王洁;刘波;孙金山;郭鸿俊
【摘 要】In TBM pilot tunnel expand tunneling method,the arrangement of the pilot tunnel has important influ-ence on the stability of surrounding rock masses,support and expand excavation. The construction scheme of TBM pi-lot tunnel expand excavation method was studied. Through the finite element numerical simulation technique,the in-fluence of the pilot tunnel on the stability of the surrounding rock masses of railway tunnel was analyzed. And,the in-fluence of the position of the pilot tunnel on the subsequent blasting excavation construction was discussed. It was suggested that TBM pilot tunnel should be arranged at the slightly lower top part of the tunnel section,and the mini-mum distance between the outline of the pilot tunnel and the outline of the tunnel should be about 0.5 m.%岩石隧道掘进机(TBM)导洞扩挖法修建长大隧道时导洞位置的布置对围岩稳定性、支护、扩挖施工存在重要影响,为了对TBM导洞法的导洞布置方案进行了优选,采用有限元数值模拟技术,分析了在较软弱岩体中导洞处于铁路隧道不同部位时对围岩稳定性的影响,并讨论了导洞位置对后续爆破扩挖施工组织的影响.研究表明:TBM导洞布置在断面顶部略向下的位置,且导洞外轮廓与隧道最终轮廓线最小间距宜为0.5 m左右.
【期刊名称】《南昌大学学报（工科版）》 【年(卷),期】2017(039)003 【总页数】4页(P254-257)
【关键词】隧道;岩石隧道掘进机;导洞;开挖;施工 【作 者】王洁;刘波;孙金山;郭鸿俊
【作者单位】长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处,湖北武汉430010;长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处,湖北武汉430010;中国地质大学(武汉),湖北武汉430074;长江勘测规划设计研究有限责任公司施工处,湖北武汉430010 【正文语种】中 文 【中图分类】U455
岩石隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)是一种集开挖、支护和出渣功能为一身的先进隧道施工机械[1]。TBM法隧道的断面以圆形为主，直径一般为1.0～16 m，对于大断面及超大断面隧道，采用TBM进行全断面开挖经济性不佳，且技术难度大。为此，意大利、日本等一些国家研发了TBM超前掘进导洞后再进行钻爆法扩挖的工艺[2-4]。TBM导洞扩挖法是发挥TBM掘进效率和安全性高的优势，先在大断面隧道中开挖中小直径的TBM导洞，待导洞完全贯通后，形成良好的交通和通风系统，再采用钻爆法扩挖，形成大断面隧道的一种隧道施工方法。这种方法充分发挥了TBM和钻爆法的优势，具有较好的经济性，然而，目前该技术在我国还未得到推广应用，原因有多方面，其中隧道所处地质条件较为复杂是原因之一[5-6]。由于TBM导洞法施工过程较为复杂，目前国内并未实际应用，但许多设计施工单位已经对施工方案进行了初步设计[6]，许多学者曾对常规导洞法施工开展了相关研究[7-9]，但对TBM导洞法的施工方案的研究相对较少[10]，为此，本文结合工程需求对导洞布置方案开展了理论分析。采用有限元模拟技术分析了TBM导洞处于铁路隧道不同部位时对围岩稳定的影响，最终确定于导洞的最佳位置。
采用TBM进行导洞施工时，当隧道围岩较为软弱时，导洞布置方案的差别势必会导致扩挖后围岩稳定性的差异，为此以某客运专线铁路隧道工程为背景，采用Plaxis 3D有限元计算软件，对导洞位置对围岩稳定性的影响进行了分析。 1.1 有限元模型
某客运专线铁路正线全长约603.6 km，隧道112座，总长216.31 km，占线路全长45.3%。由于隧道众多，为加快施工进度，在总体设计阶段对部分特长隧道采用TBM导洞扩挖法进行可行性分析。
该线路中某隧道整体以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主，部分为软弱的Ⅴ级围岩。为分析TBM导洞位置对隧道扩挖时稳定性的影响，对Ⅳ级围岩段埋深100 m左右的单线和双线客运专线隧道进行了分析。单线隧道断面最大跨度5.4 m，导洞直径为5 m。双线铁路隧道断面最大跨度14.6 m，导洞直径为5 m。
有限元模型采用摩尔-库仑屈服准则模拟岩体的强度特征，岩体弹性模量E=5 GPa，泊松比μ=0.25，内摩擦角φ=30°，凝聚力c=0.3 MPa，容重γ=26 kN·m-3。竖直方向地应力为2.6 MPa，地应力侧压力系数λ=1.5。
为简化计算仅考虑导洞未支护的方案，且考虑隧道的对称性，仅建立了1/2模型，隧道断面和有限元模型如图1和图2所示。模拟过程中，认为导洞完全贯通后再进行扩挖。
1.2 导洞位置对单线隧道稳定性影响
分别对单线隧道导洞位于断面顶部、中部、底部时的围岩位移场和塑性区进行了计算。重点分析了扩挖掌子面，扩挖掌子面后方1.5倍跨度处断面(该断面不受扩挖掌子面影响)处的塑性区特征。计算结果显示(如图3～图5)，隧道扩挖后的最大变形量基本相同，大致为10 mm左右。
导洞对扩挖后断面的塑性区存在一定的影响；导洞位于最终断面的顶部时，将在掌子面的顶部和扩挖后断面拱顶形成一定范围的塑性区，相对不利；导洞位于中部时，
掌子面上塑性区范围较大，掌子面前整个开挖轮廓上的围岩几乎全部屈服；导洞位于底部时，掌子面上塑性区范围也较大，同时在开挖轮廓边界上形成张拉屈服区，但厚度不大，掌子面前整个开挖轮廓上的围岩几乎全部屈服，并使底部围岩在扩挖前便发生屈服(见表1)。因此，导洞位于断面顶部时对围岩稳定性略有利。 1.3 导洞位置对双线隧道稳定性的影响
分别计算了双线隧道导洞位于断面顶部、中上部、中部、底部、右下部时围岩位移场和塑性区。同样分析了扩挖掌子面，扩挖掌子面后方1.5倍跨度处断面(该断面不受扩挖掌子面影响)处的塑性区特征。计算结果显示(如图6～图10)，隧道扩挖后的最大变形量基本相同，大致在4.75～5.2 mm左右。
导洞对扩挖后断面的塑性区存在一定的影响，导洞位于最终断面的顶部时，将在掌子面断面的顶部和扩挖后断面拱顶形成一定范围的张拉塑性区，相对不利；由于双线隧道断面较大，所以导洞位于中上、中、底部时，对围岩的扰动情形类似；导洞位于右下部时，使边墙处围岩在扩挖前便发生屈服，对围岩稳定性略不利(见表2)。因此整体而言，导洞位于最终断面的顶部和底部时对围岩稳定性略为有利。 TBM导洞扩挖施工时，导洞位置对后续钻爆法或TBM法扩挖的施工组织也存在不同的影响。
1) 导洞位于顶部时，有利于后续扩挖时施工通风、排烟；有利于对不良地质地段超前预加固，由于与最终开挖边界存在薄层岩体，爆破钻孔难度大。
2) 导洞位于顶部略向下时，有利于施工通风、排烟，改善作业环境；对不良地质超前预加固较有利；当导洞外轮廓与隧道外轮廓最小距离为0.5 m左右时，利于钻爆法扩挖。
3) 导洞位于中部时，有利于钻爆法的钻孔施工，爆破作业效率高，但采用台阶法施工时由于导洞底部为弧形，对出渣运输不利。
4) 导洞位于底部时，导洞的通风散烟效果差；可降低地下水位，有利于施工排水；
对顶部围岩进行超前加固时难度较大。
5) 导洞位于边墙侧时，对通风散烟，预加固以及爆破施工均无有利条件。 针对TBM导洞的布置问题，对TBM导洞位置
对围岩稳定性和施工组织的影响进行了分析，得到了如下结论：
1) 在软弱地层中导洞位置对单线和双线隧道的稳定性影响差别不显著，总体而言，导洞位于顶部和底部时略微有利。
2) 导洞位置对扩挖法施工时的施工组织影响相对较大，导洞位于断面的顶部略向下时，利于施工通风和顶部的预加固，也便于导洞与最终断面间岩体的挖除。 3) 综合考虑对围岩稳定性和施工组织的影响，TBM导洞宜布置在断面顶部略向下的位置，且导洞外轮廓与隧道最终轮廓线最小间距宜为0.5 m左右。
【相关文献】
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