隧洞塌方引起的TBM刀盤被卡事故風險評估

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(河南大學 土木建筑學院，河南 開封 475004)

1 研究背景

TBM是一種快捷、安全、環(huán)保的施工方法。同時，TBM施工需要的人員較少，可以節(jié)省大量的勞動力，是非常經濟的。當然，同D&B(鉆爆)法相比，TBM也有不少劣勢，如沒有D & B法靈活，地質適應性較差等。目前國內外有不少水工隧洞的開挖均采用了TBM施工，由于隧洞的開挖呈現(xiàn)超長深埋的趨勢，因此TBM也面臨高地應力、高地溫、巖爆、大斷裂帶、高壓引起的涌突水等帶來的風險問題。如，在軟弱巖體中掘進時產生的塌方或變形過大可能將TBM卡住。目前世界上已經有很多TBM被卡的事故，表1列出了幾個采用TBM施工被卡事故的工程實例[1-5]。

表1 TBM卡機事故的工程實例

TBM被卡事故通常分為護盾被卡和刀盤被卡2種。目前關于護盾被卡事故已有不少研究，如E. Farrokh將收斂-約束法應用于TBM護盾卡機計算，溫森等[6]采用風險分析方法研究卡機事故等。引起TBM刀盤被困原因較為復雜，如，存在較大的塌方；在工作面分布有一定節(jié)理或遇到上下盤巖性差異很大的斷層；此外還與TBM的姿態(tài)以及司機操作有直接的關系。本文主要針對塌方引起的TBM事故進行研究。趙第厚[7]曾采用確定性方法對塌方引起的事故進行了研究。由于洞室地質條件的不確定性，而巖土工程材料包含了很復雜的不確定性影響因素，它們的取值隨時間或空間隨機變化。因此確定性分析所得出的結果往往不能反映真實情況，必須引入概率分析的手段[8]，因此很有必要采用風險分析理論分析刀盤被卡事故。

2 刀盤被困理論分析

TBM刀盤被困事故中，由隧洞塌方引起的占有較大的比例，原因是TBM刀盤對塌方比較敏感。刀盤臨近掌子面，由于掌子面效應，洞室徑向變形很小，因此下面的推導忽略了擠壓變形產生的阻力矩。圖1為隧洞壓力的計算圖[7]。圖中的ht為圍巖的塌方高度，關于它的取值問題，后面將詳細介紹；T為TBM主機的質量；φ為巖體的內摩擦角；γ為塌方巖體的重度；D為洞室的直徑；L為護盾長度。

圖1 松動壓力計算示意圖[7]

TBM刀盤旋轉時，需要克服3個方面的力矩，即：刀盤邊緣摩擦力矩Fr1、刀盤前方的摩擦力矩Fr2和滾刀旋轉阻力矩Fr3。下面分別介紹這3個阻力力矩的計算方法。

設刀盤邊緣與圍巖的摩擦因數(shù)為μ1，刀盤寬度為d。首先計算Fr1，假設4個方向的應力分別作用在刀盤的1/4周長上面，則有

(1)

式中:q1,q2分別為刀盤頂部、底部的平均應力；e1，e2分別為刀盤最小、最大側壓應力。

設刀盤前面與破碎巖體的摩擦因數(shù)為μ2，為了計算方便，取e1與e2的平均值作為側向應力的等效應力，則有

(2)

Fr3[9]可以表示為

(3)

式中：n為刀盤上滾刀的總數(shù)；ξ為滾刀的阻力系數(shù)，一般取0.15～0.20；Ri為每把滾刀在刀盤上的回轉半徑；Fi為滾刀的作用力，取值范圍為210～310 kN，常選取240 kN[9]。

則總的阻力矩Fr為

Fr=Fr1+Fr2+Fr3。

(4)

計算阻力矩時，要充分考慮其中一些參數(shù)的隨機性，如圍巖的塌方高度ht，因此計算出的總阻力矩Fr也是一個隨機量。設TBM刀盤額定扭矩為Tr，它通常是一個確定性量，則根據(jù)式(5)可以計算阻力矩大于或小于某一扭矩值的概率Pf為

Pf=P(Fr<λTr或Fr>λTr) 。

(5)

式中λ為參數(shù)。

從圖1可以看出，計算阻力矩關鍵在于確定圍巖的塌方高度ht。圍巖的塌方高度目前主要是通過經驗總結獲取的。

蔡美峰等[10]給出了Ⅰ—Ⅴ級圍巖的自穩(wěn)能力，指出，小塌方、中塌方和大塌方的塌方高度分別為小于3 m，3～6 m和大于6 m。給出的塌方高度都是一個范圍，因此在計算時可考慮塌方高度的不確定性。在計算時可以近似認為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級圍巖不考慮塌方，計算圍巖壓力時只考慮變形壓力而不考慮松動壓力。Ⅴ級圍巖無自穩(wěn)能力，計算壓力時可只考慮松動壓力。對于Ⅳ級圍巖計算支護壓力時仍以變形壓力為主，但是在計算刀盤阻力矩時只考慮松動壓力，如此是可以接受的，因為刀盤附近掌子面效應顯著，基本可以忽略變形壓力對刀盤的影響。

3 刀盤風險評價矩陣的研究

第2節(jié)介紹了如何計算作用在刀盤上的阻力矩，采用式(5)可以計算阻力矩大于或小于某一扭矩值的概率。計算了這一概率值，如果要想判斷塌方對刀盤造成的風險事故的后果等級，就要有相應的判斷準則，這就需要結合TBM自身的情況研究合適的評價方法。

為了評價巖體塌方對刀盤旋轉的影響，k為安全系數(shù)(TBM的額定扭矩通常是在一定的條件下才能發(fā)揮出來，在不同的條件下應根據(jù)具體的情況進行折減，同時為了具有一定的安全儲備，因此這里取k>1)，阻力產生的扭矩為Fr，如果TBM的刀盤能夠正常旋轉，則需要滿足下式：

Tr/k≥Fr。

(6)

根據(jù)塌方對刀盤的作用情況，將塌方引起的TBM刀盤被困后果劃分為以下5個等級：

(1) 沒有塌方，TBM的刀盤沒有受到落石的干擾，刀盤的運行沒有受到威脅，可以正常工作，因此對應的后果是不予考慮的，是“可以忽略的”；

(2) 存在塌方，但是Fr

(3)Fr≥Tr/k且Fr

(4)Fr≥Tr，此時刀盤完全不能旋轉，TBM徹底被困，脫困非常麻煩，將導致較大的工期延誤，損失將非常嚴重，因此可以規(guī)定后果為“非常嚴重的”；

(5) 設塌方作用在刀盤上的壓力為Nd，刀盤能夠承受的最大壓力為λd，Nd≥λd時，刀盤被損毀，不僅會嚴重延誤工期，也需要花費巨款更換新的部件，一般工程是難以接受的，所以后果為“災難性的”。

塌方的判斷是一個難點，對于斷層區(qū)域的巖體，由于巖體破碎，質量等級較低，一般為Ⅳ級或Ⅴ級，因此，可以認為TBM經過該區(qū)域時即發(fā)生塌方；但是非斷層破碎區(qū)域也可能發(fā)生塌方，比如節(jié)理化嚴重的巖體等，也就是說斷層區(qū)域的存在是塌方產生的充分不必要條件。對于節(jié)理巖體也是根據(jù)巖體的質量等級判斷在刀盤處是否發(fā)生塌方；對于Ⅴ級的巖體，由于巖體無自穩(wěn)能力，因此認為發(fā)生塌方；Ⅳ級巖體，自穩(wěn)能力較差，因此也可認為在掌子面發(fā)生塌方。其它等級的圍巖不考慮塌方。關于塌方的高度可以根據(jù)巖體的質量等級進行定性判定。

根據(jù)概率等級，結合上面劃分的5個后果等級，提出表2的刀盤風險評價矩陣，再結合已有的風險接受準則，即可確定風險等級。

表2 TBM施工刀盤單元風險評價矩陣

4 實例分析

選取伊朗的Ghomroud輸水隧洞這一工程實例進行驗證。隧洞開挖直徑為4.5 m，主要采用雙護盾TBM進行施工，當然在開挖過程中也出現(xiàn)過一些停機，如塌方導致的刀盤被困，大變形導致的護盾被卡等。這里首先驗證刀盤被困事故。TBM在經過JⅢ區(qū)域時，曾經發(fā)生了刀盤被困事故。表3[11]為TBM使用的技術指標，圖2為隧道開挖概況，表4給出了一些巖性基本描述。其中，σci為巖石單軸抗壓強度，mi為組成巖體完整巖塊的Hoek-Brown常數(shù)。

表3 雙護盾TBM的技術指標[11]

注：刀盤的脫困扭矩是采用馬爾黑隧道中ITS掘進機的數(shù)據(jù)。

圖2 隧道開挖概況

發(fā)生刀盤被困事故的JⅢ區(qū)域為Ⅳ類圍巖。隧洞跨度為4.5 m，隧洞在掘進過程中可能發(fā)生小塌方，塌方高度小于3 m，假設在0～2 m范圍內，服從截尾正態(tài)分布，均值和均方差分別為1.0 m和0.5 m。內摩擦角取值為20°～30°，假設服從截尾正態(tài)分布，均值和均方差分別為25°和5°。巖體的密度為2 400 kg/m3，刀盤的寬度d取為0.91 m。摩擦因數(shù)μ1和μ2均取為0.2，安全儲備系數(shù)k取1.5。

表4 巖性描述和特征

首先根據(jù)公式(3)計算Fr3，式中ξ取為0.15，F(xiàn)i取為210 kN，則

2×0.106+2×0.159+13×2.034+8×1.284+

9×0.534)=1 327.9 (kN·m) 。

(7)

圖3 阻力矩柱狀圖

Fr3是確定的，另外2個阻力矩為隨機變量，根據(jù)前面確定的參數(shù)概率分布進行計算，采用Monte-Carlo進行模擬5 000次，則可以得到圖3的總阻力矩柱狀圖。

TBM的脫困扭矩為2 600 kN·m，安全儲備系數(shù)取1.5，因此，根據(jù)表2提出的風險評價矩陣進行計算可以得到表5的計算結果。表5給出了不同的后果等級發(fā)生的概率。

根據(jù)表5可知，刀盤發(fā)生損失后果等級為“嚴重的”的概率為30.58%，這一概率表示發(fā)生該后果等級是“非?？赡艿摹薄８鶕?jù)文獻中的報道，該段在施工中的確發(fā)生了事故，說明計算結果符合實際情況。

表5 TBM單元刀盤風險事故計算結果

5 結 語

(1) TBM刀盤被困可能是由于塌方所致，確定刀盤是否被困主要是比較阻力矩與扭矩的關系。阻力矩大小是由塌方高度決定，依據(jù)塌方高度的隨機特性和概率理論，建立了計算刀盤被困概率的計算公式。

(2) 根據(jù)塌方產生的阻力矩的大小和TBM刀盤參數(shù)將刀盤被困的后果分為5個等級，并結合已有的概率等級提出了刀盤的風險評價矩陣。

(3) 通過工程實例計算，驗證了刀盤被困風險計算公式以及刀盤風險評價矩陣的合理性。

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