CN116642428A - 敞开式tbm开挖隧洞围岩变形安全评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。它包括：当围岩在TBM护盾区间内，实时监测在TBM护盾区间内围岩各部位的最大变形量值U₁；当围岩出露护盾后，监测出露护盾后围岩部位点的最大变形量值U₂；计算敞开式TBM隧洞围岩变形安全度F_disd，通过围岩变形安全度F_disp量化分析隧洞开挖施工期围岩的变形幅度，判别围岩变形指标是否满足制定的围岩变形安全判别标准。本发明不仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，还考虑TBM施工过程中围岩变形引起的侵限风险，适用于敞开式TBM隧洞开挖施工期围岩变形安全性评判。

Description

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，具体地指一种敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。

背景技术

在面临长距离深埋隧洞(道)施工时，相较于传统的钻爆方法施工，全断面硬岩隧道掘进机(简称TBM，Tunnel Boring Machine)开挖方式在机械化施工水平、施工人员安全保障等方面具有巨大优势，成为长距离深埋隧洞施工的首要选择。

然而在TBM施工过程中，机器-围岩-支护体系之间的相互作用关系极强，当遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时，通常会造成卡机或侵限(侵入界限)等风险。因此，开展针对TBM开挖隧洞的围岩变形安全性评价研究对于长距离深埋隧洞高效施工和安全建设具有重要的意义。

现有研究工作往往仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，未考虑TBM施工过程中围岩变形过大引起的侵限风险；同时围岩变形风险等级判别方法往往过于复杂，未能在TBM施工过程中广泛推广。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本发明提出一种敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，不仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，还考虑TBM施工过程中围岩变形引起的侵限风险，适用于敞开式TBM隧洞开挖施工期围岩变形安全性评判。

为达到上述目的，本发明所设计的一种敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特别之处在于，包括如下步骤：

S1)在敞开式TBM隧洞开挖过程中，将围岩变形分为掌子面前方变形、TBM护盾区间变形和出露护盾后变形；

S2)当监测断面围岩位于TBM护盾区间，实时监测在TBM护盾区间内监测断面围岩各部位点的最大变形量值U₁；

S3)当监测断面围岩出露护盾后，监测出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂；

S4)计算敞开式TBM隧洞围岩变形安全度F_disp，通过围岩变形安全度F_disp量化分析隧洞开挖施工期围岩的变形幅度，若围岩变形安全度F_disp大于或等于1，则表明围岩变形指标满足制定的围岩变形安全判别标准；若围岩变形安全度F_disp小于1，则表明围岩变形指标不满足制定的围岩变形安全判别标准，在当前支护方案下，存在卡机或者侵限的风险，应调整支护方案以改善围岩变形安全；

所述围岩变形安全度F_disp表示为

F_disp＝min(F₁,F₂)

式中，

D₁为在TBM护盾区间内围岩与护盾之间的最大允许间隙；

U₁为在TBM护盾区间内围岩各部位点的最大变形量值；

D₂为TBM隧洞的最大允许变形量；

U₂为在出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值；

min(F₁,F₂)为对F₁和F₂取最小值。

进一步地，S1)中，所述掌子面前方变形是指围岩在开挖出露前因隧洞变形的空间效应影响而发生的变形；所述TBM护盾区间变形是指围岩处于护盾区间内且尚无条件施加支护措施时产生的变形；所述出露护盾后变形是指围岩在临空面出露护盾后产生的变形。

进一步地，S2)中，在TBM护盾区间内围岩各部位点的变形量值的监测方法为：

在敞开式TBM护盾前后两端各设置一组激光测距仪，每组激光测距仪沿隧洞洞周布设，且两组激光测距仪的分布位置前后一一对应；

记录护盾前端i₁点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i1，记录护盾后端i₂点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i2，且i₁点与i₂点分别对应隧洞i部位点处；

则L_i1与L_i2之间的差值即为监测断面i部位点处的围岩在TBM护盾区间的变形量值，其中监测断面围岩各部位点中最大的变形量值max{L_i1-L_i2}即为监测断面在TBM护盾区间变形量值U₁。

更进一步地，S2)中，每组所述激光测距仪布设在隧洞的拱顶、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、底拱左侧和底拱右侧位置处。

进一步地，S3)中，出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂的监测方法为：通过三维激光扫描设备获得隧洞围岩各部位点云坐标数据，相同部位点两次云坐标数据之差就是隧洞围岩各部位点坐标变化，通过坐标变化获得围岩各部位点的变形量值d_i，其中最大的变形量值max{d_i}即为出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂。

所述围岩各部位点的变形量值通过以下公式计算求得

式中，

d_i表示监测断面i部位点处的变形量值，

x_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的x轴数据，

x_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的x轴数据，

y_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的y轴数据，

y_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的y轴数据，

z_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的z轴数据，

z_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的z轴数据。

进一步地，S4)中，当围岩变形指标不满足制定的围岩安全判别标准时，若F₁<1且F₂≥1，表明当前支护方案下，存在卡机风险，应调整当前支护方案以控制TBM护盾区间内的围岩变形；若F₁≥1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩总体变形；若F₁<1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在卡机和侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩在TBM护盾区间内的变形和总体变形。

更进一步地，S4)中，D₁与D₂根据隧洞开挖方案及采用的敞开式TBM设备技术参数给定。

本发明的优点在于：

1、本发明首先获得在TBM护盾区间内围岩各部位点的最大变形量值U₁和出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂，再根据在TBM护盾区间内围岩与护盾之间的最大允许间隙和TBM隧洞的最大允许变形量，计算敞开式TBM隧洞围岩变形安全度F_disp，并对围岩变形安全度F_disp数值大小进行分析判断，表明当前支护方案下围岩变形指标是否满足制定的围岩变形安全判别标准，若不满足，则调整支护方案以改善围岩变形安全。

2、本发明能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性，从而为敞开式TBM开挖隧洞支护方案调整提供依据；

本发明敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，不仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，还考虑TBM施工过程中围岩变形引起的侵限风险，适用于敞开式TBM隧洞开挖施工期围岩变形安全性评判。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实施例中香炉山隧洞顶拱围岩变形示意图；

图3为TBM隧洞掌子面推进过程中的围岩变形曲线；

图4为本发明中敞开式TBM护盾上激光测距仪的布设位置；

图5为本发明中采用三维激光扫描获得的两次隧洞点云数据的示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

为便于通过实例对发明做进一步说明，将分析对象选为滇中引水香炉山隧洞7#施工支洞。

7#施工支洞上游工作面控制洞段总长21.065km(桩号DLⅠ57+865.39～DLⅠ36+800)，采用敞开式TBM掘进机全断面开挖，截至2022年11月18日，TBM掘进至桩号DLI53+375.24。TBM掘进过程中，桩号DLI53+800～53+400段围岩变形问题突出，围岩变形显著部位主要为顶拱、拱肩及底板部位，其中顶拱及拱肩部位最大变形量值为120cm，底板最大隆起量值为51cm，围岩变形程度为中等～极严重变形，如图2所示。

针对本实施例中显著的围岩大变形情况，采取了不同的支护应对方案，具体支护措施见表1。

表1敞开式TBM围岩大变形洞段支护应对方案

如图1所示，本发明敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，包括如下步骤：

S1)在敞开式TBM隧洞开挖过程中，将围岩变形分为掌子面前方变形、TBM护盾区间变形和出露护盾后变形。

具体地，所述掌子面前方变形是指围岩在开挖出露前因隧洞变形的空间效应影响而发生的变形；所述TBM护盾区间变形是指围岩处于护盾区间内且尚无条件施加支护措施时产生的变形；所述出露护盾后变形是指围岩在临空面出露护盾后产生的变形。在敞开式TBM向前掘进过程中，TBM隧洞掌子面推进过程中的围岩变形曲线如图3所示。

TBM护盾区间的围岩变形量值一旦超过开挖预留的最大允许间隙时很容易造成护盾被卡，而TBM护盾区间的围岩变形量值与出露护盾后的变形量值的总和超过TBM隧洞的最大允许变形量时，将会侵占二次衬砌的施作空间，最终会影响隧洞运行期过流洞径或二次衬砌的长期安全。

S2)当监测断面围岩处于TBM护盾区间内，实时监测在TBM护盾区间内围岩各部位点的最大变形量值U₁。

具体地，在TBM护盾区间内围岩各部位点的变形量值的监测方法为

在敞开式TBM护盾前后两端各设置一组激光测距仪，每组激光测距仪沿隧洞洞周布设，且两组激光测距仪的分布位置前后一一对应；

记录护盾前端i₁点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i1，记录护盾后端i₂点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i2，且i₁点与i₂点分别对应隧洞i部位点处；

则L_i1与L_i2之间的差值即为监测断面i部位点处的围岩在TBM护盾区间的变形量值，其中监测断面围岩各部位点中最大的变形量值max{L_i1-L_i2}即为监测断面在TBM护盾区间变形量值U₁。

具体地，每组所述激光测距仪布设在隧洞的拱顶、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、底拱左侧和底拱右侧位置处。

如图4所示，在敞开式TBM护盾前后两端各设置一组激光测距仪，前后两端激光测距仪的布设位置为：护盾的拱顶(a₁和a₂)、左拱肩(b₁和b₂)、右拱肩(c₁和c₂)、左边墙(d₁和d₂)、右边墙(e₁和e₂)、底拱左侧(f₁和f₂)和底拱右侧(g₁和g₂)。其中，拱顶a₁点与拱顶a₂点分别对应隧洞a部位点处，左拱肩b₁点与左拱肩b₂点分别对应隧洞b部位点处，右拱肩c₁点与右拱肩c₂点分别对应隧洞c部位点处，左边墙d₁点与左边墙d₂点分别对应隧洞d部位点处，右边墙e₁点与右边墙e₂点分别对应隧洞e部位点处，底拱左侧f₁点与底拱左侧f₂点分别对应隧洞f部位点处，底拱右侧g₁点与底拱右侧g₂点分别对应隧洞g部位点处。

S3)当监测断面围岩出露护盾后，监测出露护盾后监测断面围岩各部位点的最大变形量值U₂。

具体地，出露护盾后监测断面围岩各部位点的最大变形量值U₂的监测方法为：通过三维激光扫描设备获得隧洞围岩各部位点云坐标数据，相同部位点两次云坐标数据之差就是隧洞围岩各部位点坐标变化，通过坐标变化获得围岩各部位点的变形量值d_i，其中最大的变形量值max{d_i}即为出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂。

所述围岩各部位点的变形量值通过以下公式计算求得

式中，

d_i表示监测断面i部位点处的变形量值，

x_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的x轴数据，

x_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的x轴数据，

y_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的y轴数据，

y_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的y轴数据，

z_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的z轴数据，

z_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的z轴数据。

S4)计算敞开式TBM隧洞围岩变形安全度F_disp，通过围岩变形安全度F_disp量化分析隧洞开挖施工期围岩的变形幅度，若围岩变形安全度F_disp大于或等于1，则表明围岩变形指标满足制定的围岩变形安全判别标准；若围岩变形安全度F_disp小于1，则表明围岩变形指标不满足制定的围岩变形安全判别标准，在当前支护方案下，存在卡机或者侵限的风险，应调整支护方案以改善围岩变形安全；

所述围岩变形安全度F_disp表示为

F_disp＝min(F₁,F₂)

式中，

D₁为在TBM护盾区间内围岩与护盾之间的最大允许间隙；

U₁为在TBM护盾区间内监测断面围岩各部位点的最大变形量值；

D₂为TBM隧洞的最大允许变形量；

U₂为在出露护盾后监测断面围岩各部位点的最大变形量值；

min(F₁,F₂)为对F₁和F₂取最小值。

具体地，当围岩变形指标不满足制定的围岩安全判别标准时，若F₁<1且F₂≥1，表明当前支护方案下，存在卡机风险，应调整当前支护方案以控制TBM护盾区间内的围岩变形；若F₁≥1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩总体变形；若F₁<1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在卡机和侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩在TBM护盾区间内的变形和总体变形。

具体地，S4)中，D₁与D₂根据隧洞开挖方案及采用的敞开式TBM设备技术参数给定。

本实施例中，D₁取值为15cm，D₂取值为21.25cm。

不同支护方案下围岩变形安全性判别结果见下表2，从表2中可知，方案1～4中，围岩变形安全度F_disp均小于1，表明支护方案下不能够满足围岩变形安全的要求，存在卡机和侵限风险。方案5中围岩变形安全度F_disp大于1，表明支护方案下满足围岩变形安全的要求。还可以看出，通过提高钢拱架型号、增设中空注浆锚杆及施加超前支护措施可提高围岩变形安全度，其中提高钢拱架型号和增设中空注浆锚杆仅能限制围岩出露护盾后的变形，即提高F₂，而通过施加超前支护措施，改善掌子面前方围岩，可有效限制围岩在护盾区间的变形，降低卡机风险。

表2不同支护方案下围岩安全性评估结果

本发明敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，不仅考虑TBM施工过程中围岩变形引起的卡机风险，还考虑TBM施工过程中围岩变形引起的侵限风险，适用于敞开式TBM隧洞开挖施工期围岩变形安全性评判。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)在敞开式TBM隧洞开挖过程中，将围岩变形分为掌子面前方变形、TBM护盾区间变形和出露护盾后变形；

S2)当监测断面围岩在TBM护盾区间内，实时监测在TBM护盾区间内监测断面围岩各部位点的最大变形量值U₁；

S3)当监测断面围岩出露护盾后，监测出露护盾后监测断面围岩各部位点的最大变形量值U₂；

S4)计算敞开式TBM隧洞围岩变形安全度F_disp，通过围岩变形安全度F_disp量化分析隧洞开挖施工期围岩的变形幅度，若围岩变形安全度F_disp大于或等于1，则表明围岩变形指标满足制定的围岩变形安全判别标准；若围岩变形安全度F_disp小于1，则表明围岩变形指标不满足制定的围岩变形安全判别标准，在当前支护方案下，存在卡机或者侵限的风险，应调整支护方案以改善围岩变形安全；

所述围岩变形安全度F_disp表示为F_disp＝min(F₁,F₂)

式中，

D₁为在TBM护盾区间内围岩与护盾之间的最大允许间隙；

U₁为在TBM护盾区间内监测断面围岩各部位点的最大变形量值；

D₂为TBM隧洞的最大允许变形量；

U₂为在出露护盾后监测断面围岩各部位点的最大变形量值；

min(F₁,F₂)为对F₁和F₂取最小值。

2.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于：S1)中，所述掌子面前方变形是指围岩在开挖出露前因隧洞变形的空间效应影响而发生的变形；所述TBM护盾区间变形是指围岩处于护盾区间内且尚无条件施加支护措施时产生的变形；所述出露护盾后变形是指围岩在临空面出露护盾后产生的变形。

3.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，S2)中，在TBM护盾区间内围岩各部位点的变形量值的监测方法为：

在敞开式TBM护盾前后两端各设置一组激光测距仪，每组激光测距仪沿隧洞洞周布设，且两组激光测距仪的分布位置前后一一对应；

记录护盾前端i₁点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i1，记录护盾后端i₂点处激光测距仪通过监测断面时与围岩的距离L_i2，且i₁点与i₂点分别对应隧洞i部位点处；

则L_i1与L_i2之间的差值即为监测断面i部位点处的围岩在TBM护盾区间的变形量值，其中监测断面围岩各部位点中最大的变形量值max{L_i1-L_i2}即为监测断面在TBM护盾区间变形量值U₁。

4.根据权利要求3所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，S2)中，每组所述激光测距仪布设在隧洞的拱顶、左拱肩、右拱肩、左边墙、右边墙、底拱左侧和底拱右侧位置处。

5.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，S3)中，出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂的监测方法为：通过三维激光扫描设备获得隧洞围岩各部位点云坐标数据，相同部位点两次云坐标数据之差就是隧洞围岩各部位点坐标变化，通过坐标变化获得围岩各部位点的变形量值d_i，其中最大的变形量值max{d_i}即为出露护盾后围岩各部位点的最大变形量值U₂。

所述围岩各部位点的变形量值通过以下公式计算求得

式中，

d_i表示监测断面i部位点处的变形量值，

x_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的x轴数据，

x_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的x轴数据，

y_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的y轴数据，

y_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的y轴数据，

z_i1表示监测断面i部位点处的第一次云坐标的z轴数据，

z_i2表示监测断面i部位点处的第二次云坐标的z轴数据。

6.根据权利要求1所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，S4)中，当围岩变形指标不满足制定的围岩安全判别标准时，若F₁<1且F₂≥1，表明当前支护方案下，存在卡机风险，应调整当前支护方案以控制TBM护盾区间内的围岩变形；若F₁≥1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩总体变形；若F₁<1且F₂<1，表明当前支护方案下，存在卡机和侵限风险，应调整当前支护方案以控制围岩在TBM护盾区间内的变形和总体变形。

7.根据权利要求6所述的敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法，其特征在于，S4)中，D₁与D₂根据隧洞开挖方案及采用的敞开式TBM设备技术参数给定。