分布的區(qū)域也向上移動;在內(nèi)力方面，會導(dǎo)致管片拱頂軸力和彎矩增加、安全系數(shù)也減小。

（2）如果TBM隧道施工時管片發(fā)生下沉，使得豆礫石填充層產(chǎn)生上厚下薄的形狀，則在變形方面，會導(dǎo)致管片仰拱隆起量增加，拱頂沉降量減小;在應(yīng)力方面，會導(dǎo)致豆礫石層仰拱應(yīng)力集中，管片最大拉壓應(yīng)力分布的區(qū)域向下移動;而在內(nèi)力方面，會導(dǎo)致管片仰拱軸力和彎矩增加、安全系數(shù)減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 王明友，侯少康，劉耀儒，等. TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質(zhì)量[J].隧道建設(shè)：中英文，2020，40（3）：326-336.

[2] 楊延棟，陳饋，李鳳遠(yuǎn)，等.全斷面硬巖地層盾構(gòu)隧道管片上浮控制技術(shù)研究[J].隧道建設(shè)，2015，35（2）：180-184.

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[4] 羅儉，彭林峰.彭林峰.TBM施工豆礫石回填與灌漿施工質(zhì)量[J].湖南水利水電，2018（5）：37-40.

[5] 劉吉勇.TBM底拱豆礫石回填灌漿工藝試驗研究[J].東北水利水電，2020，38（1）：42-44.