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【摘要】护盾式TBM在隧道工程掘进中，衬砌管片外弧面与围岩间会存在一定的空隙，采用现有的豆砾石回填灌浆方法主要存在豆砾石回填不饱满、管片上浮或者下沉，造成豆砾石填充层厚度不均匀。基于此，文章以尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道为工程依托，采用大型通用有限元软件ABAQUS对不同豆砾石填充层的TBM隧道进行了模拟，分析了豆砾石层在不同形状时对管片支护结构产生的影响，获得了衬砌管片变形、应力、内力的变化规律。
【关键词】TBM隧道; 豆砾石层; 衬砌管片; 力学演化规律
【中国分类号】U455.7【文献标志码】A
1 TBM隧道的豆砾石填充层
随着社会经济需求的增大和科技技术的发展进步，护盾式TBM在隧道工程掘进中的应用越来越多。衬砌管片外弧面与围岩间的空隙需要采用豆砾石回填灌浆将二者连接，采用现有的豆砾石回填灌浆方法常造成豆砾石填充层厚度不均匀，从而增大了工程建设的投资与风险，大大降低了工程质量，埋下了安全隐患。因此有必要研究豆砾石层在不同形状时对管片支护结构产生的影响。
目前许多学者对于豆砾石填充层进行了研究，王明友等[1]研究了不同回填密实度对围岩变形、屈服状态及衬砌受力等的影响，得出回填灌浆密实度过低，会导致管片应力分布不均匀且产生较大拉应力，也会产生较大的围岩变形和屈服区分布;杨延栋等[2]对全断面硬岩地层盾构隧道管片上浮控制技术进行了研究，从盾构施工和设计等方面提出了减小管片上浮的新措施;刘丽萍[3]针对全断面掘进机（TBM）施工过程中豆砾石回填灌浆存在的问题，提出了用充气软管进行分段施工的方法;罗俭[4]对TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量进行了研究，总结了相关经验供类似工程借鉴;刘吉勇[5]对TBM底拱豆砾石回填灌浆工艺试验研究进行了研究，确定了适用于具体工程需求的豆砾石注浆回填工艺。
本文以尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道为工程依托，采用大型通用有限元软件ABAQUS对不同豆砾石填充层的TBM隧道进行了模拟和分析，以期为豆砾石填充层的设计和施工提供有益参考。
2 计算模型及参数选取
隧道模型尺寸如图1所示，三维模型的边界范围为：水平方向上隧道中心线距离左右边界30 m，隧道底部距离模型下边界15 m，隧道纵向长度20 m，隧道埋深为50 m。在边界约束方面，模型顶部为自由面，不施加约束，其余各面都施加法向约束。
按照尼泊尔施工设计，管片外径为4.8 m，厚30 cm，豆砾石填充层外径5.1 m，厚15 cm，而当管片发生上浮或者下沉时，豆砾石填充层会产生上薄下厚、上厚下薄等形状，所以本章选取的豆砾石形状分为3种，即均匀豆砾石层、上薄下厚豆砾石层、上厚下薄豆砾石层，不同豆砾石填充层如图2所示。
采用尼泊尔引水隧道中分布较广的Ⅴ级围岩参数，使用摩尔-库伦本构模型，豆砾石填充层和管片均使用弹性本构模型。围岩、豆砾石层和管片力学参数见表1。
本次计算采用全断面开挖法模拟TBM隧道的施工过程，结合上述分析，将豆砾石填充层的不同形状分为3种工况，计算工况如表2所示。
3 计算结果分析
为忽略边界条件等因素的影响，本节特选取模型中间、
距离隧道口10 m处的断面为研究对象。因本章旨在研究TBM隧道施加管片时，管片位置发生偏移对管片支护结构产生的影响，所以主要从变形、受力以及安全性等方面，分析TBM隧道掘进支护完成后，不同工况下豆砾石层和管片的状况。
3.1 支护结构变形分析
为研究TBM隧道掘进支护完成后，不同工况下的支护结构变形，选取距离隧道口10 m处的豆砾石层和管片，提取其竖向位移、水平位移，图3～图5为不同工况的支护结构位移云图，表3为不同工况下支护结构的拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛统计。
根据图3～图5和表3分析可知：
（1）结合工况1、工况2，如果管片发生上浮导致豆砾石层产生上薄下厚的形状时，会使得管片变形发生变化，拱顶沉降量增加，仰拱隆起量减小，对水平收敛则影响不大。
（2）结合工况1、工况3，如果管片发生下沉导致豆砾石层产生上厚下薄的形状时，会使得仰拱隆起量增加，拱顶沉降量减小，而对水平收敛效果不明显。
3.2 支护结构应力分析
为研究不同工况下支护结构的受力规律，选取距离隧道口10m处的断面为研究对象，提取豆砾石层和管片的最大绝对主应力，如图6～图8所示。
根据图6～图8分析可知：
（1）结合工况1、工况2，管片上浮会导致豆砾石层拱顶最大主应力增加，仰拱最大主应力则减小，而管片的最大拉、压应力分布区域会向上移动，拱顶内侧受拉区范围则逐渐减小，仰拱内侧受拉区范围逐渐增大。
（2）结合工况1、工况3，管片下沉会引起豆砾石层拱顶处最大主应力减小，而仰拱处最大主应力则增加，管片的最大拉、压应力分布区域会向下移动，拱顶内侧受拉区范围增加，仰拱内侧受拉区范围减小。
3.3 支护结构内力分析
为研究不同工况下管片的内力分布规律，选取距离隧道口10 m处的断面为研究对象，提取管片的轴力和弯矩，并根据公式计算其横截面的安全系数。
如图9～图11及表4所示：
根据图9～图11及表4分析可知：
（1）所有工况中，管片支护都是全截面受压，且轴力最大值俱出现在拱腰处，其次在拱顶和仰拱处，最小值则出现在拱肩或者拱脚处，管片在拱顶、仰拱处以内侧受拉为主，拱腰处则外侧受拉。最大正弯矩值基本在拱顶或者仰拱处，最大表4 各工况管片拱顶和仰拱内力
负弯矩则发生在拱腰处。
（2）结合工况1、工况2可知，管片上浮会引起管片拱顶处的轴力和弯矩都增加、安全系数减小。
而仰拱处的轴力则减小弯矩增加、安全系数增大，而拱腰处的内力和安全系数变化不明显。
（3）结合工况1、工况3可知，管片下沉会引起管片仰拱处轴力和弯矩会增加、安全系数减小而拱顶处则与之相反。
4 结论
采用大型通用有限元软件ABAQUS对不同豆砾石填充层的TBM隧道进行了模拟和分析，主要结论如下：
（1）当TBM隧道施做管片支护结构时，管片发生上浮，导致豆砾石填充层分布不均匀而产生上薄下厚的形状，则在变形方面，会使管片变形不均匀分布，管片拱顶沉降增大，而仰拱隆起减小;在应力方面，会引起豆砾石层拱顶应力集中，管片最大拉应力和最大压应力分布的区域也向上移动;在内力方面，会导致管片拱顶轴力和弯矩增加、安全系数也减小。
（2）如果TBM隧道施工时管片发生下沉，使得豆砾石填充层产生上厚下薄的形状，则在变形方面，会导致管片仰拱隆起量增加，拱顶沉降量减小;在应力方面，会导致豆砾石层仰拱应力集中，管片最大拉压应力分布的区域向下移动;而在内力方面，会导致管片仰拱轴力和弯矩增加、安全系数减小。
参考文献
[1] 王明友，侯少康，刘耀儒，等. TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量[J].隧道建设：中英文，2020，40（3）：326-336.
[2] 杨延栋，陈馈，李凤远，等.全断面硬岩地层盾构隧道管片上浮控制技术研究[J].隧道建设，2015，35（2）：180-184.
[3] 刘丽萍.全断面掘进机（TBM）施工中豆砾石回填灌漿技术[J].水利水电技术，2012，43（6）：63-66.
[4] 罗俭，彭林峰.彭林峰.TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量[J].湖南水利水电，2018（5）：37-40.
[5] 刘吉勇.TBM底拱豆砾石回填灌浆工艺试验研究[J].东北水利水电，2020，38（1）：42-44.
【关键词】TBM隧道; 豆砾石层; 衬砌管片; 力学演化规律
【中国分类号】U455.7【文献标志码】A
1 TBM隧道的豆砾石填充层
随着社会经济需求的增大和科技技术的发展进步，护盾式TBM在隧道工程掘进中的应用越来越多。衬砌管片外弧面与围岩间的空隙需要采用豆砾石回填灌浆将二者连接，采用现有的豆砾石回填灌浆方法常造成豆砾石填充层厚度不均匀，从而增大了工程建设的投资与风险，大大降低了工程质量，埋下了安全隐患。因此有必要研究豆砾石层在不同形状时对管片支护结构产生的影响。
目前许多学者对于豆砾石填充层进行了研究，王明友等[1]研究了不同回填密实度对围岩变形、屈服状态及衬砌受力等的影响，得出回填灌浆密实度过低，会导致管片应力分布不均匀且产生较大拉应力，也会产生较大的围岩变形和屈服区分布;杨延栋等[2]对全断面硬岩地层盾构隧道管片上浮控制技术进行了研究，从盾构施工和设计等方面提出了减小管片上浮的新措施;刘丽萍[3]针对全断面掘进机（TBM）施工过程中豆砾石回填灌浆存在的问题，提出了用充气软管进行分段施工的方法;罗俭[4]对TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量进行了研究，总结了相关经验供类似工程借鉴;刘吉勇[5]对TBM底拱豆砾石回填灌浆工艺试验研究进行了研究，确定了适用于具体工程需求的豆砾石注浆回填工艺。
本文以尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道为工程依托，采用大型通用有限元软件ABAQUS对不同豆砾石填充层的TBM隧道进行了模拟和分析，以期为豆砾石填充层的设计和施工提供有益参考。
2 计算模型及参数选取
隧道模型尺寸如图1所示，三维模型的边界范围为：水平方向上隧道中心线距离左右边界30 m，隧道底部距离模型下边界15 m，隧道纵向长度20 m，隧道埋深为50 m。在边界约束方面，模型顶部为自由面，不施加约束，其余各面都施加法向约束。
按照尼泊尔施工设计，管片外径为4.8 m，厚30 cm，豆砾石填充层外径5.1 m，厚15 cm，而当管片发生上浮或者下沉时，豆砾石填充层会产生上薄下厚、上厚下薄等形状，所以本章选取的豆砾石形状分为3种，即均匀豆砾石层、上薄下厚豆砾石层、上厚下薄豆砾石层，不同豆砾石填充层如图2所示。
采用尼泊尔引水隧道中分布较广的Ⅴ级围岩参数，使用摩尔-库伦本构模型，豆砾石填充层和管片均使用弹性本构模型。围岩、豆砾石层和管片力学参数见表1。
本次计算采用全断面开挖法模拟TBM隧道的施工过程，结合上述分析，将豆砾石填充层的不同形状分为3种工况，计算工况如表2所示。
3 计算结果分析
为忽略边界条件等因素的影响，本节特选取模型中间、
距离隧道口10 m处的断面为研究对象。因本章旨在研究TBM隧道施加管片时，管片位置发生偏移对管片支护结构产生的影响，所以主要从变形、受力以及安全性等方面，分析TBM隧道掘进支护完成后，不同工况下豆砾石层和管片的状况。
3.1 支护结构变形分析
为研究TBM隧道掘进支护完成后，不同工况下的支护结构变形，选取距离隧道口10 m处的豆砾石层和管片，提取其竖向位移、水平位移，图3～图5为不同工况的支护结构位移云图，表3为不同工况下支护结构的拱顶沉降、仰拱隆起和水平收敛统计。
根据图3～图5和表3分析可知：
（1）结合工况1、工况2，如果管片发生上浮导致豆砾石层产生上薄下厚的形状时，会使得管片变形发生变化，拱顶沉降量增加，仰拱隆起量减小，对水平收敛则影响不大。
（2）结合工况1、工况3，如果管片发生下沉导致豆砾石层产生上厚下薄的形状时，会使得仰拱隆起量增加，拱顶沉降量减小，而对水平收敛效果不明显。
3.2 支护结构应力分析
为研究不同工况下支护结构的受力规律，选取距离隧道口10m处的断面为研究对象，提取豆砾石层和管片的最大绝对主应力，如图6～图8所示。
根据图6～图8分析可知：
（1）结合工况1、工况2，管片上浮会导致豆砾石层拱顶最大主应力增加，仰拱最大主应力则减小，而管片的最大拉、压应力分布区域会向上移动，拱顶内侧受拉区范围则逐渐减小，仰拱内侧受拉区范围逐渐增大。
（2）结合工况1、工况3，管片下沉会引起豆砾石层拱顶处最大主应力减小，而仰拱处最大主应力则增加，管片的最大拉、压应力分布区域会向下移动，拱顶内侧受拉区范围增加，仰拱内侧受拉区范围减小。
3.3 支护结构内力分析
为研究不同工况下管片的内力分布规律，选取距离隧道口10 m处的断面为研究对象，提取管片的轴力和弯矩，并根据公式计算其横截面的安全系数。
如图9～图11及表4所示：
根据图9～图11及表4分析可知：
（1）所有工况中，管片支护都是全截面受压，且轴力最大值俱出现在拱腰处，其次在拱顶和仰拱处，最小值则出现在拱肩或者拱脚处，管片在拱顶、仰拱处以内侧受拉为主，拱腰处则外侧受拉。最大正弯矩值基本在拱顶或者仰拱处，最大表4 各工况管片拱顶和仰拱内力
负弯矩则发生在拱腰处。
（2）结合工况1、工况2可知，管片上浮会引起管片拱顶处的轴力和弯矩都增加、安全系数减小。
而仰拱处的轴力则减小弯矩增加、安全系数增大，而拱腰处的内力和安全系数变化不明显。
（3）结合工况1、工况3可知，管片下沉会引起管片仰拱处轴力和弯矩会增加、安全系数减小而拱顶处则与之相反。
4 结论
采用大型通用有限元软件ABAQUS对不同豆砾石填充层的TBM隧道进行了模拟和分析，主要结论如下：
（1）当TBM隧道施做管片支护结构时，管片发生上浮，导致豆砾石填充层分布不均匀而产生上薄下厚的形状，则在变形方面，会使管片变形不均匀分布，管片拱顶沉降增大，而仰拱隆起减小;在应力方面，会引起豆砾石层拱顶应力集中，管片最大拉应力和最大压应力分布的区域也向上移动;在内力方面，会导致管片拱顶轴力和弯矩增加、安全系数也减小。
（2）如果TBM隧道施工时管片发生下沉，使得豆砾石填充层产生上厚下薄的形状，则在变形方面，会导致管片仰拱隆起量增加，拱顶沉降量减小;在应力方面，会导致豆砾石层仰拱应力集中，管片最大拉压应力分布的区域向下移动;而在内力方面，会导致管片仰拱轴力和弯矩增加、安全系数减小。
参考文献
[1] 王明友，侯少康，刘耀儒，等. TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量[J].隧道建设：中英文，2020，40（3）：326-336.
[2] 杨延栋，陈馈，李凤远，等.全断面硬岩地层盾构隧道管片上浮控制技术研究[J].隧道建设，2015，35（2）：180-184.
[3] 刘丽萍.全断面掘进机（TBM）施工中豆砾石回填灌漿技术[J].水利水电技术，2012，43（6）：63-66.
[4] 罗俭，彭林峰.彭林峰.TBM施工豆砾石回填与灌浆施工质量[J].湖南水利水电，2018（5）：37-40.
[5] 刘吉勇.TBM底拱豆砾石回填灌浆工艺试验研究[J].东北水利水电，2020，38（1）：42-44.