側(cè)壓系數(shù)及回填材料對雙護盾TBM卡機控制的影響分析

溫 森， 賈書耀， 高星璞

(河南大學(xué) 巖土與軌道交通工程研究所，河南 開封 475004)

0 引言

近年來全斷面巖石掘進機TBM在深埋長大隧道及超千米深部巷道掘進施工中，得到越來越廣泛的應(yīng)用。雙護盾TBM在深部擠壓性地層施工時極易因圍巖擠壓大變形而出現(xiàn)卡機事故[1-2]。Ramoni和Anagnostou[3]對擠壓地層中3種類型TBM掘進性能的控制性影響因素進行了探討，并提出了相應(yīng)的對策。兩位學(xué)者在2011年研究了均質(zhì)擠壓地層中護盾、圍巖、支護之間的相互作用[4]。Zhao等[5]在考慮護盾與圍巖不均勻間隙的基礎(chǔ)上建立了三維數(shù)值模型，研究了TBM、襯砌與圍巖之間的相互作用。劉泉聲等[1]采用FLAC3D 研究了擠壓性地層卡機機理，并提出TBM卡機判據(jù)。溫森等[6]在考慮圍巖流變效應(yīng)的基礎(chǔ)上，建立了停機和連續(xù)掘進兩種工況下的卡機狀態(tài)判斷模型，并初步研究了卡機控制措施。Hasanpour等[7-8]運用FLAC3D對雙護盾TBM與圍巖的相互作用機理進行了研究，詳細探討了施工速度、擴挖間隙等對卡機控制的影響。程建龍等[9]運用FLAC3D研究了擴挖量、護盾錐度、護盾長度、側(cè)壓系數(shù)等對雙護盾TBM與圍巖相互作用的影響。黃興等[10]針對引大濟湟工程 TBM 掘進圍巖擠壓大變形和卡機事故進行計算分析。

以上研究成果主要集中在雙護盾TBM卡機機理及擴挖量、護盾長度等因素對卡機控制的影響等方面。研究表明[11-13]，側(cè)壓系數(shù)(水平應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值)是影響圍巖變形、應(yīng)力分布等重要因素；同時，襯砌與圍巖之間的回填層參數(shù)對隧道整體穩(wěn)定性的影響也不容忽略。目前開展側(cè)壓系數(shù)與回填層材料參數(shù)對雙護盾TBM卡機控制影響的研究仍較少?；诖耍P者采用3DEC探討側(cè)壓系數(shù)與回填層材料參數(shù)對雙護盾TBM卡機控制的影響。

1 模型的建立及卡機狀態(tài)判斷

1.1 參數(shù)的選取

選取里昂-都靈隧道作為研究背景。該隧道埋深600 m，自重應(yīng)力15.9 MPa，巖體彈性模量、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、剪脹角分別為942 MPa、0.25、0.61 MPa、28°、8°[14]。

1.2 模型建立與模擬步驟

根據(jù)完整模型的軸對稱特點，計算模型選取完整模型的一半，尺寸為75 m×100 m×150 m，如圖1所示。根據(jù)Hasanpour等[7]的研究結(jié)果，為避免模型邊界效應(yīng)造成的誤差，軟弱圍巖的開挖深度應(yīng)大于4倍隧道斷面直徑，故本文模型中隧道沿軸線方向開挖深度為50 m。

圖1 模型的幾何尺寸Figure 1 Geometric dimensions of models

圖2為雙護盾TBM縱向剖面圖，圖中反映出TBM的幾何構(gòu)造、各部件尺寸以及護盾的錐度(即階梯狀減小的護盾直徑)。雙護盾TBM主要組成的幾何尺寸如表1所示。圖中軟填充階段是指回填層靠近TBM后盾尾部附近的新澆筑階段，其硬化時間較短因而強度也較低；而硬填充階段則指回填層硬化時間較長，強度也較高的階段。

圖2 雙護盾TBM縱向剖面圖Figure 2 The longitudinal profile of the DS-TBM

DS-TBM組件數(shù)值DS-TBM組件數(shù)值刀盤直徑/m12.2前盾長度/m5前盾直徑/m12.13后盾長度/m6后盾直徑/m12.07護盾厚度/m0.03管片直徑/m11.17管片寬度/m2刀盤長度/m0.75管片厚度/m0.45

選取3DEC 內(nèi)置改進的burgers蠕變模型(CVISC)模擬巖體的黏彈塑性特性。模型中蠕變參數(shù)[14]詳見表2。

建模時考慮到TBM自重，將其除以模型中各部件的體積換算出各部件的等效密度[9]。TBM刀盤及前后盾的材料為鋼，預(yù)制襯砌管片為混凝土材料，回填材料為豆礫石灌漿。材料的物理力學(xué)參數(shù)詳見表3[7]。

表2 巖體蠕變本構(gòu)參數(shù)Table 2 Creep constitutive parameters of rock mass

表3 主要部件及襯砌物理力學(xué)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical properties of main components and lining

由于刀盤直徑為12.2 m，4倍隧道斷面直徑接近50 m，計算中每個開挖步的步長設(shè)置為1 m，選取50個開挖步。詳細模擬步驟如圖3所示。

1.3 卡機狀態(tài)判斷

若TBM總阻力大于額定推力FI，TBM則被卡住，卡機狀態(tài)可用式(1)判斷。

Rp(t)+RW+Fr>FI,

(1)

式中：Rp(t)為TBM上圍巖壓力產(chǎn)生的阻力；Rw為TBM自重產(chǎn)生的阻力；Fr為TBM保持正常連續(xù)掘進所需的推力。

Rp(t)可以通過式(2)計算得到。

Rp(t)=Rs(t)·μ·β,

(2)

式中：Rs(t) 為TBM上的圍巖壓力；μ為TBM與圍巖間的摩擦系數(shù)；β為有效折減系數(shù)。

Rs(t)可通過編寫FISH語言從數(shù)值模擬的TBM刀盤、前后盾與圍巖的接觸單元中提取。μ的取值范圍為0.15～0.30[8]，本文取μ=0.30。β為刀盤半徑或前盾半徑或后盾半徑r與隧道半徑R的比值[7]，分別為0.988、0.983與0.978。

Rw可以通過式(3)計算得到。

RW=μW,

(3)

式中：W為TBM自重。

2 側(cè)壓系數(shù)及回填材料的影響分析

2.1 側(cè)壓系數(shù)對TBM卡機控制的影響

大量的地質(zhì)調(diào)查結(jié)果和地應(yīng)力實測統(tǒng)計資料表明，λ大多數(shù)處于0.8～1.5。為了探討不同λ對雙護盾TBM施工的影響，分別計算λ=0.6、0.8、1.0、1.2、1.4和1.6時的情況，探討不同λ對TBM接觸壓力和總阻力的變化規(guī)律。參考已有研究，模擬中設(shè)定施工速度分別為AR=12、24 m/d，擴挖間隙Δr依次為10、18 cm。

圖3 雙護盾TBM掘進模擬步驟Figure 3 The modelling steps of DS-TBM Tunneling

圖4是TBM接觸壓力和λ的關(guān)系圖。圖4顯示，隨著λ的增大，TBM接觸壓力不斷增大。且隨著λ的增加接觸壓力遞增趨勢逐漸變大，即λ越大對TBM掘進越不利。

圖4 λ對TBM接觸壓力的影響Figure 4 The impact of λ on the contact force

根據(jù)由式(1)～(3)計算不同λ的TBM總阻力，繪制圖5。圖5顯示，隨著λ的增大，TBM的總阻力不斷增大。表4給出了5個不同范圍λ(每個范圍λ變化均為0.2)下的TBM總阻力的增長比例。

圖5 λ對TBM總阻力的影響Figure 5 The impact of λ on the total resistance

由圖5與表4可得，當(dāng)λ≤1時，總阻力的曲線趨勢較為平緩，其增長比例也相對較??；當(dāng)1<λ≤1.2時，TBM總阻力增長比例約為λ≤1時的2倍；當(dāng)λ>1.2時，TBM總阻力急劇增長，其增長比例約為λ≤1的3～4倍，此時λ的增大對TBM總阻力影響較大。

由此說明，λ的增大對TBM的卡機控制產(chǎn)生了不利的影響。圖5中給出了卡機狀態(tài)分界線，不同的掘進速度和擴挖間隙卡機臨界狀態(tài)時的側(cè)壓系數(shù)并不相同。但是不管掘進速度和擴挖間隙多大，λ的增加對TBM施工越來越不利。

表4 不同范圍λ下的TBM總阻力增長比例Table 4 The extended rate of the total resistance among different internals of λ

2.2 回填材料變形參數(shù)對TBM卡機控制的影響

假定管片襯砌支護體系處于彈性工作狀態(tài)，以下針對回填材料的彈性模量E和泊松比μ對 TBM掘進的影響進行探討。假設(shè)回填材料的E大小處于圍巖與預(yù)制管片之間；根據(jù)一般回填層材料性質(zhì)確定其μ、ρ值，如表5所示。

表5 圍巖、回填層與預(yù)制管片的物理力學(xué)參數(shù)Table 5 The physical and mechanical parameters of surrounding rock、backfill layer and segment

圖6和圖7是在AR=12 m/d，Δr=10 cm的掘進條件下，回填層E=1、12、24GPa時TBM總接觸壓力、總阻力與μ的關(guān)系曲線。圖中顯示，TBM總接觸壓力與TBM總阻力均隨回填材料μ的增大而減小，但其降低比例很小，例如，μ從0.2增加至0.3時，TBM總接觸壓力最大降低了3.1%，TBM總阻力最大降低了1.2%。由此可見μ的改變對TBM總阻力影響很小。因此，后續(xù)研究假定μ為定值0.3，只考慮E值變化對TBM掘進的影響。

圖6 TBM總接觸壓力、與μ關(guān)系圖Figure 6 The relationship of contact force and μ

圖7 TBM總阻力與μ關(guān)系圖Figure 7 The relationship of the total resistance and μ

討論回填材料E的影響時，設(shè)定AR=12 m/d、24 m/d和擴挖間隙分別為Δr=10 cm、18 cm。計算中E取值為：E=1、6、12、18、24、30和36 GPa。

圖8為不同掘進條件下，回填材料E與TBM刀盤、護盾的接觸壓力關(guān)系曲線。從圖中可見，4種不同的TBM掘進條件下，E的改變均對TBM各部件產(chǎn)生了不同程度上的影響。其中刀盤上的接觸壓力受到的影響最小，這是因為刀盤距掌子面較近，受掌子面效應(yīng)的影響最大，且刀盤距離回填襯砌段又相對較遠；對于前盾和后盾而言，隨著E的增加前后盾上的接觸壓力均呈減小趨勢。同時受到前盾、后盾與圍巖間隙階梯型降低的影響，在各個掘進條件下均呈現(xiàn)出前盾接觸壓力大于后盾的規(guī)律。由于回填部位緊鄰后盾尾部，隨著E的增大，后盾的接觸壓力降低趨勢最為明顯。

圖8 不同回填材料E與TBM的接觸壓力關(guān)系圖Figure 8 The relationship of E and the contact pressure

圖9為各掘進條件下的不同回填材料E與TBM總阻力的關(guān)系圖，為清晰反映各掘進條件下的TBM總阻力降低情況，計算不同回填材料E下的TBM總阻力增長比例，如表6所示。圖9和表6均顯示出在4種不同的掘進條件下，隨著E的不斷增大，TBM的總阻力呈現(xiàn)降低趨勢。

圖9 不同回填材料E與TBM總阻力關(guān)系圖Figure 9 The relationship of E and the total resistance

AR/(m·d-1)Δr/cm總阻力降低比例/%E=1～12 GPaE=12～24 GPaE=24～36 GPa2412103.13.63.3183.53.73.6103.63.53.4182.63.97.3

注：1～12表示E從1 GPa增加至12 GPa。

由圖8和圖9可知，回填材料的E越大其力學(xué)傳遞性能越好，對圍巖的穩(wěn)定性也越好，對TBM卡機控制產(chǎn)生有利影響。因此在TBM施工中可據(jù)此規(guī)律選擇彈性模量較大的回填材料，更好的發(fā)揮回填層對圍巖的穩(wěn)定作用，同時降低TBM卡機概率。

2.3 軟填充長度對TBM卡機控制的影響

圖10為回填層軟、硬填充階段的局部示意圖。眾多研究中[5-8, 14]常將軟填充階段的長度假定為2 m，其彈性模量為硬填充階段的一半，但工程中軟填充長度取決于TBM施工速度和回填漿液的硬化速度。目前未見對回填層軟填充長度Lr討論的文獻。

研究中，分別計算Lr為2、5、8、10、12 m的情況。回填材料的E分別取6、12、18GPa，施工速度和擴挖間隙分別取12 m/d和10 cm。

圖11為不同E時，Lr與TBM總阻力關(guān)系圖。圖中顯示，不論E多大，Lr的增加均造成TBM總阻力不斷增大。E分別為6、12、18 GPa時，當(dāng)Lr從2 m增加至12 m，TBM總阻力分別增長了13.3%、13.7%、14.1%。由此可見，Lr的增加，顯著增加了TBM卡機的概率。

圖11 Lr與TBM總阻力關(guān)系圖Figure 11 The relationship of Lr and the total resistance

在同一施工速度和擴挖間隙下，較長的Lr代表著回填灌漿物的硬化時間長、早期強度低，對TBM掘進不利。為了對TBM施工更有利，合理控制回填漿液的硬化速度很有必要。此外，TBM施工中回填需要大量的輸送設(shè)備，而TBM內(nèi)部的操作空間又相對比較狹小，常會出現(xiàn)因施工工序不協(xié)調(diào)，施工組織管理不完善而造成回填灌漿嚴重滯后的現(xiàn)象。由上可知，滯后的回填層施工將對卡機控制帶來不利影響。為了避免或降低TBM掘進過程中卡機概率，因此，回填施工過程中，可選擇合理的添加劑，達到回填漿液早強和快硬的目的；也可通過制定合理的施工組織方案等措施，避免回填層施工嚴重滯后于TBM掘進。

3 結(jié)論

(1)λ越大，對TBM卡機控制越不利。當(dāng)λ<1時，其對TBM接觸壓力和總阻力的影響較?。划?dāng)λ≥1時，增加λ對TBM接觸壓力和總阻力的影響較為明顯，而當(dāng)λ≥1.2時，TBM接觸壓力和總阻力隨λ的增加而急劇增大，對TBM卡機控制極為不利。

(2)回填材料E越大TBM的總接觸壓力和總阻力越小。選擇彈性模量較大的回填材料更有利于TBM的卡機控制。

(3)其他條件一定時，Lr越大TBM掘進總阻力越大。