基于現(xiàn)場試驗(yàn)的TBM隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

趙向波， 王利明， 王 軍， 趙海雷

（1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊830000； 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001；3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣州 511458）

隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，鐵路及水利工程建設(shè)越來越廣泛地采用TBM法進(jìn)行施工，如川藏鐵路色季拉山隧道、伯舒拉嶺隧道、果拉山隧道、孜拉山隧道和德達(dá)隧道等5座隧道正洞共計(jì)劃采用18臺大直徑TBM（10.2 m）施工［1］；大瑞鐵路高黎貢山隧道彩云號敞開式TBM 為9.03 m［2-3］；云南滇中引水香爐山隧道云嶺號敞開式TBM 直徑為9.83 m［4-5］；新疆YEGS 二期輸水工程總長540 km，正洞采用18 臺TBM 集群施工［6-7］.在TBM快速掘進(jìn)施工中，襯砌結(jié)構(gòu)的快速支護(hù)可有效地控制隧道圍巖的快速變形.

初期支護(hù)結(jié)構(gòu)作為抵抗隧道圍巖變形的主要結(jié)構(gòu)措施，其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的研究可為隧道施工和襯砌結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要理論依據(jù)，同時(shí)也可助力TBM隧道工程建設(shè)行業(yè)水平的發(fā)展和提高，當(dāng)前針對隧道初期襯砌結(jié)構(gòu)的研究大多依托礦山法隧道工程，如黃明利等［8］針對隧道拱頂下沉、圍巖內(nèi)部變形、圍巖壓力、鋼拱架應(yīng)力及錨桿軸力開展了現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)研究，同時(shí)優(yōu)化了隧道錨桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù).譚忠盛等［9］、王利明等［10］開展支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)場試驗(yàn)，分析了隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特征.曲海鋒等［11］、王利明等［12］、文競舟等［13］、廖偉等［14］針對鋼拱架結(jié)構(gòu)開展現(xiàn)場測試，研究了鋼拱架結(jié)構(gòu)受力性能，得到了鋼拱架受力變化特征及穩(wěn)定性判斷.趙勇等［15］通過對天平山隧道錨桿軸力現(xiàn)場試驗(yàn)研究得出，錨桿軸力多呈中間大、兩端小的分布形式，且軸力變化歷時(shí)長，不易穩(wěn)定.徐劍波等［16］基于現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，研究分析了典型地層隧道圍巖變形、鋼支撐應(yīng)力、錨桿軸力等襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形規(guī)律.Moreira等［17］通過地基曲梁和反分析理論方法將施工監(jiān)測結(jié)果導(dǎo)入襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力解析計(jì)算中，獲得了襯砌結(jié)構(gòu)受力特征.Karmen等［18］通過隧道施工現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果分析了襯砌結(jié)構(gòu)的安全性，評價(jià)了施工隧道圍巖的穩(wěn)定性.李元松等［19］通過現(xiàn)場試驗(yàn)及數(shù)值計(jì)算手段，對隧道洞口段的支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性進(jìn)行研究，獲得了隧道初期襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)特性.王利明等［20］、喻偉等［21］針對城市地鐵隧道管片結(jié)構(gòu)及施工進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)研究，分析總結(jié)了隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力變化規(guī)律及施工技術(shù).李曉紅等［22］針對施工中隧道圍巖變化規(guī)律開展了理論研究，得到了支護(hù)結(jié)構(gòu)可有效地抑制隧道圍巖變形速率的結(jié)論.陳耕野等［23］通過韓家?guī)X隧道現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力測試，研究了噴射混凝土和錨桿結(jié)構(gòu)在初期支護(hù)中的作用.

為研究TBM法隧道工程初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力特性，本文依托新疆YEGS二期輸水工程KS隧道開展圍巖深部位移、圍巖接觸應(yīng)力、鋼拱架應(yīng)力和錨桿軸力研究，全面分析TBM法隧道初期結(jié)構(gòu)體系受力特征及分布規(guī)律，一方面可為TBM隧道工程施工和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)，另一方面可對川藏鐵路隧道工程修建及隧道工程行業(yè)的發(fā)展提供寶貴的基礎(chǔ)參考資料.

1 工程概況

新疆YEGS 二期工程KS 隧道全長283.3 km，最大埋深為774 m，平均埋深為428 m，隧道穿越地層主要為凝灰質(zhì)砂巖、凝灰?guī)r、凝灰?guī)r夾凝灰角礫巖、花崗巖等，巖石飽和抗壓強(qiáng)度主要在50～140 MPa之間，最大強(qiáng)度達(dá)200 MPa，為中堅(jiān)硬巖，巖體完整性較好.超過84%的隧道圍巖為Ⅱ、Ⅲ級圍巖，隧道圍巖穩(wěn)定性較好，而部分Ⅳ、Ⅴ級圍巖巖性主要為糜棱巖和碎裂巖，穩(wěn)定性較差.隧址范圍內(nèi)地表水貧乏，地下水主要為基巖裂隙水，多賦存在斷層破碎帶、裂隙密集帶等巖體空隙處，水量小，主要表現(xiàn)形式為滲滴，局部有流水成線的現(xiàn)象.

隧道采用直徑為7.03 m 的敞開式TBM 掘進(jìn)施工，該工法施工速度快，圍巖擾動影響小.隧道初期支護(hù)以錨桿、鋼拱架、噴射混凝土為主，圍巖破碎地段加設(shè)鋼筋網(wǎng)片或鋼筋排進(jìn)行支護(hù)，確保隧道圍巖穩(wěn)定性.Ⅳ級圍隧道初期支護(hù)結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表1和圖1所示.

表1 初期支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters of initial supporting

圖1 初期襯砌結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the initial lining structure

2 現(xiàn)場試驗(yàn)方案

為掌握隧道圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，判斷隧道穩(wěn)定性，為隧道的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和信息化施工提供理論依據(jù)，對凝灰?guī)r地層隧道圍巖接觸應(yīng)力、圍巖內(nèi)部位移、初期襯砌結(jié)構(gòu)力學(xué)性能開展施工現(xiàn)場試驗(yàn)，圍巖等級為Ⅳ級，隧道埋深為316 m.

TBM 法隧道為圓形，襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖變化特征具有對稱性，確定監(jiān)測斷面布置4 支土壓力盒、8 支鋼筋表面應(yīng)力計(jì)、3 組錨桿測力計(jì)和3 組多點(diǎn)位移計(jì).其中鋼拱架每處測點(diǎn)處內(nèi)外側(cè)均設(shè)置鋼筋表面應(yīng)力計(jì)，傳感器具體布設(shè)見圖2.同時(shí)傳感器數(shù)據(jù)采集儀器為振弦式實(shí)時(shí)采集儀，采集范圍為400～5000 Hz，精度為0.1 Hz，采集儀內(nèi)嵌高性能ARM 控制器，反應(yīng)快速，性能穩(wěn)定.測點(diǎn)布設(shè)與安裝如圖3所示.

圖2 測點(diǎn)布置圖Fig.2 Layout of measuring points

圖3 傳感器安裝及現(xiàn)場監(jiān)測Fig.3 Sensor installation and field monitoring

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 圍巖深部位移

圖4為隧道圍巖深部累計(jì)位移隨時(shí)間變化曲線圖，隨著TBM 掘進(jìn)圍巖深部位移具有顯著的時(shí)空效應(yīng)，前5 d初始階段深部位移線性增大，變形速率最高達(dá)0.99 mm/d，位移達(dá)到峰值后出現(xiàn)小幅衰減與波動，隨著鋼拱架及錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的發(fā)揮，15 d后深部圍巖受開挖影響很小，經(jīng)過緩慢蠕變變形后圍巖趨于穩(wěn)定.

圖4 圍巖內(nèi)部累計(jì)位移-時(shí)間曲線Fig.4 Accumulative displacement-time curves inside surrounding rock

單就隧道某一位置處三個(gè)測點(diǎn)分析可知，0.5 m處增長速度較大，1.5 m和2.5 m處內(nèi)部位移增長速度相當(dāng)；穩(wěn)定后，0.5 m處內(nèi)部位移最大，而1.5 m和2.5 m測點(diǎn)處累計(jì)位移相對較小.即越靠近隧道輪廓邊緣內(nèi)部位移越大，越向圍巖深處內(nèi)部位移越小.

隧道拱頂處圍巖變形最大，最大累計(jì)位移為4.94 mm，拱腰處深部圍巖變形最小，可能與圍巖結(jié)構(gòu)重塑形成塌落拱有關(guān).整體上，隧道圍巖內(nèi)部變形都很小，主要是由于凝灰?guī)r地層圍巖較好，TBM掘進(jìn)擾動影響小，同時(shí)鋼拱架及錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)施作及時(shí)，抑制了隧道圍巖進(jìn)一步變形收斂，因此隧道整體圍巖變形較小.

3.2 圍巖接觸應(yīng)力

圖5為圍巖接觸應(yīng)力-時(shí)間曲線，壓應(yīng)力為正值，拉應(yīng)力為負(fù)值.

圖5 圍巖接觸應(yīng)力-時(shí)間曲線Fig.5 Contact stress-time curve of surrounding rock

圍巖接觸應(yīng)力變化波動較大，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，然后逐漸降低，緩慢發(fā)展最后趨于穩(wěn)定，圍巖接觸應(yīng)力均為正值，表示初期支護(hù)為受壓狀態(tài).

整體上，邊墻處圍巖接觸應(yīng)力最大，達(dá)到18.65 kPa，拱頂處最小，拱頂與拱肩處相差不大，具體為邊墻>拱腰>拱肩>拱頂，這與一般計(jì)算結(jié)果不完全相同，主要由于支護(hù)結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力不同，導(dǎo)致該試驗(yàn)斷面圍巖接觸應(yīng)力呈現(xiàn)下部大上部小.現(xiàn)場測試時(shí)邊墻和拱腰處壓力盒傳感器結(jié)合型鋼拱架與圍巖表面緊貼安裝，而拱頂和拱肩處壓力盒傳感器是結(jié)合鋼筋排進(jìn)行安裝，型鋼拱架彈性模量比鋼筋排大，其提供的抗力較大，所以圍巖接觸應(yīng)力相對較大.因此建議施工中采用可縮式恒組讓壓鋼拱架等柔性支護(hù)，在確保圍巖可控變形范圍內(nèi)提供足夠的支護(hù)抗力，確保隧道圍巖的穩(wěn)定性.

3.3 鋼拱架應(yīng)力

圖6 為鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線，鋼拱架拉應(yīng)力為正值，壓應(yīng)力為負(fù)值.現(xiàn)場經(jīng)過46 d 不間斷的監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測斷面到隧道掌子面的距離為816 m.

通過分析圖6可知，鋼拱架應(yīng)力監(jiān)測前5 d增長速度比較快，之后緩慢增長，在監(jiān)測16 d后鋼拱架應(yīng)力趨于穩(wěn)定，但右拱肩外側(cè)的應(yīng)力存在正負(fù)交替的現(xiàn)象，應(yīng)力變化規(guī)律相對較復(fù)雜，第一階段鋼拱架應(yīng)力為負(fù)值，變化趨勢為先增大后減小.第二階段鋼拱架應(yīng)力為正值，變化趨勢為增大后微降，然后趨于穩(wěn)定.拱肩外側(cè)應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜可能是由隧道拱肩圍巖破碎、裂隙較發(fā)育，凝灰?guī)r巖性下圍巖變形大引起的，而在隧道場重構(gòu)后達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài).

圖6 鋼拱架應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Stress time history curve of steel arch frame

圖7為不同階段時(shí)刻鋼拱架內(nèi)外側(cè)應(yīng)力分布圖，除拱肩外側(cè)測點(diǎn)外鋼拱架應(yīng)力均為負(fù)值，鋼拱架整體向內(nèi)擠壓，外側(cè)應(yīng)力普遍小于內(nèi)側(cè)應(yīng)力.外側(cè)應(yīng)力中邊墻處最大，最大值為50.88 MPa.內(nèi)側(cè)應(yīng)力中拱頂處最大，最大值為32.54 MPa，鋼拱架服役應(yīng)力值均小于HW125型鋼的屈服強(qiáng)度，鋼拱架處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖7 鋼拱架應(yīng)力分布圖（單位：MPa）Fig.7 Stress distribution of steel arch frame

3.4 錨桿軸力

錨桿軸力分布如圖8所示.通過分析拱頂、拱肩和拱腰處穩(wěn)定后錨桿軸力值可知，0.5 m 處錨桿軸力最大，其次為1.5 m 處錨桿軸力，2.5 m處錨桿軸力最小，即隨著錨桿進(jìn)入隧道圍巖越深其軸力值越小.通過分析錨桿與圍巖相互作用機(jī)理可知，隧道錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)中性點(diǎn)在隧道邊緣0.5 m處附近，即錨桿的拉拔長度約為0.5 m，錨固長度約為2.5 m.

圖8 穩(wěn)定后錨桿軸力分布圖（單位：kN）Fig.8 Axial force distribution of anchor rod after stabilization

TBM 工法施工對隧道周邊圍巖擾動較小，周邊圍巖的整體性較完整，TBM掘進(jìn)開挖對隧道上部影響最大，拱腰處影響最小，錨桿軸力整體呈現(xiàn)為拱頂處軸力最大，其次為拱肩處，而拱腰處軸力最小，即：拱頂>拱肩>拱腰.

4 結(jié)論與建議

針對TBM隧道圍巖及初期支護(hù)結(jié)構(gòu)開展了現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)研究，分析得到了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)體系受力特征及分布規(guī)律，為TBM隧道設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)支撐，確保了隧道工程的施工安全.

1）隧道圍巖深部位移較小，最大為4.94 mm.隧道深部圍巖0.5 m 處位移最大，而1.5 m 和2.5 m 測點(diǎn)處累計(jì)位移相對較小，即越靠近隧道輪廓邊緣內(nèi)部位移越大，越向圍巖深處內(nèi)部位移越小.

2）圍巖接觸應(yīng)力均為正值，初期支護(hù)整體表現(xiàn)為受壓狀態(tài).圍巖接觸應(yīng)力受支護(hù)結(jié)構(gòu)本身抵抗變形能力的影響較大.

3）除拱肩外側(cè)測點(diǎn)外鋼拱架應(yīng)力均為負(fù)值，鋼拱架整體向內(nèi)擠壓，外側(cè)應(yīng)力普遍小于內(nèi)側(cè)應(yīng)力.TBM掘進(jìn)后鋼拱架支護(hù)及時(shí)，隧道圍巖變形較小，鋼拱架應(yīng)力主要在10.92～50.88 MPa之間，均未超過HW125型鋼屈服強(qiáng)度.

4）沿錨桿近端軸線方向錨桿軸力逐漸增大，在中性點(diǎn)（0.5 m）附近達(dá)到峰值，然后逐漸減小.整體表現(xiàn)為拱頂處錨桿軸力最大，拱肩處次之，拱腰處最小，即：拱頂>拱肩>拱腰.