某抽水蓄能电站斜井隧洞TBM开挖支护稳定性分析
时间：2023-02-26 22:35:04 来源：千叶帆 本文已影响人
童 慧，贺 欢，任 鑫，张祥富，岳金文
（1．湖南平江抽水蓄能有限公司，湖南省平江县 414500；
2．中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南省长沙市 410014）
TBM法和钻爆法是隧洞开挖施工最常用的两种方法[1]。由于人工成本日渐增加，工程安全性要求日益严苛，钻爆法因施工条件较差、安全保障性低而有被逐渐淘汰的趋势[2]。TBM法凭借其较钻爆法工序简单、掘进施工速度快、安全性好、对围岩扰动小、超欠挖量小等诸多优势，在隧洞工程开挖中的应用越来越广泛[3]。国产TBM设备生产商也越来越多，TBM法逐渐成为未来隧洞开挖施工的主流趋势[4]。
由于TBM隧洞掘进较快速，支护施工也应该同步加快才能保证掘进进度。故TBM斜井隧洞开挖支护方案设计的支护参数较钻爆法弱，且因设备限制支护范围也有不同[5]。为确保TBM开挖支护结构的稳定性，本文以某个抽水蓄能电站工程为例选取不同围岩地质条件的典型断面，采用非线性有限元法[6]进行支护结构稳定性分析。通过对围岩土体采用D-P非线性模型，对锚杆采用Mises屈服模型，建立三维非线性有限元结构模型进行计算分析[7]，得到围岩塑性应变、锚杆mises应力、隧洞变形量、喷混凝土应力等计算结果，以此分析TBM开挖支护参数的稳定性与适用性[8]。可为TBM斜井隧洞开挖施工的支护方案提供理论依据支持，为同类工程支护方案的选择提供参考。
平江抽水蓄能电站引水隧洞埋深65～605m，引水主洞为圆形隧洞，采用二级斜井立面布置方案；
洞室围岩多呈微风化～新鲜状，围岩类别以Ⅱ、Ⅲ类为主，少量Ⅳ类。有限元计算分别选取上斜井中部、下部和下斜井上部、下部四个典型断面进行计算。由于四个断面位置的上覆岩体厚度不同，故将未建模的上覆岩体的竖向岩体压力用施加等效荷载的方式来模拟。四个典型计算断面位置与相关计算参数详见表1。
表1 计算断面位置及其计算参数表Table 1 Calculation section position and calculation parameters
四个计算断面参考钻爆法初拟的原支护参数如下：
（1）断面 1：喷C25厚 150mm；
锚杆φ22mm/φ25mm，长3.0m/4.5m，间、排距1m×1m，入岩2.9/4.4m。
（2）断面2：喷C25厚100mm锚杆φ22mm，长3m，间、排距1.5m×1.5m，入岩2.9m。
（3）断面3：喷C25厚100mm锚杆φ22mm，长3m，间、排距1.5m×1.5m，入岩2.9m。
（4）断面4：喷C25厚150mm锚杆φ22mm/φ25mm，长3.0m/4.5m，间、排距1m×1m，入岩2.9/4.4m。
而TBM法优化设计的支护参数如下：
（1）断面1：喷C25厚150mm；
φ22mm锚杆，长3.0m，间、排距1m×1m，顶部240°范围内。
（2）断面2：喷C25厚100mm；
φ22mm锚杆，长2.0m，间、排距1.5m×1.5m，顶部240°范围内。
（3）断面3：喷C25厚100mm；
φ22mm锚杆，长2.0m，间、排距1.5m×1.5m，顶部240°范围内。
（4）断面4：与钻爆法相同。
2．1 非线性材料参数
围岩土体材料采用满足各向同性的理想弹塑性屈服准则，即Drucker-Prager屈服准则[9]的D-P材料模型。通过输入围岩物理力学参数中决定抗剪性能的黏聚力C和摩擦角φ这两个参数来定义围岩土体D-P材料，输出围岩塑性应变结果判断其塑性变形区范围大小。锚杆钢材料所采用的本构关系模型为满足Mises屈服准则的双线性等向强化材料模型[10]，其塑性切向模量取0.03倍的弹性模量，即为6GPa。喷混凝土材料在有限元计算中不考虑材料非线性，结果后处理以应力集中情况和主应力值与混凝土抗拉、压强度相互比较来判断喷混凝土可能出现的受拉、受压开裂范围。各种材料的力学计算参数详见表2。
表2 材料参数表Table 2 Material parameters
2．2 初始地应力平衡
地层本身存在着应力场，地层内各点的应力称为原岩应力，或称地应力。它是未受工程扰动的原岩体应力，亦称初始地应力。它包括由于上覆岩层的重量引起的重力、相应的侧向压力以及由于地质构造作用引起的构造应力。根据近三十年实测与理论分析证明，地应力是一个具有相对稳定性的应力场，即岩体的原始应力状态是空间与时间的函数。天然土体在初始地应力场中会产生变形，但这一变形在土体形成时就已发生，先于隧洞开挖施工。故实际外荷载产生的变形应减去初始地应力场产生的变形偏差值。初始地应力场变形偏差平衡根据有无实测地应力资料常分为两种方法。若有实测地应力资料，则写入地应力荷载进行初始地应力平衡。但通常无实测地应力资料，这种情况下，在构造地应力较低的地区，可将初始地应力场简化为自重应力场，通过ANSYS软件的自重应力场反演技术来平衡初始地应力，纠正初始地应力场导致的变形偏差。本文即采用此方法进行初始地应力场的平衡。
2．3 开挖模拟
开挖模拟就是把部分开挖岩体单元从整个结构中挖除，使得此时整体结构的刚度性质发生了变化，有限元计算不得不对其重新计算，这是一项极其耗时的工作。为了能够克服这样的问题，ANSYS程序采用“单元生死”技术来处理开挖岩体单元。“单元生死”可将某个工况不参与计算的单元的刚度设置为一个极小值（默认值为10-6），使其对整体计算的刚度作用可忽略不计，不影响整体计算结果[11]。这样在开挖模拟时，只需要“杀死”这些开挖岩体单元，而不需要重新形成整体刚度矩阵，可以很大程度地节省时间和精力，具有较大优越性。
3．1 计算模型
3.1.1 模型计算范围
以隧洞中心为原点，采用笛卡尔坐标系，隧洞底部、顶部以及两侧围岩土体均取30m长，沿洞轴线（Z向）取5m。其余上覆岩体采用等效荷载（竖向岩体压力）施加，围岩土体模型见图1，其他各部分模型及细部结构见图2～图4。
图1 围岩土体模型Figure 1 Soil Model of surrounding rock
图2 系统锚杆模型Figure 2 System bolt model
图3 喷混凝土模型Figure 3 Shotcrete model
图4 模型细部结构图Figure 4 Detailed structure of the model
3.1.2 单元类型选择
围岩土体和喷混凝土采用solid45单元模拟，便于平衡初始地应力；
钢筋和锚杆采用beam188模拟，既能模拟轴向拉压受力，还能模拟其受到的剪力和弯矩。
3.1.3 受力关系处理
喷混凝土与围岩土体紧密贴合，采用共节点处理。锚杆与锚杆孔注入水泥砂浆，形成包裹体与围岩紧密结合，不考虑二者的黏结滑移现象。通过节点耦合约束将锚杆与喷混凝土、围岩土体建立相互作用关系。
3.1.4 边界位移约束
对模型底部施加全约束，左右侧面及前后面施加法向约束。
3.1.5 结果后处理
计算结果后处理输出锚杆von mises应力表征锚杆锚固力作用大小及屈服情况；
输出围岩土体的塑性应变判别塑性区范围大小；
输出喷混凝土X、Y向变形量最大差值表征隧洞变形大小；
输出喷混凝土的第一、第三主应力表征应力集中情况。计算成果中应力应变结果以受拉为正，受压为负；
位移变形量以沿坐标轴的正向为正。
3．2 计算过程
考虑围岩压力一次完全释放，由隧洞开挖受载历史定义计算过程如下：
（1）建立有限元模型，施加位移约束，再施加重力后求解，求得初始地应力场。
（2）输入上一步的初始地应力场，平衡初始地应力。
（3）“杀死”开挖岩体单元，激活喷C25混凝土实体单元、系统锚杆梁单元，来模拟隧洞开挖支护工况。
（4）重复上述步骤计算断面2～4。
4．1 计算结果
因版面限制，结果图仅给出断面1～4的围岩塑性应变与锚杆的von mises应力结果，见图5～图12。其他结果处理后统计入表3。
图5 断面1锚杆von mises应力图（单位：Pa）Figure 5 Von Mises stress diagram of section 1 bolt（Unit：Pa）
图6 断面1围岩塑性应变图Figure 6 Plastic strain diagram of section 1 rock mass
图7 断面2锚杆von mises应力图（单位：Pa）Figure 7 Von Mises stress diagram of section 2 bolt（Unit：Pa）
图8 断面2围岩塑性应变图Figure 8 Plastic strain diagram of section 2 rock mass
图9 断面3锚杆von mises应力图（单位：Pa）Figure 9 Von Mises stress diagram of section 3 bolt（Unit：Pa）
图10 断面3围岩塑性应变图Figure 10 Plastic strain diagram of section 3 rock mass
图11 断面4锚杆von mises应力图（单位：Pa）Figure 11 Von Mises stress diagram of section 4 bolt（Unit：Pa）
图12 断面4围岩塑性应变图Figure 12 Plastic strain diagram of section 4 rock mass
表3 开挖支护结构稳定计算结果表Table 3 Stability calculation results of excavation support structure
4．2 结果分析
全部计算结果汇总于表3。由计算结果分析可知，隧洞开挖后受到围岩压力的作用，隧洞Y向压缩（变形为负值）而X向拉伸（变形为正值），隧洞有被压缩成椭圆的变形趋势，符合隧洞TBM开挖成洞的力学变形规律。喷混凝土中部拱腰的压应力将会因超过抗压强度而出现较大范围受压开裂。断面2喷混凝土顶、底小范围位置的拉应力因超过抗拉强度而出现小范围受拉开裂。由上述计算结果可知，隧洞埋深越大，围岩地质条件越差，隧洞开挖后变形量就越大，喷混凝土应力集中越明显，拱腰受压开裂范围越大，隧洞成洞稳定性越差，锚杆mises应力越大，围岩塑性应变与范围越大。比较可得，围岩地质条件（即围岩物理力学参数）比埋深的影响敏感性更大。
通过上述计算结果，可知上斜井中部Ⅳ1类围岩断面1、上斜井下部Ⅲ1类围岩断面2、下斜井上部Ⅲ2类围岩断面3的锚杆mises应力和围岩塑性应变均较小，围岩塑性区范围未超过锚杆有效长度范围。这些断面隧洞开挖支护结构均能自稳，即可采用优化后的TBM斜井隧洞开挖支护参数。
但下斜井下部Ⅳ1类围岩断面4的锚杆mises应力和围岩塑性应变均较大，部分围岩塑性区超过3m锚杆锚固范围，支护结构不能自稳。建议将该断面45°、135°、225°和315°等围岩塑性区范围深度较大位置的锚杆加长至3.5m以上，特别是顶拱45°和135°两处塑性应变最大的位置。并对断面4位置做钢拱架加强支护，同时做好固结灌浆和超前注浆加固以提高围岩土体物理力学参数。
本文以某个抽水蓄能电站工程为例，选取了四个不同围岩地质条件的典型断面，考虑围岩土体和锚杆的材料非线性，建立三维非线性有限元结构模型进行了支护结构稳定性计算分析。
通过围岩塑性应变范围、锚杆mises应力、隧洞变形量、喷混凝土应力等计算结果的对比分析，得知断面1、2和3的开挖支护结构能够稳定，优化后的支护参数适用。可以采用优化后的支护参数，能够加快TBM斜井隧洞开挖掘进、支护施工的进度。对TBM斜井隧洞支护参数优化提供了数值分析理论依据。而对于断面4支护结构不能自稳的情况，建议接杆加长围岩塑性区范围深度较大位置的锚杆，并对断面4位置做钢拱架加强支护，同时做好固结灌浆和超前注浆加固措施。计算结果与分析结论可为TBM斜井隧洞开挖施工的支护方案提供理论依据支持，为同类工程支护方案的选择提供参考。
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