内蒙古引绰济辽供水有限责公司 内蒙古自治区兴安盟 137400
摘要：内蒙古引绰济辽工程隧洞段采用TBM结合钻爆开挖方式，本工程隧洞共采用5台敞开式TBM，均为洞内组装始发掘进，本文介绍国内洞内TBM组装洞的布置形式与设计要求，并对TBM安装间进行计算、分析、优化，以利于后期设计与施工管控。
关键词：引水隧洞；敞开式TBM组装洞布置形式；结构计算分析
Design and analsis of open TBM inatallation room
Chen Tong
Inner Mongolia yinchaojiliao water supply co.LTD Xingan league lnner mongolia autonomous；region：137400
Abstract：the economy of inner mongolia liao engineering tunnel segment by the combined drilling and blasting excavation method，TBM tunnel project，using 5 open TBM are in assembly hole initial excavating，summed up the domestic hole to form between the TBM installation and design requirements，and a calculation is made between this TBM engineering installationg，analysis，optimization，late for the design and construction control.
Key words：diversion tunnel；OPEN TBM assembly hole layout；Structural analysis.
1、概述
引绰济辽工程是一项从嫩江支流绰尔河引水到西辽河，向沿线城市及工业园区供水的大型引水工程，设计年平均调水量4.54×108m3。工程由文得根水利枢纽和输水工程组成。文得根水利枢纽坝址位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗音德尔镇上游90km处，水库库容19.64×108m3，装机容量36MW，是一座具有调水、灌溉、发电等多项功能枢纽工程。输水工程自北向南，沿途经过兴安盟、通辽市等9个旗县区，采用重力自流方式输水，输水工程分隧洞段和PCCP管线段，全长390.263km，渠首设计流量为18.58m³/s，末端设计流量为8.83m³/s，隧洞段采用5台TBM结合钻爆方式进行开挖。
2、TBM组装洞布置形式
水利行业在国家“十三五”、“十二五”期间大批上马引调水工程，为保证工程如期、高效快速投产，隧洞大多采用TBM开挖方式，TBM引进到水利行业，带动提高了水利行业的工业化、智能化和管理水平。
国内TBM组装方式分为洞外组装始发掘进和洞内组装始发掘进，其中难度大的便是洞内组装TBM始发掘进，其受到安装间大开挖技术条件、地质条件、空间条件、运输条件、组装视线条件等制约。TBM组装洞包括上游步进洞、安装间、下游服务区，目前国内TBM组装洞布置形式主要有4种：
形式一：
.png)
图形1
形式二：
.png)
图形2
此四种组装洞平面布置形式在如下工程中被使用：形式一：LXB工程、滇中引水工程；形式二：引松供水工程、引汉济渭工程；形式三：大伙房水库输水工程、新疆引额供水二期工程；形式四：北疆供水二期工程[1]
2.1组装洞平面设计要求
TBM组装洞位置选择一般在三类及三类以上的围岩，对以上四种组装洞平面布置选择主要考虑以下几种因素：一、支洞与主洞夹角；二、设备自身构件尺寸；三、TBM组装拆除和后期运营需要的空间（如皮带存储仓、材料堆放场地、运输车辆转弯空间、机车维修场地、皮带砖渣斗占地位置等）；四、洞内布置的辅助设施（拌合站、抽排水泵站、供电设备等）；五、地质围岩条件；
形式三：
.png)
图形3
形式四：
.png)
图形4
2.1.1 组装洞平面布置形式的优缺点
形式一：此布置形式应用最广，在三岔口位置布置倒车洞，对于材料、设备运输和设备储存提供了很大便利，但对地质条件要求较高，开挖过程在三岔口位置受到炮轰波多次扰动，开挖支护充分考虑其稳定性。
形式二：此形式受到支洞与主洞交角约束，在支洞进行“喇叭口”扩大开挖目的是保证车辆转弯和调头，与形式一对比开挖方量小，节省投资。
形式三：此形式安装间与支洞连接，利用安装间空间进行运输车辆调头和转弯，并在组装和运行期间桥机覆盖面广，利用率高；缺点是要保证有效的组装空间其安装间的长度要加长，否则组装工作面小，组装效率低，组装工期长；
形式四：此形式特殊，属于“一洞双机”特殊形式，桥机可在上下游安装间中全覆盖，开挖尺寸较大，对地质条件要求高；可多工作面施工，提高工作效率；组装洞空间大、利于后期材料运输、储存、综合调配使用。
2.2组装洞空间设计要求
上、下游服务区主要以“直边墙+圆拱” 断面形式，安装间主要以“蘑菇头”断面形式，其尺寸要求可参考黄柏洪[2]、袁亮[3]等人相关论文。
3、组装洞结构计算
本工程2号隧洞采用形式二的布置形式，根据设计其支护参数如下下表：
表1：
.png)
3.1、组装洞建模数据选择
本次建模基于MIDAS GTS软件选取组装洞安装间80m、上下游服务区57m、支洞15m为代表性进行稳定性分析，设计断面尺寸为：安装间高15m、底宽10.7m；上下游服务高9.34m、底宽10.7m；支洞洞高7.9m~9.34m、底宽8.1m~16.29m；地层选取宽62m（4D宽度模拟侧向压力场，D为最大开挖最大开挖尺寸[4]）、深90m（隧洞底埋深77m）至地表面、长157m为初始地应力场，设定地应力释放为两个阶段，即开挖阶段和锚喷支护阶段；
3.2、参数选取
根据引调水线路工程地质勘察规范SL629-2014[5]和现场地勘实验数据，围岩和物理参数选取如下表：
表2：
.png)
4、结果分析
4.1、位移分析
爆破开挖后在垂直方向主支洞交岔口处沉降变形最大为2.14mm、安装间顶拱沉降1.7mm~2.1mm、主支洞岔口底板最大隆起2.04mm；
图1：
.png)
喷锚支护后在垂直方向主支洞岔口沉降变形3.47mm、主支洞岔口隆起3.39mm、安装间顶拱最大沉降3.18mm，最大隆起2.13mm。
图2：
.png)
图3：
.png)
4.2、应力分析
开挖后对组装洞应力进行分析，在主支洞岔口转角处应力最大为4.2Mpa，支洞、上下游服务及安装间应力在2.8Mpa~1.4Mpa；
图4：
.png)
锚喷支护后对组装洞应力进行分析，在组织洞岔口转角处应力最大为7.9Mpa，支洞、上下游服：0.67Mpa~5.2Mpa。
图5：
.png)
4.3、锚杆轴力分析
对锚杆进行轴力分析，最大值15.17KN，最小值3.12KN；
图6：
.png)
5、结论与优化
对于地下工程而言，目前工程应用仍然远超于工程理论的研究，但依然存在安全隐患和经济浪费。本项目通过有限元计算，主支洞岔口处是位移最大，主要原因此位置跨度大并在受到爆破多次扰动情况下，爆破能和岩体应变能共同导致围岩的振动 [6]，岩石完整性遭到破坏、内摩擦角变大、粘聚力变小，故其稳定性变差，在施工中制定合理开挖方案并坚持“弱爆破、强支护、勤监测”，本项目设计在此处增加拱架进行加强支护处理，通过计算组装洞整体收敛、位移变形小、稳定性强。
优化处理：一、在主支洞边墙交叉处应力集中且最大，结合相关工程案例及本项目的计算结果，在设计中应该进行倒角（倒圆）处理，避免出现锐角；二、计算中锚杆轴力过小，应该合理优化锚杆间排距及长度（当围岩弹性模量在6Gpa以下时，系统锚杆优选L/e>3和e<0.9~1.2m；在围岩弹性模量在6~15GPa时，建议系统锚杆2＜L/e≤3；在围岩弹性模量15~20GPa时，系统锚杆只有满足L/e=2就可以了；当围岩弹性模量大于20GPa时，取消系统锚杆）[7]，并在施工期严格控制锚杆施工质量；三、本项目TBM刀盘直径5.2m，结合现场地质条件进行合理优化，减小开挖空间，以利于节约工期、节省投资。组装洞的设计主旨在服务于TBM组装期与运营期利用，保持其生产率高的基础上力求技术可行、经济合理、安全可靠；
参考文献：
[1] 杨光 “一洞双机”TBM组装洞结构形式优化分析与探讨
[2] 黄柏洪 TBM主机安装间的设计简析
[3] 袁亮 TBM地下组装洞室的设计与施工
[4] 冯紫良 地下洞室的埋置深度和洞形设计优化
[5] 引调水线路工程地质勘察规范 SL629-2014
[6] 谢良涛 严鹏 范勇等 钻爆法与TBM开挖深部洞室诱发围岩应变能释放规律
[7] 邹志晖 锚杆在不同岩体中的工作机理