TBM地下组装洞室的结构设计与稳定性分析

李文富;刘亮

【摘 要】辽宁省大伙房水库输水工程由于受地形、地貌限制,施工时有两台TBM必须进行洞内组装.本文介绍了TBM洞内地下组装洞室的结构设计情况,并通过有限元方法对最大断面的主机室进行了稳定性分析. 【期刊名称】《水利建设与管理》 【年(卷),期】2014(034)010 【总页数】4页(P28-31)

【关键词】TBM;地下组装;洞室;稳定分析;有限元法 【作 者】李文富;刘亮

【作者单位】辽宁省水利厅,沈阳110003;辽宁润中供水有限责任公司,沈阳 110006

【正文语种】中 文 【中图分类】TV222

辽宁省大伙房水库输水工程主体为自流输水隧洞，全长85.32km，隧洞底坡度1/2380。隧洞开挖采用以TBM掘进机开挖为主、钻爆法开挖为辅的联合施工方法。TBM施工分为3个合同段，其中洞室最大埋深约600m，最小埋深约100m。与传统大型设备相比，TBM 体积庞大、重量惊人，总体长度至少 150多m，总重达上千吨，单个构件最重达80 多t，并且是机械、电子、计算机和自动化等技术高度集成的现代化施工设备，所以一般均先在工厂组装调试，然后分割成多个构件，

再运到工地组装。而在工地组装时又分为洞内组装及洞外组装两种方式。洞外组装条件相对好一些，一是受场地因素影响小，二是可以利用各种机械辅助帮忙；而洞内组装相对难度较大，主要是受到场地空间的限制。由于水利工程自身的特点，大多数工程位于高山、丘陵地区，隧洞埋深大。长隧洞采用多台TBM同时进行施工时，受地形地貌、外界环境等多方面条件的限制，有些TBM在组装时不得不选择在洞内进行。

根据大伙房水库输水工程所处的地形、地貌条件，由于隧洞出口包含在TBM3施工段内，因此该施工段具备TBM洞外组装的条件。此外，另两台TBM施工段不具备TBM洞外组装的条件。必须进行TBM洞内组装，原因如下：

a.施工支洞坡度在10%左右，若先在洞外组装，组装完的掘进机主机重量将达到几百吨，将如此重的物体通过施工支洞运至主洞内是非常困难和危险的。 b.由于掘进机的刀盘直径为 8.0m，如果在洞外安装完成后通过支洞运至主洞内，则支洞的直径需达到9.0m 左右，与洞内安装方式所需支洞断面尺寸(6.6m×6.0m)相比，将大大增加工程量，从经济角度考虑也不是合适的。

c.如果掘进机在洞外全部组装完成，采用通过自身行走机构通过支洞进入主洞的方法，则需要很长时间，而且还要考虑它的转弯半径，因此影响工期、增加施工难度。另外，根据实际地形地貌条件，也很难找到合适的TBM运进支洞。

通过以上原因分析，大伙房输水工程TBM1、TBM2两个施工段的TBM组装必须在洞内完成，这样就需要合理设计TBM的地下组装扩大洞室，做到既安全稳定，又经济合理。

根据TBM施工段水文地质条件、TBM的形式、组装方式和所采用设备的型号以及刀盘直径，充分考虑组装洞室的功能特性、施工方法、衬砌结构的工作条件等因素，确定横断面形状和尺寸。TBM组装洞室开挖长度根据所选设备的外型尺寸和组装的需要，考虑TBM掘进机主机大件的摆放以及部件转运所必须的卸车区域等

而确定，确保TBM组装洞室满足TBM组装要求，施工方便、结构安全、设计合理。TBM 组装洞室由TBM服务区、TBM主机室、TBM步进洞和TBM出发洞组成，担负着 TBM 主机、后配套的安装、调试和 TBM 始发，以及布置主洞连续皮带机、各种施工材料及人员、TBM配件的有轨转运场等任务。

根据该工程具体情况，各TBM的组装洞室采用统一布置，组装洞室长度为310m，采用钻爆法施工。下面以TBM1组装洞室为例介绍TBM组装洞室结构的典型设计。 3.1 TBM服务区

TBM1服务区桩号22+535～22+610，长度为75m，主要作用是满足TBM皮带仓等后配套设施的布置，断面形式为圆拱直墙式断面。

服务区开挖断面尺寸为11.0m×11.21m，成洞断面尺寸为9.9m×9.402m，初期支护采用系统锚杆φ22，L=*********～1.2m，拱部挂钢筋网φ8@200×200，C30喷射混凝土厚度为0.25m，二次模筑C30钢筋混凝土厚度为0.3m。 3.2 TBM主机室

TBM1主机室桩号22+610～22+690，介于TBM服务区和步进洞之间，长度为80m，主要作用是作为TBM1的主机安装间，断面形式为圆拱直墙式断面。 主机室开挖断面尺寸为13.7m×18.5m，顶拱最大开挖宽度为15.9m，成洞断面尺寸为12.3m×17.04m。初期支护顶拱采用锚喷支护，加网喷混凝土层厚0.2m，钢筋网为φ8，间距为0.2m，系统锚杆为φ25、与预应力中空注浆锚杆φ28间隔布置，长度为4.0m，间排距为1.2m，钢支撑为格栅钢架G150，间距1.0m。边墙采用锚喷支护，加网喷混凝土层厚0.3m，钢筋网为φ8，间距为0.2m，岩壁吊车梁部位采用预应力中空注浆锚杆φ28间隔布置，间距0.5m，长4～6m。其余部位系统锚杆为φ25，长4.0m，间排距0.6～1.0m，二次模筑C30钢筋混凝土厚度为0.5m。 3.3 TBM步进洞

TBM1步进洞桩号22+690～22+820，介于TBM1主机室和出发洞之间，长度为130m，主要作用是让先期已经组完成的TBM前部进入步进洞，让出场地继续组装其中部和后部，并在整机组装完成后进行调试和试运转。步进洞为圆拱斜墙式断面。

步进洞开挖断面尺寸为9.1m ×9.25m，成洞断面尺寸为8.0m×8.0m，初期支护采用系统锚杆φ********，L=2.5m，撑靴部位以上挂钢筋网φ8@200×200，C30喷射混凝土厚度为0.15m，钢支撑采用格栅钢架*********，二次模筑C30钢筋混凝土厚度为0.4m。 3.4 TBM出发洞

TBM1出发洞桩号22+820～22+845，位于TBM1步进洞之后，长度为25m，主要作用是为TBM开始掘进提供足够支撑能力的出发场所，出发洞的断面形式为圆形断面。

出发洞开挖断面直径为9.1m，成洞断面尺寸为7.51m，初期支护采用随机锚杆φ*******，L=2.5m，撑靴部位挂钢筋网φ8@200×200，钢支撑为格栅钢架G150，间距1.2m。C30喷射混凝土厚度为0.15m，二次模筑C30钢筋混凝土厚度为0.645m。

根据设计，TBM地下组装洞室结构中主机室的洞室尺寸最大，施工最为复杂，TBM主要部件组装都要在该部位完成，因此，该部位的结构安全性和稳定性至关重要。为了确保安全、合理设计和施工，利用平面有限元法对TBM主机室稳定性进行了计算分析，通过建立TBM施工段主机室连续介质力学模型，利用弹塑性有限元数值模拟，计算分析主机室开挖过程中的围岩稳定性。

各TBM施工段主机室形状及尺寸相同，以围岩地质较差段为例进行了稳定性分析以及支护设计。主机室典型断面形状及支护情况见图1。 4.1 计算模型

数值分析采用弹塑性本构模型和D-P屈服准则，模拟洞室开挖采用了自下至上的开挖顺序，每4m为一个施工步，共5个施工步。每一级的开挖简化处理为一次性全断面开挖，开挖后及时进行支护，全部开挖后施加吊车梁荷载。

计算边界确定为3倍开挖宽度，模型左右两边采用水平向铰支座约束，下边界采用竖向铰支座约束，上边界自由延伸至地面。本次有限元数值分析，选择大型通用的结构分析商业软件ANSYS。 4.2 参数选取

计算参数见下页表1。 4.3 结果分析 4.3.1 位移分析

最终状态时，洞室上游边墙最大水平位移2.15mm，下游边墙最大水平位移为3.11mm，洞室的最大水平收敛位移为5.26mm，顶拱最大沉降位移为5.23mm，底板最大隆起位移为5.16mm。图2给出了洞室竖向位移云图,变形分析结果显示主机室变形稳定。 4.3.2 应力分析

开挖结束后最大主压应力为2.71MPa，发生在两侧边墙底脚处；最大主拉应力为0.98MPa，发生在底板中部，其中岩壁梁周围也有拉应力区出现，最大值为0.57MPa。从分析结果看出，应力处于稳定状态。图3和图4分别给出了最终状态的第一主应力分布云图和第三主应力分布云图。 4.3.3 内力分析

在设计支护参数条件下，经计算,支护最大内力值完全满足承载能力要求，说明在吊车荷载作用下，洞室是稳定的。

本文对辽宁省大伙房水库输水工程TBM组装方式进行了分析，重点对TBM采用洞内组装的情况进行了组装洞室的结构设计，并采用有限元分析方法进行了主机室

的结构稳定性分析。在TBM组装设计中，首先，要尽量采用在洞外组装TBM的方案，如确实需要在洞内进行TBM的组装，则应从工程实际出发，充分考虑组装洞室的功能特性、施工方法、衬砌结构的工作条件等，确保TBM组装洞室设计在满足TBM组装要求和工期要求的同时，做到施工方便、结构安全、设计合理，并且最大限度地减小工程投资。

【相关文献】

[1] 邓勇.大断面TBM组装洞室设计与施工[J].现代隧道技术，2010(1)：66-71.

[2] 黄柏洪，林聪俐，王哲.TBM主机安装间的设计简析[J].水利建设与管理，2007(10)：33-37. [3] 刘邵宝.TBM洞内组装洞室及其辅助洞室设计[J].建设机械技术与管理，2007(11)：97-101.