深部復(fù)合地層TBM 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)作用的透明巖體試驗(yàn)研究

任超，孫曉明，李元海，杜建明

（1.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京），北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.北京交通大學(xué) 城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044）

TBM 施工技術(shù)因其勞動(dòng)強(qiáng)度低、施工效率高、對(duì)圍巖擾動(dòng)小等一系列優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于公路與鐵路隧道、水利與水電輸水涵洞等[1].國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)TBM 隧（巷）道施工引起的諸如可掘性、圍巖失穩(wěn)、卡機(jī)、支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等問題進(jìn)行了深入研究[2-7]，如張桂菊等[2]利用顆粒流理論及TBM 滾刀破巖試驗(yàn)臺(tái)，研究了巖石溫度對(duì)盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)破巖特性的影響，結(jié)果表明巖石溫度的升高有助于提高破巖效率.張子新等[3]首次采用塊體理論分析圍巖穩(wěn)定性，認(rèn)為節(jié)理巖體的地質(zhì)賦存特征和TBM 擾動(dòng)最終導(dǎo)致圍巖失穩(wěn).Bayati 等[4]采用局部注漿和加固的方式，為TBM 過斷層破碎帶提供了一定的借鑒.Hasanpour等[5]采用數(shù)值模擬方法，對(duì)TBM 卡機(jī)事故進(jìn)行分析，得到結(jié)論：數(shù)值模擬可用于不良地質(zhì)條件下掘進(jìn)所需推力的預(yù)測(cè).Meda 等[6]發(fā)明了一種可用于評(píng)估受TBM推力影響的襯砌段結(jié)構(gòu)性能的程序.Galvan 等[7]通過有限元模型對(duì)TBM 推進(jìn)后殘余軸向荷載對(duì)管片穩(wěn)定性的影響進(jìn)行研究，研究表明軸向荷載在管片環(huán)間產(chǎn)生耦合效應(yīng)，對(duì)管片穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生不良影響.

綜上，現(xiàn)有研究多側(cè)重于工程經(jīng)驗(yàn)的類比分析及數(shù)值計(jì)算的仿真分析，采用物理模型試驗(yàn)從宏觀上將TBM 開挖、圍巖和支護(hù)三者有機(jī)結(jié)合的研究較少.對(duì)于深部復(fù)合地層TBM 隧道施工，由于復(fù)合地層的軟硬不均，表現(xiàn)出的突出問題為圍巖擠壓大變形導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)、掌子面塌方，繼而引起TBM 卡機(jī)（卡盾和刀盤）、設(shè)備損毀等事故災(zāi)害.在這些深部工程中，由于地應(yīng)力的急劇增大和所處地質(zhì)力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜多樣性，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)失效、隧道失穩(wěn)的情況時(shí)有發(fā)生，長期動(dòng)壓下或不同埋深下圍巖穩(wěn)定性及其控制問題也變得越來越突出.圍巖穩(wěn)定性控制的研究須借助圍巖變形的規(guī)律和支護(hù)控制機(jī)理，以便選擇恰當(dāng)?shù)闹ёo(hù)時(shí)機(jī)和合理的支護(hù)方式，進(jìn)而改進(jìn)現(xiàn)有設(shè)計(jì)，以便實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)施工的目的.對(duì)于深部復(fù)合地層TBM 隧道，圍巖內(nèi)部應(yīng)力與位移的時(shí)空演化規(guī)律尚不完全清楚，支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用機(jī)理鮮有報(bào)道，支護(hù)設(shè)計(jì)缺乏理論指導(dǎo)，而現(xiàn)有的淺部圍巖支護(hù)與穩(wěn)定性控制理論并不能照搬到深部TBM隧道中.

李元海等[8]在前人研究基礎(chǔ)上，提出了透明巖體試驗(yàn)新方法.該方法結(jié)合數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)可獲得巖體內(nèi)部全過程、全域的變形破裂特征，有效解決了變形觀測(cè)面單一、只有變形結(jié)果沒有變形過程等問題.基于此技術(shù)，本文進(jìn)一步豐富了透明巖體可模擬巖體種類的多樣性，同時(shí)通過自制掘進(jìn)機(jī)試驗(yàn)裝置模擬TBM 掘進(jìn)，結(jié)合數(shù)字照相量測(cè)系統(tǒng)，具體分析了圍巖變形、位移等特征.根據(jù)圍巖變形破裂的特征，反推支護(hù)結(jié)構(gòu)受力情況，最終得出深部復(fù)合地層TBM施工下圍巖和支護(hù)相互作用以及圍巖變形破裂規(guī)律，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用和破壞機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)分析.

1 研究背景

本試驗(yàn)為一般性問題研究，假設(shè)地表平整，TBM施工的隧道埋深為700 m，隧道斷面為圓形且直徑為4 m，采用直徑為4 m 的中型TBM 開挖.模擬對(duì)象為四川地區(qū)由泥巖和泥質(zhì)粉砂巖組成的上軟下硬復(fù)合地層，巖石力學(xué)性能參數(shù)見表1.地層斷面圖如圖1所示.

表1 巖石力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of rock

圖1 TBM 隧道復(fù)合地層斷面圖Fig.1 TBM tunnel mixed stratigraphic section

2 深部復(fù)合地層TBM 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)作用試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)滿足的相似關(guān)系

本試驗(yàn)根據(jù)“模擬范圍至少應(yīng)大于開挖空間的3倍”的要求，取模型試驗(yàn)幾何相似比CL=50，容重相似比Cγ=2.29，則依據(jù)相似準(zhǔn)則，Cc=CE=Cσ=CR=CρCL，Cυ=Cφ=1，整個(gè)模型模擬的實(shí)際范圍為20 m×15 m×5 m.隧道模型幾何尺寸計(jì)算如下：隧道直徑為0.08 m，模型體長為0.4 m，模型體高為0.3 m，模型體寬為0.1 m.

2.2 透明巖體材料的相似性及優(yōu)越性說明

透明巖體試驗(yàn)技術(shù)仍處于探索階段，透明巖體材料作為一種特殊新材料，難以做到各指標(biāo)的完全相似.由表2 可知，已有研究[9-10]所得力學(xué)參數(shù)與目標(biāo)巖體在黏聚力和內(nèi)摩擦角數(shù)值上有一定差異，可能會(huì)影響變形過程的時(shí)間長短，但不影響圍巖變形破裂的模式,且內(nèi)摩擦角和黏聚力與材料配比關(guān)系不大，與固結(jié)壓力和固結(jié)時(shí)間關(guān)系密切.如圖2 所示，在含孔洞的透明巖體模型試驗(yàn)中，孔洞周圍出現(xiàn)了巖體特有的破裂特征，與采用砂+石蠟制作的普通相似材料獲得的破裂特征十分相近[10-11].這說明透明巖體材料適合模擬巖體的變形與破裂特征,通過觀測(cè)破裂最初孕育的位置、已有源破裂的擴(kuò)展等，可從源頭上獲得圍巖變形破壞機(jī)理.與此同時(shí)，可克服聲發(fā)射、CT 掃描以及鉆孔攝像等接觸式測(cè)量所帶來的諸如尺寸效應(yīng)、數(shù)據(jù)采集量不完整和靈活性差等問題.

表2 模型力學(xué)參數(shù)與透明巖體力學(xué)參數(shù)表Tab.2 Mechanical parameters of model and transparent rock mass

圖2 透明巖體和普通巖體巷道模型卸載后的破裂特征Fig.2 Cracking characteristics of roadway model in both transparent rock samples and general rock samples after unloading

因此本次試驗(yàn)綜合考慮透明巖體材料的透明度、強(qiáng)度及散斑相關(guān)性等關(guān)鍵問題，將抗壓強(qiáng)度、彈性模量作為主要相似指標(biāo).已有試驗(yàn)表明[12]，由48 μm（300 目）硅粉配制得到的相似材料的透明度最好，且顆粒越粗，巖體強(qiáng)度越低.為了模擬復(fù)合地層中的上部較軟地層，試驗(yàn)中采用48 μm（300 目）（細(xì)顆粒）和550 μm（30 目）（粗顆粒），質(zhì)量比分別為10 ∶0.5、10 ∶1、10 ∶2 的混合硅粉進(jìn)行單軸抗壓試驗(yàn)，透明巖體（復(fù)合）試樣如圖3（a）所示，其單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖3（b）所示.經(jīng)測(cè)定，采用細(xì)粗顆粒10 ∶1 的透明巖體試樣符合本次試驗(yàn)需要，強(qiáng)度比符合相似理論.

最終采用下部地層骨料為48 μm（300 目）（細(xì)顆粒）硅粉，上部地層骨料為10 ∶1 的混合硅粉.其中，礦物油溶液配比為1 ∶0.835，固結(jié)壓力1 MPa，固結(jié)時(shí)間為30 d.

圖3 透明巖體（復(fù)合）試樣及單軸壓縮應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.3 Transparent rock mass（composite）sample and uniaxial compressive stress-strain curve

2.3 掘進(jìn)機(jī)模擬裝置

現(xiàn)有TBM 模擬試驗(yàn)裝置同樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸較大，無法滿足小型試驗(yàn)要求.因此在滿足TBM 的基本工作原理的情況下，結(jié)合本次試驗(yàn)加載系統(tǒng)荷載大小以及模型箱尺寸，特設(shè)計(jì)了“掘進(jìn)機(jī)模擬試驗(yàn)裝置”[13]，該試驗(yàn)系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

1）機(jī)架穩(wěn)定部分：為機(jī)身提供支撐，通過滑動(dòng)架在導(dǎo)軌上的來回移動(dòng)來控制開挖進(jìn)尺.

2）掘進(jìn)部分：通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)鉆桿和刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到切削巖體的目的.刀盤上帶有排渣口，并與鉆桿上的螺旋葉片組合，以實(shí)現(xiàn)排渣.鉆桿為可拆卸式螺旋鉆桿，可實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)，掘進(jìn)速度可通過把手處的減速開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié).

圖4 隧道掘進(jìn)機(jī)模擬試驗(yàn)裝置主體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the experimental device of TBM main structure simulation

2.4 模型制作方法

模型制作方法如圖5 所示，過程如下.

圖5 透明巖體模型的主要制作方法Fig.5 Main production methods of transparent rock mass model

1）制作散斑顆粒：將不同粒徑的硅粉顆粒進(jìn)行噴漆處理后按相同質(zhì)量比進(jìn)行配比、攪拌，得到滿足試驗(yàn)要求的散斑顆粒.

2）組合玻璃箱：玻璃板預(yù)先進(jìn)行了切割開槽處理，并將有排液孔的一面用膠帶密封，防止漏液.用打包機(jī)將玻璃板進(jìn)行封閉組合，將加工好的鋼板插入預(yù)先設(shè)置好的卡槽內(nèi)，予以分割澆筑.

3）配相似材料：將2 種不同配比的硅粉按質(zhì)量比0.65[硅粉質(zhì)量∶礦物油（液體石蠟和正十三烷質(zhì)量比0.835）質(zhì)量]進(jìn)行混合攪拌.

4）抽真空與制斑：采用逐層澆筑（每次2～3 cm）的方法進(jìn)行抽真空，抽真空的時(shí)間約為20～30 min.當(dāng)模型澆筑高度達(dá)到人工制斑面的預(yù)定位置時(shí)（距箱底約3 cm），在分割區(qū)均勻撒一層彩色混合硅粉顆粒，形成人工制斑面；接著，繼續(xù)往玻璃箱內(nèi)倒入相似材料進(jìn)行抽真空，直至模型整體澆筑完成.

5）加固玻璃箱：進(jìn)行模型封頂，并將玻璃箱和鋼框架進(jìn)行組合.

6）模型固結(jié)：采用逐級(jí)加載的方式進(jìn)行加壓固結(jié)，在7 d 后達(dá)到預(yù)定壓力值1.5 MPa；在預(yù)定壓力值加載10 d 后，逐級(jí)卸載至試驗(yàn)?zāi)M設(shè)定的地應(yīng)力值.

2.5 支護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法

根據(jù)達(dá)坂巖石隧道[14]所提供的技術(shù)資料，管片的平均抗壓強(qiáng)度為46.8～50.9 MPa.鑒于本次研究對(duì)象為埋深700 m 深部TBM 隧道，所需管片抗壓強(qiáng)度較高，且暫無相關(guān)工程資料可借鑒，擬假設(shè)TBM 管片由高強(qiáng)混凝土C75 澆筑而成.管片重度為25 kN/m3，彈性模量為37.5 GPa，石膏容重約為12 kN/m3，由之前推導(dǎo)的相似關(guān)系可得，CE=Cσ=CR=CρCL=115，即混凝土管片的抗壓強(qiáng)度和彈性模量為原型的1/115.

因試驗(yàn)平臺(tái)尺寸限制，主要考慮支護(hù)結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度和彈性模量以及泊松比等的相似性，不考慮接頭和鋼筋的相似性，以及拼接方式對(duì)管片的影響.現(xiàn)有對(duì)TBM 管片結(jié)構(gòu)的模擬，主要采用原型材料，王立川[15]采用石膏+水并進(jìn)行配比試驗(yàn)，作為隧道管片的模型材料，見表3.表4 為襯砌材料及原型材料力學(xué)參數(shù)表.

依據(jù)表4，本試驗(yàn)最終確定的配比如下：襯砌模擬采用石膏與水體積比為1 ∶0.75，即質(zhì)量比1.35 ∶1.模型管片制作過程如圖6 所示.制作好的模型管片尺寸為：內(nèi)徑50 mm，外徑70 mm，長度100 mm，壁厚10 mm.

表3 不同配比下管片的力學(xué)性質(zhì)及相似比[15]Tab.3 Mechanical properties and similarity ratio of the different ratio of segment

表4 襯砌材料及原型材料力學(xué)參數(shù)表Tab.4 Mechanical parameters of lining materials and prototype materials

圖6 澆筑模具及模型管片示意圖Fig.6 Schematic diagram of the model of segment

2.6 隧道的開挖和加載設(shè)計(jì)

當(dāng)隧道模型制作完成后，就可進(jìn)行隧道的開挖加載試驗(yàn)，如圖7 所示，具體步驟如下.

圖7 隧道開挖與加載Fig.7 Roadway excavation and loading process

1）試驗(yàn)準(zhǔn)備：試驗(yàn)開始前，首先確保模型頂面恒定加載壓力為10 kN，隨后架設(shè)相機(jī)和攝影燈確保拍攝過程中光照穩(wěn)定和均勻.

2）隧道開挖：在相似理論中，時(shí)間相似比和幾何相似比是開方關(guān)系，可推斷原型和模型的相似比是7.07.本次選用的TBM 開挖日進(jìn)尺50 m/d.由此可知，TBM 純掘進(jìn)進(jìn)尺為8.3 m/h，最終得到本次開挖時(shí)間為5 min，開挖方式為一次開挖完成.

3）隧道加載：隧道掘進(jìn)開挖完成后，對(duì)于無支護(hù)模型，可直接進(jìn)行加載.對(duì)于有支護(hù)模型，人為施加管片支護(hù)后對(duì)其頂部繼續(xù)進(jìn)行加載.加載方式按照每級(jí)荷載遞增3 kN，時(shí)間為15 min，加載速率為10 N/s，直至隧道發(fā)生失穩(wěn)破壞.加載過程中，進(jìn)行圖像自動(dòng)采集，頻率為10 s/張.

2.7 數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)

數(shù)字照相量測(cè)技術(shù)[16]是一種分析巖土試驗(yàn)?zāi)Ｐ妥冃螆?chǎng)量測(cè)方法，由PhotoInfor 軟件和PostViewer 軟件兩大部分組成.PhotoInfor 主要負(fù)責(zé)數(shù)字圖像的變形分析，而PostViewer 則負(fù)責(zé)對(duì)分析結(jié)果的圖形繪制和進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析.試驗(yàn)結(jié)束后，采用PhotoInfor 軟件對(duì)圖片進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換（RAW 轉(zhuǎn)BMP）后圖像分析，測(cè)點(diǎn)網(wǎng)格則采用ANSYS 進(jìn)行單元?jiǎng)澐趾髮?dǎo)入PostViewer.由于開挖時(shí)間較短，對(duì)于圍巖變形影響很小，本文僅對(duì)加載過程中的圍巖變形圖形進(jìn)行分析，網(wǎng)格劃分如圖8 所示.

圖8 網(wǎng)格劃分Fig.8 Mesh generation

3 深部復(fù)合地層圍巖變形破裂演變規(guī)律

如圖9 所示，無支護(hù)模型從加載直至破壞經(jīng)歷5個(gè)階段，圍巖極限承載力為0.60 MPa.主要的試驗(yàn)圖像如圖10 所示.

3.1 豎向位移

圖9 頂部荷載-時(shí)間變化曲線（無支護(hù)）Fig.9 Top load-time curve（without support）

圖10 無支護(hù)模型的主要試驗(yàn)圖像Fig.10 Main test images of unsupported model

圖11 為不同荷載作用下模型的豎向位移云圖.由圖可知，底板巖體向隧道內(nèi)發(fā)生隆起，在孔洞周圍表現(xiàn)為豎向位移的收斂，見圖11（b）～（f）.不同荷載作用下，隧道頂部巖體的豎向位移總是在拱頂附近出現(xiàn)最大值，并由該位置向圍巖深處發(fā)展，其值逐漸減小.在變形初期（0.25～0.40 MPa），隧道豎向位移并無明顯的特征和規(guī)律.隨著頂部荷載的增加（0.40～0.55 MPa），隧道拱頂和底板巖體的豎向位移雖然都逐漸增大，但隧道拱頂豎向位移變化要比兩邊墻、底板明顯得多；隧道豎向位移最大值由拱頂向兩邊墻斜上方擴(kuò)散，這進(jìn)一步表明，隨著頂部荷載的增加，隧道拱頂巖體將可能沿著隧道兩邊墻兩條弧線而向隧道內(nèi)發(fā)生滑動(dòng)，導(dǎo)致隧道失穩(wěn)破壞，見圖11（b）～（e）.當(dāng)頂部荷載達(dá)到0.60 MPa（見圖11（f））時(shí)，隧道表面位移場(chǎng)呈現(xiàn)出X 形破裂、左右對(duì)稱特征，隧道豎向位移的變化突出表現(xiàn)在頂部最大，并由頂部向兩邊墻依次遞減.

圖11 豎向位移云圖（無支護(hù)）Fig.11 Vertical displacement cloud map（without support）

3.2 水平位移

水平位移分布云圖（無支護(hù)）如圖12 所示.圍巖的水平位移主要集中發(fā)生在X 形左右兩側(cè)（圖12（f））呈對(duì)稱分布.同時(shí)孔洞周圍表現(xiàn)為兩邊墻部位的擠出和底板的鼓出.水平位移在整個(gè)過程（＞0.47 MPa）表現(xiàn)為突發(fā)性增長，但在增長過程中，水平位移的變形基本趨于穩(wěn)定，這與透明巖體塑性大不無關(guān)系（見圖12（b）～（f））.

圖12 水平位移云圖（無支護(hù)）Fig.12 Horizontal displacement cloud map（without support）

3.3 最大剪應(yīng)變

最大剪應(yīng)變是反映圍巖變形破裂狀況的重要指標(biāo)之一，最大剪應(yīng)變?cè)茍D（無支護(hù)）如圖13 所示.當(dāng)模型頂部荷載小于0.40 MPa 時(shí)，隧道周邊巖體最大剪應(yīng)變并不明顯，當(dāng)模型頂部荷載大于0.40 MPa 時(shí)，最大剪應(yīng)變表現(xiàn)為突發(fā)性的增大，在兩邊墻拱腰處最大，表明此時(shí)隧道周邊巖體的破裂主要發(fā)生在兩邊墻拱腰處；隨著頂部荷載的增大，隧道兩邊墻巖體的破裂將逐漸往拱頂擴(kuò)展；由圖13（f）可知，隨著頂部荷載的增大，最終，隧道周邊巖體的破裂將主要集中在隧道拱頂和兩邊墻區(qū)域.

圖13 最大剪應(yīng)變?cè)茍D（無支護(hù)）Fig.13 Maximum shear strain cloud map（without support）

3.4 圍巖位移演變的定量分析

從分析圖像的隧道拱頂、左右兩邊墻、底板選取4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)4 個(gè)測(cè)點(diǎn)的總位移進(jìn)行定量分析，如圖14 所示.

頂部荷載在0.33 MPa 之前，圍巖拱頂、底板、兩邊墻總位移變化并不明顯且位移變化趨勢(shì)一致；0.33 MPa 之后，拱頂、底板、兩邊墻圍巖總位移出現(xiàn)了明顯的分化增長；當(dāng)圍巖最終破壞時(shí)（0.58 MPa），測(cè)點(diǎn)總位移分別為25.02 mm、12.73 mm、9.01 mm、5.45 mm.

圖14 頂部荷載-位移變化曲線（無支護(hù)）Fig.14 Top load-displacement curve（without support）

4 深部復(fù)合地層圍巖變形破裂的時(shí)空效應(yīng)

如圖15 所示，圍巖在頂部荷載達(dá)到1.13 MPa時(shí)，發(fā)生最終破壞.主要試驗(yàn)圖像如圖16 所示.

圖15 頂部荷載-時(shí)間的變化曲線（有支護(hù)）Fig.15 Top load-time curve（with support）

圖16 主要試驗(yàn)圖像（有支護(hù)）Fig.16 Main test image（with support）

4.1 豎向位移

圖17 為不同荷載作用下模型的豎向位移云圖（有支護(hù)）.在圍巖和支護(hù)共同作用前期（0.25～0.45 MPa），豎向位移增長緩慢，沒有出現(xiàn)較大的突變和拐點(diǎn).圍巖和支護(hù)共同作用中期（0.45～0.95 MPa），隨著頂部荷載的增加，豎向位移的最大值總是均勻分布在淺部巖體，由淺部巖體向深部巖體有層次地、較為均勻地遞減，這表明淺部圍巖發(fā)生的松動(dòng)破壞，使破碎圍巖在支護(hù)阻力作用下能形成穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，淺部與深部承載區(qū)域的協(xié)調(diào)作用增強(qiáng)了深部隧道圍巖變形的穩(wěn)定性.支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞前（1.13 MPa），模型頂部豎向位移出現(xiàn)了“塊塊狀”的形態(tài)，表明淺部圍巖出現(xiàn)了破壞.隧道兩邊墻有一定的變形，即使支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞，隧道底板豎向位移仍較小，說明支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地抑制了底鼓.

圖17 豎向位移云圖（有支護(hù)）Fig.17 Vertical displacement cloud map（with support）

將圖17（f）同圖11（f）對(duì)比，模型并未出現(xiàn)整體性滑動(dòng)，且未出現(xiàn)“X”形破壞特征.說明支護(hù)結(jié)構(gòu)改善了圍巖受力情況，圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)共同的承載體，避免了由于應(yīng)力集中導(dǎo)致的位移集中的現(xiàn)象.支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地提高了圍巖強(qiáng)度，減緩了圍巖破碎時(shí)間，維護(hù)了圍巖穩(wěn)定性.圖17（f）揭示了圍巖內(nèi)部最終破壞原因是由于上部圍巖的垮塌造成支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的破壞.

4.2 水平位移

不同荷載作用下模型的水平位移分布云圖（有支護(hù)）如圖18 所示.由圖可知，在圍巖和支護(hù)共同作用前期（0.25～0.45 MPa），隧道水平位移并無明顯變化.圍巖和支護(hù)共同作用中期（0.45～0.95 MPa）水平位移主要產(chǎn)生在隧道兩邊墻.支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞前（1.13 MPa），將圖18（f）同圖12（f）對(duì)比，隧道兩邊墻的水平位移始終保持著較小的發(fā)展，而拱頂水平位移變化較大，這說明支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地限制了水平位移的發(fā)展，使整個(gè)模型受力由水平受拉剪變?yōu)樨Q向受壓.綜上，在不同荷載下，隧道的水平位移未出現(xiàn)較大的突變和拐點(diǎn)，支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地限制了水平位移的發(fā)展，隧道周邊水平位移始終維持較小的波動(dòng)，從而保證了隧道本身的穩(wěn)定和安全.

圖18 水平位移云圖（有支護(hù)）Fig.18 Horizontal displacement cloud map（with support）

4.3 最大剪應(yīng)變

最大剪應(yīng)變?cè)茍D（有支護(hù)）如圖19 所示.由圖可知，在圍巖和支護(hù)共同作用前期（0.25～0.45 MPa），巖體的最大剪應(yīng)變無明顯變化；圍巖和支護(hù)共同作用中期（0.45～0.95 MPa），圍巖的最大剪應(yīng)變開始出現(xiàn)在模型上部，隧道周邊巖體最大剪應(yīng)變出現(xiàn)在隧道兩邊墻邊角處，隨著頂部荷載的增大，隧道兩邊墻巖體的破裂將集中在拱頂.圖19（f）揭示了支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞的原因是由于上部巖體對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)碎脹擠壓作用造成拱頂?shù)钠茐暮涂逅?

圖19 最大剪應(yīng)變?cè)茍D（有支護(hù)）Fig.19 Maximum shear strain cloud map（with support）

4.4 圍巖位移演變的定量分析

從分析圖像隧道拱頂、左右兩邊墻、底板選取4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)測(cè)點(diǎn)的總位移進(jìn)行定量分析，如圖20所示.

圖20 頂部荷載-位移變化曲線（有支護(hù)）Fig.20 Top load-displacement curve（with support）

在頂部荷載為0.48 MPa 之前，圍巖拱頂、底板、兩邊墻總位移基本不發(fā)生變化，這說明支護(hù)結(jié)構(gòu)有效地限制了圍巖的發(fā)展.在0.48 MPa 之后，拱頂、底板、兩邊墻圍巖總位移出現(xiàn)了明顯的分化增長，且頂部、左、右兩邊墻總位移增長趨于一致.當(dāng)圍巖最終破壞時(shí)（1.13 MPa），測(cè)點(diǎn)總位移分別為36.57 mm、27.30 mm、29.07 m、11.40 mm.

5 有、無支護(hù)下圍巖變形破裂結(jié)果對(duì)比分析

結(jié)合圍巖最大剪應(yīng)變?cè)茍D和豎向位移云圖，繪制了模型素描圖.以下通過分析模型素描圖，對(duì)圍巖變形破裂結(jié)果進(jìn)行對(duì)比說明，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)作用和破壞機(jī)理進(jìn)行分析，如表5 所示.

表5 有、無支護(hù)下圍巖變形破裂結(jié)果的對(duì)比分析Tab.5 Comparative analysis of deformation and fracture results of surrounding rock with and without support

6 結(jié)論

1）通過對(duì)比分析深部復(fù)合地層中TBM 隧道有支護(hù)和無支護(hù)情況下圍巖的變形破裂特點(diǎn)，揭示了深部復(fù)合地層TBM 隧道圍巖和支護(hù)相互作用過程，有、無支護(hù)下隧道圍巖變形破裂機(jī)制.

2）通過對(duì)深部復(fù)合地層中TBM 隧道圍巖變形特征的分析，反推了支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用，揭示了支護(hù)結(jié)構(gòu)最終破壞的原因.結(jié)果表明支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)于改善圍巖的應(yīng)力狀態(tài)，提高圍巖的承載能力有顯著作用.即使施加了支護(hù)，兩邊墻拐角處仍會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，在實(shí)際工程中可采用豆礫石回填灌漿、局部區(qū)域注漿加固等措施，以提高該薄弱環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性,有助于工程設(shè)計(jì)施工方的科學(xué)決策.

3）研制開發(fā)了適用于TBM 隧道模型試驗(yàn)研究的隧道掘進(jìn)機(jī)模擬裝置，包括機(jī)架穩(wěn)定部分、掘進(jìn)部分等，其穩(wěn)定性和可靠性在當(dāng)前試驗(yàn)中得到充分檢驗(yàn)，可用于后續(xù)的TBM 試驗(yàn)研究.

4）研制開發(fā)了TBM 管片制作裝置，并由此制作了“模型管片”，可用于TBM 管片、混凝土井壁的模擬.

5）基于透明巖體試驗(yàn)新方法，在澆筑工藝上采用分隔澆注，在配比方法上采用粗細(xì)骨料搭配，研制出基本滿足試驗(yàn)需要的“復(fù)合地層”，改善了以往該技術(shù)模擬巖體單一性的問題，可用于后續(xù)的透明巖體試驗(yàn)研究.