巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆水电工程TBM安装洞一次支护设计.docx

·46·水利水电工程设计DWRHE·2014年第33卷第3期

巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆水电工程TBM安装洞一次支护设计

李永胜周志博李传夫

摘要运用有限元PHASE2对巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆水电工程TBM地下安装洞室的稳定性进行分析计算，研究洞室形状、支护措施及预应力大小等因素对洞室位移变形及塑性区的影响。

关键词TBM安装洞地下洞室围岩位移有限元(PHASE2)

中图分类号TV672+.1文献标识码B文章编号1007-6980(2014)03-0046-03

尼拉姆-吉拉姆水电工程位于巴基斯坦AZADJAMMUKASHMIR州，为长隧洞引水式水电站。引水隧洞总长28.6km(单线洞和双线洞交错布置),共设置5条施工支洞(分别为A1~A5),其中A1、A3支洞间的引水隧洞长15881m,是本工程的关键线路和施工难点，故在此段引水隧洞部分地段采用开敞式TBM进行掘进施工。TBM施工段为双线洞，2台TBM自下而上掘进，单台TBM掘进长度约为11km,设计纵坡为0.7783%,设计开挖直径为8.53m。

安装洞为马蹄形，净尺寸为：60m×14.6mx19.5m(长x宽×高),TBM在引水隧洞左右洞内分别组装完成。

1TBM安装洞二维弹塑性有限元分析

采用加拿大Rocscience公司有限元软件PHASE28.0对TBM安装洞进行二维弹塑性平面应变的应力及变形分析，掌握了洞室的围岩应力状态及变形情况，对其稳定性进行分析评价，确定洞室的支护参数。

1.1计算输入

1.1.1围岩类别

TBM安装洞室布置在Ⅲ类以上的围岩中。1.1.2计算模型及网格剖分

设计过程中为研究洞室形状的影响，选用了城门洞和马蹄形2种断面。计算模型采用6节点三角形单位进行网格剖分，运用Mohr-Coulomb准则模拟其塑性屈服特征。

计算模型两侧为水平约束，底部采用角支座竖向约束，地表自由。根据圣维南原理计算模型取为：左右及下侧取5倍的洞径，上部取700m,

见图1。

1.1.3地应力场

安装洞埋深约700m,为深埋洞室，构造应力为主要应力场，但由于缺乏实际地应力测试资料，地应力按自重应力进行计算。根据Sheorey(1994)提出的理论公式，水平向和竖向应力比值按照下式进行初步估算。

式中：k——水平向和竖直向应力比值；Z———隧洞埋深；

E——隧洞埋深上部各地层的平均变形模量。

1.1.4安装洞围岩物理参数

安装洞围岩物理力学参数如表1所示。

表1安装洞围岩物理力学参数表

岩体密度/变形模泊松黏聚力峰残余黏聚摩擦残余摩擦

分类(g·m)量/MPa比值/MPa力/MPa角/0)角/()

Q?/Q?25-2.720.0000.25

2.520

1.770

51

45.00

Q?

25~2.715.0000.25

2.000

1.400

43

39.00

Q?

2.5~2.7100000.25

1.500

0.900

40

30.00

Qs

2.5~2.75.0000.25

1.284

0.804

38

28.27

1.2计算工况设计

计算工况见表2。利用工况1和2计算结果对比研究洞室形状对洞室稳定的影响，并根据塑性区域范围确定锚杆支护范围；利用工况2、3、4计算结果对比研究支护措施及预应力对隧洞稳定的影响。

表2计算工况

计算工况

隧洞形状

支护措施

预应力/kN

工况1

城门洞

无

工况2

马蹄形

无

工况3

马蹄形

有

0

工况4

马蹄形

有

150

李永胜等·巴基斯坦尼拉姆-吉拉姆水电工程TBM安装洞一次支护设计.47

垂直位置/m垂直位置

垂直位置/m

垂直位置

水平位置/m(a)工况1

水平位置/m

(b)工况2、3、4

图1有限元模型

2有限元结果分析

2.1围岩变形

各工况围岩开挖后围岩变形分布趋势大致一致，但由于洞室形状及支护措施不尽相同，使得围岩受力状况改变，进而最大位移及屈服区均有改变。

城门洞断面顶拱受力条件好，但直墙段出现较大变形，参见图2,而马蹄形断面受力条件相对较好，使得洞室周围变形变得相对均一，且变形较小。工况1最大变形36.0mm,出现在直墙中间位置；工况2、3、4最大变