龚熙桥，刘登学，孙 云，黄书岭，张雨霆

(1.云南省滇中引水工程有限公司，云南 昆明 650000；2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北 武汉 430010)

1 概述

随着我国“十四五”时期国家水网重大工程建设的大力推进，一大批重大引调水工程将被修建。在高山峻岭地区修建引调水工程，大多采用长距离隧洞输水方式。鉴于在机械化施工水平上面的优势，TBM(Tunnel Boring Machine)开挖方式已经成为修建长距离隧洞(道)重要选择[1- 6]。由于同传统的钻爆法施工方式存在明显区别，采用TBM开挖后的隧洞围岩卸荷响应特征也存在显著差异。严鹏等[7]采用理论分析方法，对比了钻爆和TBM两种开挖方法下隧洞围岩损伤特性。冷先伦等[8]通过构建损伤本构模型，研究了南水北调西线工程TBM掘进条件下隧洞围岩的损伤特征。程建龙等[9]基于所建立的完整TBM数值分析模型，探明了不同类型复合地层中双护盾TBM与围岩的相互作用机制。黄兴等[10]通过开展三轴卸围压试验，揭示了TBM开挖条件下深部软岩地层围岩变形破坏特征。滇中引水工程香炉山隧洞TBM掘进洞段地质条件复杂，施工技术难度大，为此，本文采用现场监测和三维数值仿真2种手段，分析香炉山隧洞滇中引水工程香炉山隧洞敞开式TBM掘进洞段围岩开挖卸荷响应特征，以期为该洞段隧洞支护方案优化及围岩稳定安全控制提供参考。

2 工程背景

2.1 工程概况

香炉山隧洞起于丽江市玉龙县石鼓镇望城坡，止于大理州鹤庆县松桂镇河北-河西村一带，途经丽江市玉龙县和大理白族自治州鹤庆县，线路长约62.596km，最大埋深1450m，是滇中引水工程最长的深埋隧洞，是整个滇中引水工程的控制性工程。

隧洞断面为圆形，采用无压输水，设计流量135m3/s。隧洞采用“TBM法+钻爆法”组合法施工方案，钻爆法施工主要是针对活动断层、埋深相对浅的不良地质段，其它洞段均采用敞开式TBM施工。TBM掘进段总长35.52km，隧洞衬砌后TBM段隧洞直径为8.4～8.5m。

2.2 TBM掘进洞段地质条件

TBM施工隧洞段位于微新岩带，岩性为灰岩、白云岩、玄武岩及砂泥页岩等，其中灰岩、白云岩等属较完整岩体，玄武岩属较完整-完整岩体，局部完整性较差，砂、泥页岩属较破碎-较完整岩体。根据隧洞围岩详细分类统计：TBM掘进段Ⅲ类围岩累计洞段长16.662km；Ⅳ类围岩累计洞段长14.684km；Ⅴ类围岩累计洞段长4.171km。Ⅳ、Ⅴ类围岩约占TBM隧洞长度的53%，TBM施工隧洞段岩体完整性和围岩类别总体偏差。

香炉山隧洞工程地形地质条件复杂，跨越金沙江与澜沧江分水岭，沿线穿越13条大断(裂)层。TBM施工段主要不良地质问题有：大埋深条件下的高外水压力问题、(岩溶)涌突水问题、高地应力下软岩(含断层破碎带)大变形问题、高地应力下硬岩岩爆问题及可能的高地温问题和有毒有害气体问题等，工程风险较大，技术难度居世界前列。

3 敞开式TBM掘进特点及初期支护设计方案

3.1 敞开式TBM掘进特点

从香炉山隧洞地质条件、工期、造价等多方面综合比选，隧洞最终确定采用2台敞开式TBM进行TBM洞段的开挖掘进[11- 12]。敞开式TBM依靠撑靴结构提供反力，实现其掘进所需的反推力和反扭矩，主要适用于岩石整体较为完整，有较好自稳性的中硬岩地层[13]。当遭遇软岩地层或断层破碎带时，可依靠L1区和L2区设置的拱架安装器、钢筋排支护系统、锚杆钻机、喷混等设备对围岩进行加固[14]，如图1所示。锚杆钻机钻孔与掘进可同步进行，首杆钻孔深度大于4m，接杆钻孔深度大于8m，采用无线遥控操作方式，L1区锚杆钻机覆盖上部180°围岩，L2区锚杆钻机覆盖下部180°围岩。混凝土喷射系统可环向覆盖围岩270°。相对于护盾式TBM，敞开式TBM护盾长度较短，在穿越断层或软岩大变形洞段时，卡机发生概率相对较低。此外，采用敞开式TBM施工，待护盾通过后，可直接观测到围岩岩性的变化，便于地质图的绘制。

图1 敞开式TBM分区支护设备示意图

3.2 TBM掘进洞段初期支护设计方案

敞开式TBM掘进洞段主要采用架立钢拱架、打设锚杆、布置钢筋网、喷混凝土等初期支护措施。香炉山隧洞TBM掘进洞段不同围岩类别的初期支护设计方案如图2所示，具体支护参数如下：

(1)Ⅲ类围岩，埋深小于1000m洞段。边顶拱270°范围布设Φ25砂浆锚杆，锚杆长度4.0m，间距1.5m；边顶拱270°范围喷10cm厚C25混凝土，并挂φ6.5@15cm×15cm钢筋网；架设全断面H125型钢拱架，间距100～200cm。

(2)Ⅳ类围岩，埋深小于1000m洞段。全断面布设Φ25中空注浆/砂浆锚杆，锚杆长度5.0m，间距1.25m；边顶拱270°范围喷15cm厚聚丙烯粗纤维C25混凝土，并挂φ6.5@15cm×15cm钢筋网；架设全断面H125型钢拱架，间距100cm。

(3)Ⅴ类围岩。全断面布设Φ25中空注浆锚杆，锚杆长度6.0m，间距1.25m；边顶拱270°范围喷15cm厚聚丙烯粗纤维C25混凝土，并挂φ8@15cm×15cm钢筋网；架设全断面H150型钢拱架，间距50cm。

4 基于现场监测数据的围岩开挖卸荷响应特征分析

4.1 围岩变形

不同围岩类别典型断面的隧洞拱顶下沉变形监测曲线如图3—5所示。Ⅲ类围岩典型断面埋深为878.52m，实测左右拱顶下沉变形量值分别为15.8、15.6mm，围岩下沉变形在起测33d后逐渐趋于收敛；Ⅳ类围岩典型断面埋深为866.07m，实测左右拱顶下沉变形量值分别为21.5、20.4mm，围岩下沉变形在起测26d后逐渐趋于收敛；Ⅴ类围岩典型断面埋深为967.68m，实测左右拱顶下沉变形量值分别为30.3、25.7mm，围岩下沉变形在起测44d后逐渐趋于收敛。

从以上分析可知，3种不同围岩典型断面中，Ⅴ类围岩变形量值最大，一方面是由于该断面围岩岩性较差，另一方面原因为该断面埋深最大；不同围岩类别典型断面拱顶下沉均表现为左侧拱顶下沉变形量值大于右侧，且下沉变形一般在起测后26～44d内开始逐渐呈现收敛状态。还可以看出，Ⅳ类围岩典型断面的收敛时间要短于Ⅲ类围岩，主要是由于所选的Ⅳ类围岩典型监测断面的埋深要大于Ⅲ类围岩。但需要指出的是，受TBM工作环境制约，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，故所监测到得变形量值要比由于隧洞开挖所引起的围岩变形量值小的多。

图2 不同围岩类别隧洞初期支护设计方案

图3 Ⅲ类围岩典型断面拱顶下沉变形监测曲线

图4 Ⅳ类围岩典型断面拱顶下沉变形监测曲线

图5 Ⅴ类围岩典型断面拱顶下沉变形监测曲线

4.2 支护受力

典型断面钢拱架应力随TBM掘进变化规律如图6所示。该断面埋深为975.86m，岩性主要为砂岩、泥质砂岩夹泥岩，局部围岩相对较为破碎，为Ⅴ类围岩。从图6中可以看出该断面钢拱架受力不均，具体表现为：拱顶处最大，其次左拱肩，最小是右拱肩。钢拱架应力随TBM掘进变化过程可分为3个阶段：在第①阶段，随TBM向前掘进，围岩应力释放，钢拱架应力逐渐增大；在第②阶段，撑靴的经过，引起加卸载，钢拱架应力呈现先增大再减小的变化规律；在第③阶段，随着前方掌子面的远离，钢拱架应力随时间渐趋稳定。

图6 典型断面钢拱架应力-时间曲线

5 基于三维数值仿真的围岩开挖卸荷响应特征分析

受TBM工作环境制约，围岩变形监测及支护受力监测工作相对滞后，所捕获的监测数据不能完全真实反映隧洞围岩开挖卸荷响应特征。通过对敞开式TBM施工过程开展三维数值仿真工作，可为复杂地层深埋隧洞敞开式TBM掘进洞段开挖卸荷响应特征分析提供有益参考。

5.1 初始计算条件

5.1.1计算分析洞段及初始地应力场

选取香炉山隧洞桩号DLI56+306作为计算分析洞段，该洞段埋深为866.07m，岩性主要为泥质灰岩、砂泥岩、泥岩，Ⅳ类围岩。根据项目现场地应力测量结果，该区域隧洞高程范围内，水平最大主应力σH占主导地位，垂直应力σz次之，水平最小应力σh量值最小。3个主应力之间的定量关系可归纳为σH=1.3σz，σh=0.65σz。水平最大主应力σH方向与洞轴线方向基本垂直。

5.1.2计算模型及岩体力学参数

采用商用软件FLAC3D进行敞开式TBM开挖过程的三维数值模拟计算。计算模型如图7所示，计算分析模型全部采用六面体单元进行剖分，共计剖分122496个单元，125759个节点。模型范围为：垂直水流向150m，顺水流向120m，铅直方向150m。在顺水流方向上，模型中间部位每一层的网格厚度为1.0m，隧洞周边的径向网格尺寸控制在0.5m以内。需要说明的是，DLI56+531断面隧洞埋深为878.52m，模型中隧洞上覆岩体为75m。但在计算过程中，又施加了上部791.07m厚覆盖层的自重应力。计算中采用弹塑性本构模型和Mohr-Coulomb屈服准则进行模拟分析。岩体力学参数取值见表1。

图7 计算分析模型

表1 岩体参数计算取值

5.2 敞开式TBM开挖施工计算分析方法

根据3.1节对敞开式TBM掘进特点的描述，建立了敞开式TBM开挖施工的计算方法。敞开式TBM在洞轴线方向上的刀盘+护盾累积长度取6m，考虑到在刀盘+护盾的区间内，围岩虽已出露但尚无作业条件进行支护措施的施加，故对该区间内的围岩不考虑初期支护措施的作用。当围岩出露护盾后，根据敞开式TBM L1和L2分区支护的特点，随掌子面逐步推进的方式再施加初期支护措施。其中钢拱架采用FLAC3D中的beam单元模拟，锚杆采用cable单元模拟，喷层采用实体单元模拟。

5.3 围岩开挖卸荷响应特征分析

5.3.1围岩变形

图8给出了计算模型开挖完成后监测断面(位于模型中部)围岩变形量值及变形矢量。开挖完毕后，洞周围岩变形量值在20.9cm以内，洞周围岩变形矢量指向洞内。监测断面围岩变形随着掌子面推进的变化曲线如图9所示。从图9中可以看出，掌子面推进过程中的围岩变形可分为掌子面前方变形和掌子面后方变形，其中，掌子面还未通过监测断面时引起额围岩变形增量为：拱顶6.3cm，边墙7.5cm；掌子面在通过监测断面后的围岩变形增量为：拱顶13.5cm，边墙10.1cm。此外，在距掌子面最近的6m范围内(即“TBM刀盘+护盾”区间)，初期支护无法在开挖后立刻施加，可算得从开挖出露到具备初期支护施作条件前，围岩在无支护条件下发生的增量变形为：拱顶10.7cm，边墙7.7cm，这部分变形可为判断TBM掘进过程中是否出现卡机问题提供参考。

图8 模型开挖完成后监测断面围岩变形量值及变形矢量

图9 随掌子面推进监测断面围岩变形的变化曲线

5.3.2围岩应力

图10给出了计算模型开挖完成后监测断面(位于模型中部)围岩第一主应力和第三主应力分布图。开挖完成后，围岩第一主应力最大值为-39.1MPa(负值表示受压)，出现在拱顶和底板处的围岩内部，距开挖面大致为5m；受开挖卸荷影响，开挖面附近围岩出现应力松弛现象，具体表现为开挖面浅部围岩的第一主应力量值和第三主应力量值均较小，分别为-3.3、-0.2MPa，但未出现拉应力。

图10 模型开挖完成后监测断面围岩主应力

在监测断面拱顶不同深度围岩位置设置了2个监测点(C点和D点)，其中C点位于开挖面表层单元，D点所在单元距开挖面为5m。记录了C点和D点所在单元的围岩第一主应力随掌子面推进过程中的变化规律，如图11所示。由图11可知，随掌子面推进，C点围岩第一主应力大小变化大致可分为6个阶段：在第1阶段，掌子面距监测断面较远，TBM掘进开挖对C点围岩第一主应力影响不大，C点处围岩基本还处于初始应力状态；在第2阶段，掌子面推进至离监测断面4～12m位置时，监测点C处的围岩第一主应力逐渐增加，并出现应力集中现象，且当掌子面距监测断面4m时，监测点C处的围岩第一主应力达到峰值(-37.9MPa)；在第3阶段，掌子面继续推进并开始通过监测断面，监测点C处的围岩应力快速释放，至掌子面通过监测断面2m后，监测点C处的围岩应力释放基本完成；在第4阶段，监测断面处于TBM护盾范围内，监测点C处的围岩第一主应力基本无变化；在5阶段，监测断面移出护盾范围，随着初期支护的施加，监测点C处的围岩第一主应力有一定程度的恢复；在第6阶段，随着掌子面的逐渐远离，监测点C处的围岩第一主应力基本不再变化。不同于C点，D点围岩第一主应力随掌子面推进过程中的变化曲线大致可分为3个阶段，在第1阶段，掌子面距监测断面较远，TBM掘进开挖对D点围岩第一主应力影响不大，D点处围岩基本还处于初始应力状态；在第2阶段，掌子面逐渐接近并通过监测断面，监测点D处的围岩第一主应力开始持续增加，并出现应力集中现象；在第3阶段，随着掌子面逐渐远离监测断面，D点处的围岩第一主应力基本趋于稳定。

图11 随掌子面推进监测断面围岩第一主应力的变化曲线

5.3.3围岩塑性区

图12给出了计算模型开挖完成后监测断面塑性区分布图。开挖完成后，围岩塑性区以剪切屈服为主，仅浅层围岩呈现拉伸屈服，拱顶部位的塑性区深度为5m，边墙部位的塑性区深度为4m，基本满足锚固支护长度应超出塑性区深度的要求。

图12 模型开挖完成后监测断面围岩塑性区分布

5.3.4支护受力

图13给出了计算模型开挖完成后监测断面锚杆受力图，从图13中可以看出，监测断面锚杆受力最大值29.4MPa，出现在两侧边墙中部；下半空间的锚杆受力明显小于上半空间，这是由于下半空间的锚杆是在L2区施加，显著滞后于在L1区施加的上半空间锚杆。图14为监测断面拱顶处锚杆应力随掌子面推进的变化曲线，可以看出，锚杆施加后，随着掌子面的持续向前推进，其应力持续增加，至掌子面至距监测断面26m时，拱顶处的锚杆应力值才开始呈现逐渐收敛的态势。以上分析可知，隧洞开挖后，锚杆应力值较小，腰线以下的锚杆表现最为显著，可作适当优化。

图13 模型开挖完成后监测断面锚杆受力(单位：Pa)

图14 随掌子面推进监测断面拱顶处锚杆受力的变化曲线

图15给出了计算模型开挖完成后监测断面钢拱架受力图，钢拱架在开挖模拟计算中设置的承力上限为400MPa，从图15中可以看出，监测断面底拱部位钢拱架已达承力上限，拱顶部位和边墙部位钢拱架应力值分别为333、180MPa，整个断面钢拱架受力平均值为268MPa。图16为监测断面拱顶处钢拱架应力值随掌子面推进的变化曲线，可以看出，钢拱架施加后，随着掌子面的持续向前推进，其应力持续增加，至掌子面至距监测断面26m时，拱顶处的钢拱架应力值才开始呈现逐渐收敛的态势，同拱顶处锚杆应力值变化规律基本一致。

图15 模型开挖完成后监测断面钢拱架受力(单位：Pa)

图16 随掌子面推进监测断面拱顶处钢拱架应力的变化曲线

6 结论

采用现场监测和三维数值仿真2种手段，对滇中引水工程香炉山隧洞敞开式TBM掘进洞段围岩开挖卸荷响应特征进行了分析，主要结论如下：

(1)在敞开式TBM掘进过程中，通过在围岩表面或内部及支护结构上布置监测仪器，可较为直接获取围岩开挖卸荷响应特征，但受TBM工作环境制约，围岩变形监测及支护受力监测工作相对滞后，所捕获的现场监测数据往往具有一定的局限性。

(2)通过建立敞开式TBM的仿真模型，对敞开式TBM掘进过程进行数值模拟工作，以此获得围岩变形、应力及支护结构受力随掌子面推进的变化规律，可为隧洞支护设计优化及TBM掘进过程中卡机问题的预测和判断提供参考。