引大濟(jì)湟工程TBM掘進(jìn)卡機(jī)機(jī)理研究及控制措施

姬 超, 陳 好, 張少軒

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院， 成都 610059)

引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步，地下隧道呈現(xiàn)出深埋超長(zhǎng)和大直徑的趨勢(shì)。目前來(lái)說(shuō)，在較好的地質(zhì)條件下，對(duì)于深埋長(zhǎng)隧道的開(kāi)挖主要利用TBM來(lái)進(jìn)行。而TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)現(xiàn)象。前人已對(duì)卡機(jī)問(wèn)題進(jìn)行了一定研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者如溫森和徐衛(wèi)亞[1]采用二維隨機(jī)有限元軟件研究了TBM護(hù)盾被困事故；溫森等[2]采用風(fēng)險(xiǎn)理論對(duì)卡機(jī)機(jī)理進(jìn)行過(guò)探討；劉泉聲等[3]采用確定性理論對(duì)連續(xù)掘進(jìn)工況下的卡機(jī)機(jī)理進(jìn)行了研究；黃興等[4]根據(jù)圍巖擠壓變形與開(kāi)挖半徑間的比值以及圍巖擠壓變形與擴(kuò)挖間隙的比值，將 TBM 圍巖擠壓變形劃分為5個(gè)等級(jí)；溫森等[5]給出了在考慮流變效應(yīng)下的停機(jī)和連續(xù)掘進(jìn)兩種工況下卡機(jī)狀態(tài)判斷的理論計(jì)算公式；劉泉聲等[6]探究了深部高地應(yīng)力擠壓性地層發(fā)生卡機(jī)的孕育致災(zāi)機(jī)理；劉泉聲等[7]通過(guò)護(hù)盾變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算護(hù)盾所受摩擦力，從而得到 TBM 卡機(jī)狀態(tài)；黃興等[8]用FLAC3D對(duì)“引大濟(jì)湟”工程的卡機(jī)機(jī)理進(jìn)行了研究；姬超等[9]給出了破碎圍巖段單護(hù)盾TBM在掘進(jìn)過(guò)程中的卡盾理論公式；蘇珊等[10]針對(duì)新疆某隧洞開(kāi)挖出現(xiàn)的TBM卡機(jī)，探討了卡機(jī)原因，并給出了具體的工程脫困措施;房敬年等[11]，選取側(cè)導(dǎo)坑法作為卡機(jī)脫困方法，使TBM 順利脫困；張兵等[12]提出掌子面前方化學(xué)灌漿加固、小導(dǎo)洞開(kāi)挖及超前管棚等方法聯(lián)合幫助高黎貢山隧道破碎地層的TBM脫困；田彥朝等[13]等從TBM 裝備角度提出了針對(duì)性設(shè)計(jì)方案，來(lái)避免發(fā)生卡機(jī)。國(guó)外學(xué)者如F.Ebrahim 等[14]還將收斂-約束法應(yīng)用于TBM護(hù)盾卡機(jī)計(jì)算中；Ramoni 等[15]采用數(shù)值方法探討了TBM卡機(jī)機(jī)理。

前人研究多是給出TBM 掘進(jìn)卡機(jī)機(jī)理的理論計(jì)算判據(jù)以及通過(guò)數(shù)值模擬軟件模擬圍巖與護(hù)盾的相互作用，探討TBM是否會(huì)出現(xiàn)掘進(jìn)卡機(jī)現(xiàn)象。TBM掘進(jìn)卡機(jī)機(jī)理的理論計(jì)算判據(jù)多半是基于圍巖為理想彈塑性狀態(tài)。若圍巖是松散體，該判據(jù)則不能很好體現(xiàn)圍巖與護(hù)盾的相互作用。這不符合TBM實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程。而數(shù)值模擬可以較好體現(xiàn)圍巖與護(hù)盾的相互作用，但前人往往忽略盾尾襯砌對(duì)圍巖變形的約束作用，致使所求得的圍巖豎直位移偏小。因此，本文利用數(shù)值模擬，考慮盾尾襯砌對(duì)圍巖變形的約束作用下的TBM 掘進(jìn)卡機(jī)機(jī)理，可使計(jì)算更加符合TBM實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程。

1 工程概況

1.1 工程簡(jiǎn)介

“引大濟(jì)湟”工程是青海省內(nèi)一項(xiàng)跨流域大型調(diào)水工程。引大通河水穿越大阪山進(jìn)入湟水流域，來(lái)解決西寧市及湟水河流域供水不足。其中，引水隧洞是調(diào)水總干渠的重要組成部分。調(diào)水總干渠隧洞全長(zhǎng)24.712 km，隧洞平面設(shè)計(jì)為直線，縱坡i=0.000 545 29，隧洞最大埋深1028 m。設(shè)計(jì)引水流量為35 m3/s ，年調(diào)水總量為7.5 億m3。其中，出口段明渠 K24+165.83～K24+711.83(長(zhǎng)546 m)、進(jìn)口段K0+000～K3+000(長(zhǎng) 3000 m)和出口段K23+90 2.83～K24+16 5.83(長(zhǎng) 263 m)采用常規(guī)鉆爆法施工；K3+000～K23+90 2.83共2 087 7.83 m采用直徑為5.93 m 的雙護(hù)盾全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工；樁號(hào)K9+820設(shè)置通風(fēng)豎井，采用鉆爆法施工。

TBM 施工段襯砌采用預(yù)制鋼筋砼管片。襯砌管片外徑為5.7 m，內(nèi)徑為5.0 m，厚度為35 cm，寬度為1.5 m。每環(huán)管片為6片，其中矩形塊3塊，梯形塊3塊，單塊最大重量達(dá)5 t。管片與圍巖之間采用豆礫石回填灌漿，結(jié)實(shí)體強(qiáng)度為C15。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬研究的TBM卡機(jī)段(樁號(hào)CH16+775附近)位于大阪山南緣斷裂，即F5斷裂帶。F5斷裂帶又名大坂山南緣斷裂，為一深大斷裂。F5斷裂帶呈NWW向展布，延伸長(zhǎng)達(dá)500 km，表現(xiàn)為逆沖斷裂，走向?yàn)?90°～305°。斷層帶寬50 m～60 m，在皮條掌以西寧張公路邊出露。該斷裂以南為下元古界變質(zhì)巖系，以北為志留系的片巖、板巖及加里東期侵入巖。斷層及其影響破碎帶寬度達(dá)70 m～100 m。斷層帶由碎裂巖、靡棱巖和斷層泥等組成，劈理發(fā)育、蝕變強(qiáng)烈，呈輕度-重度高嶺土化，屬極軟巖。在高地應(yīng)力作用下圍巖塑性變形較強(qiáng)烈[16]。

1.3 工程問(wèn)題

引大濟(jì)湟工程總干渠于2006年開(kāi)始TBM掘進(jìn)施工。在穿越大坂山南緣斷裂帶時(shí)，TBM進(jìn)尺很低以及頻繁出現(xiàn)卡機(jī)的工況，最終卡在樁號(hào)CH16+775處。這使得施工中斷并停滯兩年左右[16]。該處出現(xiàn)的TBM設(shè)備擠壓變形情況如圖1 所示。

圖1 TBM 設(shè)備被擠壓變形

2 卡機(jī)判斷流程

TBM在掘進(jìn)過(guò)程中的卡機(jī)可分為卡護(hù)盾和卡刀盤(pán)兩種。在引大濟(jì)湟工程中主要是針對(duì)卡護(hù)盾工況。后文所述卡機(jī)即代表卡護(hù)盾。雙護(hù)盾TBM在不良地質(zhì)條件下的(如軟弱圍巖)掘進(jìn)模式與單護(hù)盾TBM的掘進(jìn)模式一致，故引大濟(jì)湟工程中的雙護(hù)盾掘進(jìn)模式可看作單護(hù)盾掘進(jìn)模式。

TBM開(kāi)挖隧道的過(guò)程即洞室圍巖發(fā)生卸荷作用的過(guò)程。卸荷導(dǎo)致圍巖應(yīng)力釋放，從而使得圍巖內(nèi)部應(yīng)力重新分布與圍巖向臨空面產(chǎn)生位移(未考慮圍巖的時(shí)效效應(yīng))。一般TBM開(kāi)挖隧道時(shí)，都會(huì)擴(kuò)挖，來(lái)使圍巖應(yīng)力可以得到釋放。由于受到機(jī)械制造水平影響，擴(kuò)挖間隙一般為6 cm～10 cm。在擠壓大變形圍巖中，也可調(diào)整到15 cm～20 cm[6]。當(dāng)圍巖徑向位移不大于擴(kuò)挖間隙時(shí)，圍巖與護(hù)盾無(wú)相互作用，也即無(wú)卡機(jī)現(xiàn)象出現(xiàn)。當(dāng)圍巖徑向位移大于擴(kuò)挖間隙時(shí)，圍巖與護(hù)盾接觸，圍巖對(duì)護(hù)盾產(chǎn)生擠壓作用，在護(hù)盾表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦阻力。當(dāng)摩擦阻力不大于TBM最大推力時(shí)，不會(huì)發(fā)生卡機(jī)；否則便會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)。

3 TBM掘進(jìn)過(guò)程中的卡機(jī)機(jī)理研究

為了表明盾尾襯砌對(duì)圍巖變形的約束作用，利用FLAC3D分別建立在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下不考慮與考慮盾尾襯砌這兩種工況下的計(jì)算模型，求得這兩種工況下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。為了符合TBM實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程，選取在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下考慮盾尾襯砌這種工況下的最大豎直位移作為卡機(jī)的判斷指標(biāo)。根據(jù)卡機(jī)判斷流程，將該最大豎直位移與預(yù)留間隙進(jìn)行比較。之后，又建立在考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下的計(jì)算模型，求得圍巖力學(xué)響應(yīng)。將計(jì)算得到的滑動(dòng)摩擦阻力與推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力進(jìn)行比較。為了避免卡機(jī)，將預(yù)留間隙從10 cm增加至20 cm。再將增大預(yù)留間隙工況下所得到的滑動(dòng)摩擦阻力與推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力進(jìn)行比較。具體過(guò)程如下。

3.1 計(jì)算參數(shù)

擬研究的大變形洞段(CH16+775附近)位于大坂山南緣斷裂，該段埋深690 m～830 m，母巖為石英閃長(zhǎng)巖，最大水平主應(yīng)力量值為21.1 MPa～22.1 MPa，最小水平主應(yīng)力量值為12 MPa～14.2 MPa，垂直應(yīng)力量值為18.2 MPa～21.9 MPa。最大水平主應(yīng)力方位為307°～317°，接近NW方向，與隧洞軸線相近。將垂直應(yīng)力σ2取為21.9 MPa；最大水平主應(yīng)力σ1取為22.1 MPa，沿洞軸方向；最小水平主應(yīng)力σ3取為14.2 MPa，垂直于洞軸方向。具體的圍巖物理力學(xué)參數(shù)、護(hù)盾的物理力學(xué)參數(shù)、襯砌的物理力學(xué)參數(shù)以及地應(yīng)力場(chǎng)值見(jiàn)表1～表4。

表1 樁號(hào)CH16+775附近圍巖物理力學(xué)參數(shù)

表3 管片襯砌物理力學(xué)參數(shù)

表4 地應(yīng)力場(chǎng)

3.2 計(jì)算模型

FLAC3D可以模擬材料的彈性變形、塑性變形、塑性流動(dòng)、應(yīng)變軟化、流變變形，甚至大變形問(wèn)題。它還可以提供模擬錨桿、錨索、襯砌、支架等多種支護(hù)形式的結(jié)構(gòu)單元，使之能用于模擬復(fù)雜的巖土-結(jié)構(gòu)相互作用力學(xué)問(wèn)題。故采用FLAC3D來(lái)模擬TBM在樁號(hào)CH16+775附近掘進(jìn)中的護(hù)盾與圍巖相互作用。

建立計(jì)算模型的具體過(guò)程如下。

(1)模型尺寸。根據(jù)圣維南原理，在模型水平橫向上，邊界到隧道邊界的距離一般約為3～5倍洞徑；在深埋地段垂直方向上，模型上、下邊界到隧道底部邊界的距離大于3倍洞徑。故模型尺寸選為：40 m×30 m×40 m。

(2)各結(jié)構(gòu)所選用的模擬單元。

①擴(kuò)挖間隙。在實(shí)際工程中，擴(kuò)挖間隙是空的。但在數(shù)值模擬中，為了更好體現(xiàn)擴(kuò)挖間隙的力學(xué)效應(yīng)，我們將擴(kuò)挖間隙建立成有一定厚度的單元，但其強(qiáng)度參數(shù)和彈性模量很小，類(lèi)似于泡沫[8]。在該工程中，擴(kuò)挖間隙為0.10 m。相對(duì)于開(kāi)挖洞徑和管片厚度很小，在FLAC3D中用強(qiáng)度參數(shù)和彈性模量很小的 shell 單元來(lái)模擬。

②護(hù)盾。由于護(hù)盾厚度為0.05 m，相對(duì)于開(kāi)挖洞徑和管片厚度很小，故在FLAC3D中可用模擬噴漿等比較薄的支護(hù)措施的 liner 襯砌單元來(lái)模擬護(hù)盾。在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，護(hù)盾和圍巖之間可以相對(duì)運(yùn)動(dòng)，之間的粘聚力為0。

③管片襯砌。管片厚度為0.35 m，用實(shí)體單元模擬。

(3)邊界條件。模型的左右側(cè)、前后側(cè)以及底部采用位移邊界條件，底部的豎直和水平位移設(shè)置為0；模型的上部采用應(yīng)力邊界條件，量值等于實(shí)測(cè)地應(yīng)力的分量，垂直于邊界面指向模型內(nèi)。

(4)荷載施加方式。模型初始應(yīng)力設(shè)置為實(shí)測(cè)地應(yīng)力，之后進(jìn)行位移清零。

(5)圍巖的本構(gòu)模型采用線彈性—應(yīng)變軟化模型。

根據(jù)卡機(jī)判斷流程，分兩種工況來(lái)討論：不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用和考慮護(hù)盾與圍巖相互作用。計(jì)算時(shí)采用逐步模擬法，開(kāi)挖步距為1.5 m/步。

3.3 不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用

為了說(shuō)明管片對(duì)圍巖變形的約束作用，分別模擬不考慮管片和考慮管片這兩種工況。并將這兩種工況下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

3.3.1 不考慮管片

模型如圖2所示。

圖2 不考慮管片的數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不考慮管片的計(jì)算結(jié)果

上述計(jì)算得到了在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用以及不考慮盾尾管片這種工況下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。在護(hù)盾區(qū)，盾尾處的徑向位移最大，為56.24 cm。從LDP曲線可看出，由于掌子面效應(yīng)，在距離掌子面距離越遠(yuǎn)處，應(yīng)力越充分得到釋放，圍巖徑向位移越大。

3.3.2 考慮管片

模型如圖4所示。

圖4 考慮管片的數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

上述計(jì)算得到了在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用以及考慮盾尾管片的圍巖力學(xué)響應(yīng)。在護(hù)盾區(qū)，盾尾處的徑向位移最大，為55.67 cm。同樣，從LDP曲線可看出，由于掌子面效應(yīng)，在距離掌子面越遠(yuǎn)處，圍巖應(yīng)力釋放得越充分，圍巖徑向位移越大。

由不考慮管片和考慮管片這兩種工況下的豎直位移云圖可看出，考慮管片工況下的豎直位移比不考慮管片工況下的豎直位移小。這是由于盾尾管片對(duì)于圍巖變形有一定的約束作用。而在實(shí)際TBM掘進(jìn)過(guò)程中，管片也是隨著TBM的不斷掘進(jìn)而被安裝。

因此，在考慮管片這種工況下的豎直位移是合理的。護(hù)盾區(qū)的最大豎直位移為55.67 cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)挖間隙(10 cm)。護(hù)盾與圍巖必然接觸。由卡機(jī)流程判斷可知，當(dāng)護(hù)盾區(qū)最大位移大于擴(kuò)挖間隙時(shí)，若護(hù)盾與圍巖間的滑動(dòng)摩擦力大于TBM掘進(jìn)推力，則發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象；否則，不會(huì)發(fā)生卡機(jī)現(xiàn)象，因此，接下來(lái)計(jì)算護(hù)盾與圍巖間的滑動(dòng)摩擦力。

圖5 不考慮管片的計(jì)算結(jié)果

3.4 考慮護(hù)盾與圍巖相互作用

模型如圖6所示。

計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

上述計(jì)算得到了在考慮護(hù)盾與圍巖相互作用工況下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。由徑向應(yīng)力云圖可看出，護(hù)盾區(qū)的徑向應(yīng)力由掌子面至盾尾處逐漸增加，這是由于隨著距離掌子面的距離增加，應(yīng)力逐漸釋放的結(jié)果。這也與LDP曲線的規(guī)律相符。

護(hù)盾所受的摩擦阻力Fs如式(1)：

Fs=μmg+μPN(x)

(1)

式中，μ為護(hù)盾與圍巖的摩擦系數(shù)。據(jù)Gehring(1996)，護(hù)盾與圍巖間的摩擦系數(shù)μ的取值范圍為0.15～0.30。在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，μ取0.2。m為護(hù)盾質(zhì)量。pN(x)為護(hù)盾區(qū)圍巖與護(hù)盾接觸面上某一點(diǎn)的圍巖對(duì)護(hù)盾的徑向壓力。

圖6 考慮護(hù)盾與圍巖相互作用的數(shù)值計(jì)算模型

由式(1)與圖7中的徑向應(yīng)力云圖可得護(hù)盾所受的摩擦阻力Fs=59.682 MN，大于推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力FN=59 MN。由卡機(jī)判斷流程可知，TBM在研究的大變形洞段(CH16+775附近)發(fā)生卡機(jī)，這與實(shí)際情況相符。

4 控制措施

避免卡機(jī)的措施主要是在護(hù)盾與圍巖間預(yù)留足夠的間隙，使開(kāi)挖后圍巖的徑向位移可以得到充分釋放。將擴(kuò)挖間隙擴(kuò)大至20 cm時(shí)。計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖7 考慮護(hù)盾與圍巖相互作用的計(jì)算結(jié)果

圖8 增大擴(kuò)挖間隙考慮護(hù)盾與圍巖相互作用的計(jì)算結(jié)果

上述計(jì)算結(jié)果得到了將擴(kuò)挖間隙增至20 cm工況下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。由式(1)與圖8中的徑向應(yīng)力云圖可得護(hù)盾所受的摩擦阻力Fs=9.682 MN，小于推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力FN=59 MN。由卡機(jī)判斷流程可知，TBM在采取擴(kuò)挖措施的情況下不會(huì)發(fā)生卡機(jī)。

5 結(jié) 論

(1)給出了卡機(jī)判斷流程。

(2)用FLAC3D分別建立在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下不考慮與考慮盾尾襯砌這兩種工況下的計(jì)算模型，求得這兩種工況下的圍巖力學(xué)響應(yīng)。結(jié)果表明，考慮盾尾襯砌工況下的最大豎直位移小于不考慮盾尾襯砌工況下的最大豎直位移。盾尾襯砌對(duì)圍巖變形具有約束作用。為了符合TBM實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程，選取在不考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下考慮盾尾襯砌這種工況下的最大豎直位移作為卡機(jī)的判斷指標(biāo)。該值大于預(yù)留間隙。

(3)建立考慮護(hù)盾與圍巖相互作用下的計(jì)算模型，求得圍巖力學(xué)響應(yīng)。得到護(hù)盾所受的滑動(dòng)摩擦阻力，該值大于推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力，這表明TBM在樁號(hào)CH16+775附近掘進(jìn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)卡機(jī)。

(4)為了避免卡機(jī)，將預(yù)留間隙從10 cm增加至20 cm。得到增大預(yù)留間隙工況下的滑動(dòng)摩擦阻力，其小于推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的最大推力，說(shuō)明增大預(yù)留間隙可以有效避免卡機(jī)。