某隧洞穿越断层破碎带施工期支护方案分析研究

丁银剑

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

新疆某长距离引水工程线路总长392.3 km，主要建筑物包括拦河引水枢纽1座、输水隧洞2座(KS隧洞、SS隧洞)、泵站1座、分水闸1座、调节水库1座、压力管线(埋涵)及阀井等附属建筑物。工程规模为大(Ⅰ)型，SS隧洞建筑物级别为2级。

1 隧洞技术方案选择

SS隧洞全长92.15 km，洞身段上覆岩体平均厚度为158 m，最大厚度为295 m，为无压输水隧洞。SS隧洞的主要施工方法为开敞式TBM开挖、盾构机开挖及钻爆法或机械开挖。

SS隧洞桩号SD22+878.160 m～SD24+365 m段为TBM通过洞，平底马蹄型断面，钻爆法开挖。该段岩性为下石炭统凝灰质砂岩、泥质粉砂岩，多呈厚层～巨厚层状，为中硬～坚硬岩。该段岩层产状为290°～310°NE∠75°～85°，与洞轴线夹角约30°。桩号SD23+800 m附近发育一条规模相对较大的f91断层，断层产状295°～300°NE∠60°～70°，与洞轴线夹角31°，破碎带宽度50 m，以碎裂岩和断层角砾岩为主，局部为糜棱岩。桩号SD23+800 m断面埋深260 m，地下水高度200 m，为ZB-TGD-Ⅴ断面，开挖尺寸为R1=3.55 m，R2=6.50 m。支护参数见表1，具体断面见图1。

2 计算网格模型及材料参数

本隧洞三维有限元网格模型见图2。

ZB-TGD-Ⅴ隧洞的三维有限元力学参数值见表2。岩体采用弹塑性本构模型，屈服准则为MHOR-COULOMB准则[1]。

表1 一次支护参数

图1 ZB-TGD-Ⅴ隧洞支护剖面图

图2 ZB-TGD-Ⅴ隧洞细部模型

表2 钻爆法开挖TBM通过洞的力学计算参数

3 施工期支护敏感性分析方案

钻爆法开挖TBM通过洞的计算模拟方案及荷载：

1) STEP1：初始地应力场，由岩体自重产生，侧压力系数0.9。

2) STEP2：开挖进尺1.8 m。

3) STEP3至STEP22：每步开挖进尺1.8 m，开挖的同时施作隧洞纵向1.8 m范围内的钢拱架、锚杆、喷混凝土。

4) STEP23-1：施加二次衬砌，回填灌浆工况，二次衬砌拱顶施加灌浆压力0.25 MPa。

5) STEP23-2：运行期(有外水、无内水工况)，外水压力等荷载：地下水埋深200 m，参考地质资料参数的建议，外水折减系数取0.15，则外水压力水头30 m，即0.3 MPa。

6) STEP24：运行期(内水、外水均施加工况)，二衬内水压力：二衬内净高6.15 m，过水高度按0.8净高，即0.049 MPa。

计算成果分析发现，若按现有的支护措施，则初期支护压应力和锚杆拉应力过大[2]，因此又设定了一种优化方案L2作为比较，见表3中的说明。方案L2在隧洞底部增设钢拱架，采取围岩超前加固措施，考虑支护延迟1.8 m。其中，注浆加固部位的岩体变形模量增加7 GPa，内聚力C值增加至1 MPa，摩擦角增加至40°，该取值参考了南水北调中线工程北京段暗挖隧洞专题研究的经验。

表3 f91断层V类围岩隧洞模拟方案

4 支护方案比较

4.1 方案L1

开挖边界向洞内变形见图3。洞顶向下位移51.0 mm，边墙中部向内位移94.3 mm；因洞底在施工期无支护，洞底回弹量相对较大，达到308.2 mm，在实际施工中洞底土体的部分回弹变形极有可能因开挖清除而得不到显示。

图3 方案L1围岩位移矢量(m)

喷混凝土多数部位处在受压力状态，其中喷混凝土拱顶为环向受压，边墙上下部垂直向受压；但边墙中部内缘局部有拉应力出现，拉应力大处有局部拉裂的可能[3]。混凝土的拉压应力均较大，超过混凝土强度设计值。喷混凝土应力见图4-图6。

代表性断面钢拱架截面最大MISES应力的包络见图7。拱顶MISES应力相对较大，最大MISES应力为287 MPa，小于钢材的屈服强度345 MPa。

图4 方案L1代表性断面喷混凝土应力矢量(Pa)

图5 方案L1喷混凝土第一主应力(σ拉 /Pa)

图6 方案L1喷混凝土第三主应力(σ压 /Pa)

图7 方案L1钢拱架MISES应力(Pa)

代表性断面锚杆拉应力情况见图8。边墙锚杆的拉应力远大于拱顶的，此受力规律与隧洞断面形式有关：圆拱外部形成压力拱、围岩呈压紧状态，边墙在地应力作用下内鼓[4]。圆拱部位的锚杆拉应力基本小于锚杆抗拉强度设计值360 MPa，边墙部位的锚杆拉应力远超过锚杆抗拉强度设计值。

4.2 方案L2

采用隧洞底部增设钢拱架，超前加固措施，并延迟1.8 m支护，喷混凝土支护压应力比方案L1减少20%，见图9。钢拱架截面最大MISES应力259 MPa，小于钢材屈服强度，见图10。锚杆拉应力比方案L1减少30%，截面拉应力超过300 MPa的锚杆数量比L1减少，这些锚杆位于隧洞边墙下部，见图11。

图8 方案L1代表性断面锚杆轴向应力S11(Pa)

图9 方案L2喷混凝土主压应力(Pa)

图10 方案L2钢拱架MISES应力(Pa)

图11 方案L2锚杆轴向应力S11(Pa)

由方案L2的分析可知，超前加固围岩及适当地延迟支护，支护结构应力降低比较明显，但同时发现混凝土压应力仍然较大、超过25 MPa的范围仍然多。因此建议考虑在采取超前加固围岩的基础上，再适当的延迟混凝土喷护，以将围岩应力再多释放一些[5]。锚杆和围岩之间的变形，会存在一定的自适应调整，锚杆应力会有所减小，因此建议考虑锚杆及时跟进[6]。

5 结 论

通过对穿越f91断层的钻爆法开挖TBM通过洞的多支护方案成果对比之后，结论如下：

1) 当前洞段在既有开挖支护方案和岩体力学参数下，喷混凝土支护呈环向受压状态，但压应力过大，超出设计强度。边墙处锚杆拉应力过大，超过设计强度。钢拱架应力满足强度要求。

2) 在底部施加钢拱架，增加隧洞水平向的支撑作用，因此大幅度降低了边墙锚杆的拉应力[7]。但是喷混凝土的压应力仍然很高，可考虑采取超前加固围岩的措施来缓解这种状况。底部钢拱架由于承担过多的横向压力而造成应力过大，可考虑在洞底喷射混凝土，以分担底部钢拱架的承载。采用超前加固围岩并延迟支护后，支护结构应力降低比较明显，但同时发现混凝土压应力仍然较大，因此建议考虑在采取超前加固围岩的基础上，再适当延迟混凝土喷护，以将围岩应力再多释放一些。锚杆和围岩之间的变形，会存在一定的自适应调整，锚杆应力会有所减小，因此建议考虑锚杆及时跟进。

依据数值模拟计算结果，综合比较分析后采用底部施加钢拱架、超前加固及延迟喷护混凝土的支护设计方案。该支护方案在实际施工中达到良好的效果，对类似工程的隧洞穿越断层破碎带的支护措施具有一定的参考价值。