敞開式TBM穿越斷層破碎帶時(shí)巖-機(jī)作用分析

劉琪　張傳健　顏天佑　李建賀　陳長生

摘要：敞開式TBM穿越斷層破碎帶時(shí)面臨著圍巖變形卡機(jī)與坍塌失穩(wěn)的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。以滇中引水工程香爐山隧洞為例，對該施工過程中的圍巖力學(xué)響應(yīng)，TBM刀盤、護(hù)盾結(jié)構(gòu)受力變化以及初期支護(hù)內(nèi)力狀態(tài)等開展了三維數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明：① 斷層破碎帶的存在使施工過程中其附近一定影響范圍內(nèi)的隧洞圍巖變形量增加，圍巖塑性區(qū)易沿?cái)鄬訋c完整圍巖區(qū)相交洞段的軟-硬界面深入發(fā)展;② 斷層帶內(nèi)的圍巖收斂變形和拱底處塑性區(qū)范圍較完整圍巖區(qū)顯著增加，存在機(jī)頭下沉及圍巖“底鼓”的可能;③ 斷層帶內(nèi)敞開式TBM卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)形式主要為刀盤被卡;④ 僅依靠初期支護(hù)無法滿足斷層帶內(nèi)隧洞圍巖的長期穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)施作二襯以分擔(dān)圍巖變形荷載。

關(guān)鍵詞：深埋隧洞; 敞開式TBM; 斷層破碎帶; TBM卡機(jī); 香爐山隧洞; 滇中引水工程

中圖法分類號(hào)： TV52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.025

0引 言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM，Tunnel Boring Machine）相較于傳統(tǒng)鉆爆法具有施工安全、機(jī)械化程度高、成洞質(zhì)量好、掘進(jìn)速度快、作業(yè)環(huán)境好、污染小、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，因而在隧道（洞）建設(shè)領(lǐng)域獲得大量應(yīng)用[1]。但其機(jī)體龐大，護(hù)盾區(qū)圍巖支護(hù)滯后，在斷層破碎帶等軟弱圍巖區(qū)施工時(shí)，易因圍巖擠壓變形或巖體坍塌失穩(wěn)而發(fā)生卡機(jī)事故，可造成較大的經(jīng)濟(jì)損失和工期延誤，并對機(jī)械設(shè)備和施工人員作業(yè)安全構(gòu)成威脅[2-5]。

數(shù)值模擬方法是當(dāng)前研究TBM與圍巖相互作用的重要工具。Zhao等[6-8]采用三維有限元方法（midas GTS）模擬分析了雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)施工中發(fā)生的軟弱圍巖擠壓變形及脆性圍巖剝落災(zāi)害，較好地解釋了TBM隧洞圍巖失穩(wěn)、護(hù)盾變形卡機(jī)以及襯砌損壞等工程現(xiàn)象的物理力學(xué)機(jī)制。Maleki等[9]結(jié)合工程實(shí)例，對比采用有限差分法FLAC和非連續(xù)介質(zhì)方法UDEC二維模型模擬了TBM掘進(jìn)過程中擠壓破碎地層圍巖的變形及力學(xué)行為，分析了TBM在圍巖破碎帶的卡機(jī)致災(zāi)機(jī)理。Hasanpour等[10-11]則考慮了圍巖與護(hù)盾間的不均勻間隙，采用有限差分三維模型，模擬了雙護(hù)盾TBM在軟巖洞段掘進(jìn)過程中的圍巖收斂變形量分布和對護(hù)盾的接觸力曲線。程建龍等[12-14]采用FLAC3D建立了完整的雙護(hù)盾TBM開挖掘進(jìn)模型，模擬并分析了隧道縱向位移釋放率、刀盤擴(kuò)挖量、護(hù)盾和巖體特征對圍巖變形及TBM護(hù)盾受力分布的影響，揭示了雙護(hù)盾TBM與圍巖之間的相互作用機(jī)制。

然而，現(xiàn)有針對TBM軟弱地層掘進(jìn)卡機(jī)機(jī)理的數(shù)值模擬研究多以雙護(hù)盾式TBM為對象，而對敞開式TBM則少有相關(guān)研究。后者在穿越斷層破碎帶等不良地層時(shí)，因圍巖破碎大變形或坍塌失穩(wěn)掩埋機(jī)頭，亦存在較大的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，卡機(jī)形式常包括卡刀盤、卡護(hù)盾以及刀盤和護(hù)盾同時(shí)被卡等[15-17]。在TBM施工中，考慮到工期要求及經(jīng)濟(jì)性，中小型斷層（包括已探明和未探明的）常需敞開式TBM利用自身能力在加強(qiáng)支護(hù)措施的條件下掘進(jìn)通過，這使得TBM面臨著未知的卡機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

本文基于滇中引水工程香爐山隧洞，采用有限差分法，對敞開式TBM掘進(jìn)通過斷層破碎帶時(shí)的圍巖力學(xué)響應(yīng)，TBM刀盤、護(hù)盾結(jié)構(gòu)受力變化以及初期支護(hù)內(nèi)力狀態(tài)等開展了TBM進(jìn)場掘進(jìn)施工前的三維數(shù)值模擬研究。研究結(jié)果有助于深入認(rèn)識(shí)敞開式TBM與圍巖相互作用機(jī)制，并為施工期TBM穿越斷層破碎帶的施工方案制定和地質(zhì)災(zāi)害處置提供理論依據(jù)。

1工程概況

1.1工程簡介及地質(zhì)條件

滇中引水工程是云南省為解決滇中地區(qū)嚴(yán)重缺水問題而實(shí)施的特大型調(diào)水工程。工程計(jì)劃從金沙江取水，年均輸水量34.03億m3，受水區(qū)面積達(dá)3.69萬km2。位于工程總干渠首段的香爐山隧洞線路總長62.596 km，最大埋深1 450 m。隧洞采用無壓輸水，設(shè)計(jì)斷面為圓形。除活動(dòng)斷層帶洞段外，隧洞襯后直徑8.3～8.5 m，設(shè)計(jì)流量135 m3/s，設(shè)計(jì)縱坡1/1 800。香爐山隧洞采用“鉆爆法+TBM”聯(lián)合施工，總工期96個(gè)月，為引水總干渠的控制性工程。

香爐山隧洞穿越金沙江與瀾滄江分水嶺，地質(zhì)條件復(fù)雜，工程區(qū)屬高、中山地貌區(qū)，埋深大于1 000 m的洞段累計(jì)長21.427 km，占隧洞總長34.23%。隧洞沿線發(fā)育13條大斷（裂）層，軟巖洞段累計(jì)長13.107 km，占隧洞總長的20.94%，軟巖分布洞段隧洞埋深一般為400～1 300 m，易產(chǎn)生中等-極嚴(yán)重?cái)D壓變形。圖1為香爐山隧洞縱斷面圖，其中TBM開挖段總長35.52 km，采用兩臺(tái)直徑9.83 m的敞開式TBM相向掘進(jìn)。

芹菜塘斷裂（FⅡ-10）是香爐山隧洞下游段TBM從支洞進(jìn)入主洞后須穿越的第一條大型斷層，其走向近SN方向，傾向西，傾角40°～75°，屬于逆斷層，與隧洞軸線夾角約57°。斷裂帶內(nèi)隧洞埋深約910 m，穿越寬度約93 m，區(qū)間巖體破碎，屬于Ⅴ類圍巖，成洞條件差，地勘結(jié)果認(rèn)為該洞段發(fā)生圍巖變形失穩(wěn)與局部巖溶涌水風(fēng)險(xiǎn)較高。其兩側(cè)巖體為三疊系中統(tǒng)北衙組上段（T2b2）灰?guī)r及白云質(zhì)灰?guī)r，巖體微新，圍巖等級為Ⅳ類，成洞條件一般。由于芹菜塘斷裂（FⅡ-10）具有埋深大、巖體破碎、地處碳酸鹽巖含水地層等特點(diǎn)，且是TBM段需要穿越的首條大型斷層，本文選取該斷層為模擬對象開展敞開式TBM掘進(jìn)穿越過程的數(shù)值模擬研究。

1.2敞開式TBM主要技術(shù)參數(shù)

針對香爐山隧洞施工技術(shù)要求設(shè)計(jì)生產(chǎn)的世界引調(diào)水工程最大直徑TBM“云嶺號(hào)”，其掘進(jìn)及支護(hù)系統(tǒng)如圖2所示。TBM掘進(jìn)過程中隧洞初期支護(hù)施作按照與刀盤的距離可分為L1區(qū)和L2區(qū)。其中L1區(qū)緊鄰盾尾，主要進(jìn)行鋼拱架安裝、隧洞斷面腰線以上180°錨桿施作、鋼筋排和鋼筋網(wǎng)安裝以及較差圍巖段的應(yīng)急噴混;L2區(qū)滯后L1區(qū)約42 m，主要進(jìn)行隧洞斷面腰線以下180°錨桿以及斷面系統(tǒng)噴混。隧洞的襯砌結(jié)構(gòu)則由TBM系統(tǒng)后獨(dú)立的襯砌臺(tái)車完成，滯后掌子面距離約為400 m。該TBM的主要技術(shù)參數(shù)如下：

2敞開式TBM掘進(jìn)施工建模

2.1模型建立

2.1.1含斷層破碎帶的巖體模型

根據(jù)香爐山隧洞芹菜塘斷裂（FⅡ-10）空間產(chǎn)狀及與隧洞軸線相對位置關(guān)系，采用顯式三維有限差分軟件FLAC3D建立如圖3所示數(shù)值模型。為減小邊界效應(yīng)，模型橫向（X）和豎向（Z）上尺寸均取80 m，即左右及上下兩側(cè)計(jì)算邊界的偏移距離約為3.5倍隧洞直徑[10]。而為了模擬斷層破碎帶影響范圍，洞軸線方向（Y）模型長度設(shè)置為180 m。為減小計(jì)算規(guī)模，將模型軸向中部隧洞穿越斷層破碎帶的長度簡化設(shè)置為30 m，同時(shí)，平行于XOY平面的模型中部30 m×30 m截面范圍內(nèi)巖體單元網(wǎng)格沿洞軸線方向上寬度取0.5 m，周圍巖體單元?jiǎng)t取1.0 m。模型共生成單元節(jié)點(diǎn)129萬個(gè)，剖分六面體巖體網(wǎng)格128萬個(gè)。

模型中對地下水的影響在巖體參數(shù)取值上進(jìn)行綜合考慮，不進(jìn)行單獨(dú)分析。圍巖按各向同性連續(xù)介質(zhì)考慮，采用理想彈塑性模型、Mohr-Columb屈服準(zhǔn)則，斷層帶及兩側(cè)巖體物理力學(xué)參數(shù)分別按Ⅴ類和Ⅳ類圍巖取值，如表1所列。而為了對比敞開式TBM在完整巖體和斷層破碎區(qū)掘進(jìn)的響應(yīng)差異，該模型中暫不考慮TBM在斷層破碎圍巖區(qū)可能采取的刀盤擴(kuò)挖和超前支護(hù)措施，同時(shí)采用的圍巖支護(hù)參數(shù)與兩側(cè)完整圍巖區(qū)相同。

2.1.2TBM掘進(jìn)及支護(hù)模型

根據(jù)隧洞支護(hù)設(shè)計(jì)方案，TBM掘進(jìn)段Ⅳ類圍巖區(qū)對應(yīng)的初期支護(hù)型式采用HW125鋼拱架，榀距1.0 m;錨桿直徑25 mm，長度5.0 m，間排距1.25 m;全斷面噴聚丙烯粗纖維C25混凝土，厚度為15 cm。由于隧洞二襯滯后掌子面較遠(yuǎn)，在二襯施作之前隧洞圍巖變形穩(wěn)定由初支控制，因此該模型中暫不考慮二襯的作用。

如圖4所示，在計(jì)算模型中，噴混層具有薄殼結(jié)構(gòu)特征，采用shell結(jié)構(gòu)單元模擬;錨桿采用cable結(jié)構(gòu)單元模擬;鋼拱架采用beam結(jié)構(gòu)單元模擬。頂拱鋼筋排作為圍巖變形穩(wěn)定的安全余量進(jìn)行考慮。一方面，由于機(jī)載錨桿鉆機(jī)布置在主梁兩側(cè)，錨桿無法徑向通過隧洞中心而是相對斷面徑向偏轉(zhuǎn)35°，且L2區(qū)錨桿系統(tǒng)滯后L1區(qū)，建模過程中對此進(jìn)行了考慮;另一方面，由于模型中需模擬鋼拱架、錨桿的施作，計(jì)算過程中將不開啟大變形模式，即模型中網(wǎng)格不會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的位移而發(fā)生變形。而為考慮圍巖與TBM刀盤及護(hù)盾的相互作用，本次研究參考黃興等[18]提出的建模方法。

（1） 擴(kuò)挖間隙。

考慮到圍巖開挖后的收斂變形，在TBM設(shè)計(jì)和施工中一般均會(huì)預(yù)留擴(kuò)挖間隙。而在不開啟大變形模式下，擴(kuò)挖間隙的存在使得圍巖與TBM護(hù)盾無法直接接觸。因此對擴(kuò)挖間隙采用厚度為δR的實(shí)體單元（以下簡稱“間隙單元”）進(jìn)行模擬。

間隙單元采用彈性模型，其變形模量很小，起到在變形的圍巖和護(hù)盾結(jié)構(gòu)間傳力的作用。其初始厚度同TBM刀盤的預(yù)留擴(kuò)挖間隙，并劃分為多層網(wǎng)格，該模型中間隙厚度按照實(shí)際刀盤擴(kuò)挖量取值為100 mm。由于護(hù)盾結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，當(dāng)側(cè)向圍巖開始收斂變形，在圍巖的擠壓和護(hù)盾結(jié)構(gòu)的約束作用下，間隙單元被逐漸壓縮并對兩側(cè)產(chǎn)生彈性反力，但數(shù)值較小，圍巖近似自由變形;當(dāng)圍巖進(jìn)一步變形接近或達(dá)到擴(kuò)挖預(yù)留變形量，間隙單元被壓得非常扁，此時(shí)間隙單元對兩側(cè)的變形反力已達(dá)到較大值，表明圍巖與護(hù)盾產(chǎn)生了擠壓作用;當(dāng)圍巖繼續(xù)變形，護(hù)盾結(jié)構(gòu)在擠壓力作用下出現(xiàn)明顯彈性變形，即計(jì)算結(jié)果中出現(xiàn)護(hù)盾區(qū)圍巖變形量超過間隙厚度的情況，表明護(hù)盾結(jié)構(gòu)被“壓彎了”。

（2） 刀盤和護(hù)盾。

該TBM刀盤至護(hù)盾盾尾距離約為6 m，護(hù)盾為半封閉式，厚度為5～10 cm，相比隧洞的開挖直徑而言非常薄，采用liner結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬。一方面，liner單元模擬的初襯結(jié)構(gòu)不但能承受法向的拉壓應(yīng)力還能模擬與巖土體間的切向滑移摩擦，也可模擬與巖土體之間的分離及隨后的重新接觸，能夠較好地反映TBM護(hù)盾與圍巖的相互作用。另一方面，由于TBM刀盤對掌子面巖體的回轉(zhuǎn)切削過程難以直接模擬，因此此處采用liner結(jié)構(gòu)單元對刀盤作用進(jìn)行簡化模擬。該模型的liner結(jié)構(gòu)單元設(shè)置中，剪切耦合彈簧黏聚力設(shè)置為0，即允許圍巖與護(hù)盾/刀盤間發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)。

2.2邊界條件設(shè)置

根據(jù)由地質(zhì)勘察與反演計(jì)算得到的工程區(qū)初始地應(yīng)力場，F(xiàn)Ⅱ-10斷層處洞段地應(yīng)力條件如表2所列。本次研究中巖體模型底部采用各向位移約束邊界條件，四周及頂部施加表中法向應(yīng)力邊界條件，切向應(yīng)力由于數(shù)值較小而忽略，計(jì)算得到模型的初始地應(yīng)力分布。

2.3掘進(jìn)與支護(hù)過程模擬

敞開式TBM掘進(jìn)與支護(hù)模擬步驟如下：① 建立巖體模型（含斷層破碎帶），設(shè)置初始和邊界條件，計(jì)算初始地應(yīng)力場;② 巖體開挖，設(shè)置護(hù)盾與圍巖之間的間隙單元，建立刀盤及護(hù)盾模型;③ 刀盤及護(hù)盾向前推進(jìn)，每開挖步進(jìn)尺2 m，同時(shí)消除出露護(hù)盾后緣的間隙單元;④ 護(hù)盾后區(qū)域施加環(huán)形鋼拱架、L1區(qū)錨桿和噴混等初期支護(hù)措施;⑤ TBM持續(xù)掘進(jìn)，施加L2區(qū)錨桿;⑥ 重復(fù)執(zhí)行步驟②～⑤，直至隧洞貫通。

2.4TBM-圍巖作用力計(jì)算方法

利用上述模擬結(jié)果可間接計(jì)算圍巖與TBM結(jié)構(gòu)間的相互作用力。

2.4.1刀盤荷載計(jì)算

在滾刀破巖試驗(yàn)中，滾刀切削系數(shù)CC被定義為滾刀滾動(dòng)力與法向力的比值，是TBM掘進(jìn)過程中在給定推力值下所需扭矩大小的一個(gè)指標(biāo)[19]。Rostami等[20-21]給出了常截面滾刀切削力預(yù)測的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式如下：

需要說明的是，按照式（5）計(jì)算得到的刀盤法向力并非TBM刀盤旋轉(zhuǎn)切削掌子面巖體過程中真實(shí)的法向作用力，而是表征TBM刀盤為維持掌子面穩(wěn)定并持續(xù)向前掘進(jìn)所需的軸向推力。該軸向推力由TBM主油缸頂推撐靴獲得的反作用力提供。由式（6）計(jì)算得到的刀盤扭矩值也只是一種近似結(jié)果，真實(shí)的刀盤扭矩還受滾刀破巖沖擊力、刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)與圍巖的摩擦力、傳動(dòng)過程中的扭矩?fù)p失等因素的影響。

2.4.2護(hù)盾表面摩擦力計(jì)算

由于模型無法模擬真實(shí)的TBM連續(xù)掘進(jìn)過程，護(hù)盾沿隧洞軸向方向所受摩阻力需要由護(hù)盾外表面的法向應(yīng)力進(jìn)行間接求取，其計(jì)算公式如下：

對于μ的取值，Ramoni等[23]在研究中指出，TBM與圍巖間摩擦系數(shù)在連續(xù)掘進(jìn)（滑動(dòng)摩擦）情況下取0.15～0.30，考慮長時(shí)間停機(jī)后的重新啟動(dòng)（靜摩擦）時(shí)取0.25～0.40，在采用潤滑劑的情況下可取小值。本次研究中護(hù)盾-巖石相互作用的摩擦系數(shù)按連續(xù)掘進(jìn)條件取值0.3。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1圍巖力學(xué)響應(yīng)及變形

在敞開式TBM穿越斷層破碎帶過程中圍巖力學(xué)響應(yīng)及變形發(fā)展規(guī)律如圖5～9所示。選取機(jī)頭部分還未進(jìn)入、開始進(jìn)入、完全進(jìn)入、開始穿出和穿出并遠(yuǎn)離斷層破碎帶區(qū)域時(shí)（分別對應(yīng)開挖步18，38，46，53及82）等典型階段進(jìn)行分析。其中，LDP曲線即圍巖縱斷面位移曲線。

當(dāng)TBM機(jī)頭部分還未進(jìn)入斷層破碎帶（開挖步18），TBM盾尾斷面圍巖應(yīng)力場和塑性區(qū)呈對稱分布。隧洞腰線部位圍巖塑性區(qū)范圍最深，為5.1 m;頂拱部位圍巖塑性區(qū)范圍相對最淺，為2.5 m;洞周圍巖壓應(yīng)力最大值為37.66 MPa，出現(xiàn)在兩側(cè)圍巖內(nèi)部的塑性區(qū)和彈性區(qū)交界部位。隧洞掌子面巖體由于卸荷松弛產(chǎn)生塑性區(qū)，其中心處塑性區(qū)軸向深度最大，為6.0 m，向兩側(cè)則塑性區(qū)逐漸減小。TBM護(hù)盾范圍內(nèi)圍巖頂拱沉降變形隨著與掌子面距離的增大而增大，其變形量為38.3～83.4 mm?？紤]到開挖面處有一定的初始位移，盾尾部位相對徑向位移為45.1 mm，小于TBM開挖預(yù)留變形量100 mm，表明此時(shí)隧洞頂拱區(qū)域圍巖未與TBM護(hù)盾發(fā)生擠壓。圍巖在出露護(hù)盾區(qū)域后，在初期支護(hù)結(jié)構(gòu)的約束下變形逐漸收斂，其穩(wěn)定后的拱頂沉降變形量約為94.3 mm，減去開挖面初始位移后則為56.0 mm，小于SL 377-2007《水利水電工程錨噴支護(hù)技術(shù)規(guī)范》[24]規(guī)定的圍巖允許變形值，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)TBM機(jī)頭部分開始進(jìn)入斷層破碎帶時(shí)（開挖步38），受斷層破碎帶與洞軸線空間斜交影響，TBM盾尾斷面圍巖應(yīng)力場不再對稱。隧洞掌子面左上側(cè)首先進(jìn)入斷層帶范圍內(nèi)，盾尾右側(cè)斷面則仍處于完整圍巖區(qū)。洞周圍巖壓應(yīng)力最大值為42.0 MPa，出現(xiàn)在右側(cè)圍巖內(nèi)部的塑性區(qū)和彈性區(qū)交界部位，隧洞腰線處塑性區(qū)深度約5.5 m。值得注意的是，在斷面右上角出現(xiàn)了較大延伸范圍的塑性區(qū)，該部位處于完整圍巖與斷層破碎帶相交界面附近，受隧洞開挖卸荷及斷層破碎帶軟弱邊界的影響，產(chǎn)生了較大的側(cè)向主應(yīng)力降而進(jìn)入塑性狀態(tài)。隧洞掌子面巖體塑性區(qū)范圍變化不大，最大深度仍為6.0～6.3 m。由于斷層帶的影響，臨近掌子面的未開挖巖體變形量相較于完整圍巖區(qū)顯著增大，TBM護(hù)盾范圍內(nèi)圍巖頂拱沉降變形量達(dá)到89.4～127.3 mm。減去掌子面開挖時(shí)的初始位移，此時(shí)隧洞頂拱圍巖未與TBM護(hù)盾發(fā)生擠壓。在護(hù)盾區(qū)外，隨著與掌子面距離的增大，拱頂圍巖的沉降變形先是增加至最大值140.8 mm，而后逐漸減小并恢復(fù)到108.6 mm，這表明斷層破碎帶的存在對周邊一定范圍內(nèi)完整圍巖區(qū)的開挖變形量有所影響，該范圍可稱為斷層開挖影響區(qū)。

當(dāng)TBM機(jī)頭部分完全進(jìn)入斷層破碎帶時(shí)（開挖步46），洞周圍巖不再有明顯的壓應(yīng)力集中區(qū)，而由于圍巖強(qiáng)度減小，隧洞塑性區(qū)范圍顯著擴(kuò)大，深度最大為9.48 m。護(hù)盾范圍內(nèi)拱頂處圍巖塑性區(qū)深度為3.20 m，相較于完整圍巖區(qū)略有增加;而拱底處圍巖塑性區(qū)深度達(dá)到6.70 m，較完整圍巖區(qū)顯著增加。在斷層破碎帶內(nèi)，TBM護(hù)盾范圍內(nèi)圍巖頂拱沉降變形量為78.6～293.3 mm，減去開挖面處的初始位移，盾尾部位相對徑向位移為214.7 mm，超過開挖預(yù)留變形量，表明護(hù)盾結(jié)構(gòu)在接近盾尾區(qū)域受到了較大的圍巖擠壓作用。在護(hù)盾區(qū)外，斷層破碎帶巖體的穩(wěn)定收斂變形量為323.3 mm，減去開挖面初始位移后則為244.7 mm，圍巖擠壓變形明顯，且大于規(guī)范[24]規(guī)定的圍巖允許變形值，圍巖處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

當(dāng)TBM機(jī)頭部分開始穿出斷層破碎帶時(shí)（開挖步53），盾尾斷面圍巖應(yīng)力場再次進(jìn)入不對稱。洞周圍巖壓應(yīng)力最大值出現(xiàn)在左側(cè)圍巖內(nèi)部的塑性區(qū)和彈性區(qū)交界部位，隧洞腰線處塑性區(qū)深度約7.2 m。完整圍巖與斷層破碎帶相交界面附近的較大范圍圍巖由于隧洞開挖引起的側(cè)向主應(yīng)力降而進(jìn)入塑性狀態(tài)。此時(shí)，TBM護(hù)盾范圍內(nèi)進(jìn)入完整圍巖區(qū)部分的拱頂圍巖變形量為44.8～70.0 mm，而盾尾仍處于斷層破碎帶范圍的拱頂圍巖變形量最大為207.5 mm，表明TBM從斷層破碎區(qū)逐漸進(jìn)入完整圍巖區(qū)后，TBM開始擺脫圍巖大變形擠壓作用的影響。

當(dāng)TBM機(jī)頭部分完全穿出并遠(yuǎn)離斷層破碎帶時(shí)（開挖步82），圍巖應(yīng)力場分布及塑性區(qū)發(fā)展逐漸恢復(fù)至與還未進(jìn)入斷層破碎帶時(shí)基本一致。TBM護(hù)盾不再與圍巖發(fā)生擠壓作用，而護(hù)盾區(qū)外拱頂圍巖的沉降量隨著與掌子面距離的增大而持續(xù)增大，表明其仍在斷層破碎帶的影響范圍內(nèi)。

圖10為開挖完成后隧洞縱剖面塑性區(qū)及豎向位移場分布，圖中兩虛線之間為斷層破碎帶范圍?？梢钥吹?，在斷層破碎帶與完整圍巖區(qū)相交界面附近，隧洞拱頂圍巖塑性區(qū)顯著大于其他區(qū)域，表明受隧洞開挖擾動(dòng)影響，處于軟-硬交界處的該區(qū)域圍巖塑性區(qū)沿界面有較深入的發(fā)展。而由隧洞開挖卸荷作用產(chǎn)生的圍巖的塑性區(qū)，其深度或分布范圍可認(rèn)為與圍巖失穩(wěn)時(shí)的側(cè)向圍巖巖體坍塌量成正比。TBM從完整圍巖區(qū)進(jìn)入斷層破碎帶，以及從斷層破碎帶進(jìn)入完整圍巖區(qū)時(shí)面臨較大的拱頂圍巖坍塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，在施工過程中應(yīng)對上述區(qū)域開展重點(diǎn)監(jiān)測，并可考慮采用超前管棚或超前固結(jié)灌漿等措施進(jìn)行預(yù)加固。

另一方面，相對于完整圍巖區(qū)，斷層破碎帶范圍內(nèi)的頂、底拱圍巖豎向變形量均明顯增大，且洞周塑性區(qū)較完整圍巖洞段有較大發(fā)展，其中隧洞拱底塑性區(qū)發(fā)展深度大于拱頂圍巖。這表明敞開式TBM在具有較高地應(yīng)力的斷層破碎帶掘進(jìn)施工時(shí)，可能因拱底圍巖承載力不足而存在機(jī)頭下沉的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行底拱封閉以限制“底鼓”現(xiàn)象的發(fā)展。

黃興等[25]將TBM隧道圍巖擠壓大變形定義為TBM開挖后圍巖變形速率大、變形量達(dá)到TBM擴(kuò)挖預(yù)留的圍巖與護(hù)盾間的變形間隙，是一種具有收斂速度慢、時(shí)效性顯著等特點(diǎn)的變形。同時(shí)，根據(jù)圍巖變形與擴(kuò)挖間隙間的比值提出了擠壓變形等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，如表3所列。

對于該開挖模型，TBM擴(kuò)挖產(chǎn)生的圍巖與護(hù)盾間預(yù)留變形間隙為100 mm。根據(jù)上述劃分標(biāo)準(zhǔn)可知：① 在遠(yuǎn)離斷層破碎帶的完整圍巖區(qū)中，護(hù)盾區(qū)域圍巖最大相對徑向位移為45.1 mm，該區(qū)域圍巖變形等級屬于無擠壓變形;② 當(dāng)TBM機(jī)頭部分開始進(jìn)入或穿出斷層破碎帶，圍巖變形可達(dá)到輕微擠壓變形或中等擠壓變形等級;③ TBM機(jī)頭完全進(jìn)入斷層破碎帶后，護(hù)盾區(qū)域圍巖最大相對徑向位移達(dá)到214.7 mm，圍巖變形等級進(jìn)入非常嚴(yán)重?cái)D壓變形。TBM進(jìn)入斷層破碎帶區(qū)域過程中，圍巖發(fā)生擠壓大變形的趨勢是逐漸增大的。

需要說明的是，為減小模擬計(jì)算的復(fù)雜程度，在圍巖本構(gòu)模型選取及開挖過程模擬中均未考慮圍巖變形的時(shí)間效應(yīng)。而斷層帶破碎圍巖通常具有較強(qiáng)的流變特性，且在此類較差圍巖洞段，隧洞支護(hù)措施相應(yīng)增強(qiáng)，TBM掘進(jìn)速度顯著降低，圍巖收斂變形并與護(hù)盾產(chǎn)生接觸擠壓較為充分。黃興等[18]采用黏塑性巖體本構(gòu)模型的TBM卡機(jī)研究表明，TBM擴(kuò)挖間隙越大則TBM避免發(fā)生擠壓大變形卡機(jī)的許可停機(jī)時(shí)間也越長。因此，在進(jìn)一步細(xì)化的模擬中還需將圍巖時(shí)效變形特性與不同圍巖洞段TBM掘進(jìn)速率差異等因素考慮進(jìn)來。

3.2TBM結(jié)構(gòu)受力

圖11～13分別給出了敞開式TBM掘進(jìn)通過斷層破碎帶過程中刀盤及護(hù)盾結(jié)構(gòu)的受力變化情況。

進(jìn)入斷層帶后，TBM刀盤法向力迅速增大，由完整圍巖區(qū)的7 000～8 000 kN提高到斷層破碎帶區(qū)域的峰值（22 216 kN），但小于該TBM的最大推力值（31 526 kN）。刀盤扭矩則先后超過了TBM的額定扭矩和最大扭矩，其峰值達(dá)到28 540 kN·m，刀盤回轉(zhuǎn)有被抱死的風(fēng)險(xiǎn)。這是由于TBM機(jī)頭進(jìn)入斷層破碎帶后，大量松散巖體在開挖擾動(dòng)下產(chǎn)生擠壓大變形并緊密包裹機(jī)頭。一方面掌子面巖體擠壓刀盤，為維持掌子面巖體穩(wěn)定，刀盤法向推力迅速提高，而同時(shí)維持刀盤旋轉(zhuǎn)切削所需的扭矩也迅速增大，并超過TBM的最大扭矩，表明敞開式TBM在斷層破碎帶掘進(jìn)時(shí)面臨著較大的刀盤被卡風(fēng)險(xiǎn)。

對于TBM護(hù)盾摩阻力，其在TBM機(jī)頭進(jìn)入斷層破碎帶后亦有較大的提高，最大值為2 393 kN，但遠(yuǎn)小于TBM最大推力值。黃興[26]由TBM縱向受力平衡建立了如下TBM卡機(jī)狀態(tài)判別準(zhǔn)則：

式中：Fr為克服護(hù)盾摩阻力所需的推力，F(xiàn)b為TBM正常連續(xù)掘進(jìn)開挖所需推力，F(xiàn)I為TBM推進(jìn)系統(tǒng)所能提供的額定推力。該實(shí)例中，TBM在斷層破碎帶掘進(jìn)過程中的刀盤法向力與護(hù)盾摩阻力之和小于TBM最大推力值，此時(shí)TBM不大可能由于推力不足而發(fā)生卡機(jī)。

TBM護(hù)盾范圍內(nèi)洞周圍巖受掌子面未開挖巖體的空間約束效應(yīng)，其收斂變形量隨著與掌子面距離的增加而增大。一方面，敞開式TBM護(hù)盾長度較短，與圍巖接觸作用面積小，且該范圍內(nèi)洞周圍巖還未充分變形而與護(hù)盾發(fā)生擠壓時(shí)，即隨著TBM的持續(xù)掘進(jìn)而出露盾尾并進(jìn)入錨噴支護(hù)范圍。另一方面，敞開式TBM的護(hù)盾結(jié)構(gòu)為底拱部位敞開，未形成封閉式的盾體結(jié)構(gòu)，護(hù)盾的主要作用是防止落石，保護(hù)機(jī)頭部位作業(yè)人員及設(shè)備的安全，并非用于抵抗圍巖擠壓變形。該結(jié)構(gòu)一般也設(shè)計(jì)為可伸縮式，可一定程度上調(diào)整護(hù)盾與圍巖間的間隙。敞開式TBM護(hù)盾的這些結(jié)構(gòu)特點(diǎn)都進(jìn)一步減小了其在破碎圍巖洞段發(fā)生護(hù)盾被卡的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力

洞室開挖支護(hù)完成后，分別選取完整圍巖區(qū)和斷層破碎帶圍巖區(qū)的初期支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力狀態(tài)對比分析，如圖14～16所示。

對于隧洞斷面鋼拱架彎矩，在不同圍巖條件下其最大絕對值均出現(xiàn)在隧洞腰線處，且此處出現(xiàn)較大梯度的彎矩值變化。查表計(jì)算可知，HW125型鋼抗彎屈服強(qiáng)度為31 490 N·m，完整圍巖區(qū)中鋼拱架最大彎矩為9 771 N·m，滿足抗彎強(qiáng)度要求;而在斷層帶圍巖區(qū)則為42 595 N·m，已超出鋼拱架抗彎強(qiáng)度。

對于鋼拱架軸應(yīng)力，其最大值亦出現(xiàn)在隧洞腰線處。完整圍巖區(qū)中鋼拱架軸應(yīng)力值范圍為479～892 MPa，斷層帶圍巖區(qū)則為835～1 163 MPa，均超過了鋼材抗壓屈服強(qiáng)度。

對于錨桿應(yīng)力，在不同圍巖條件下計(jì)算結(jié)果均表明隧洞腰線以上錨桿（L1區(qū)施作）應(yīng)力水平明顯大于隧洞腰線以下錨桿（L2區(qū)施作）。在完整圍巖區(qū)，隧洞腰線以上錨桿平均內(nèi)力為181.9 MPa，最大內(nèi)力為356.8 MPa，小于錨桿抗拉屈服強(qiáng)度值400.0 MPa，而隧洞腰線以下錨桿平均內(nèi)力僅為1.5 MPa。在斷層帶圍巖區(qū)，隧洞腰線以上錨桿平均內(nèi)力為201.2 MPa，最大內(nèi)力為399.2 MPa，達(dá)到錨桿抗拉屈服強(qiáng)度，而隧洞腰線以下錨桿平均內(nèi)力僅為1.89 MPa。

從計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，完整圍巖區(qū)中鋼拱架軸應(yīng)力達(dá)到了屈服條件，而斷層帶圍巖區(qū)各項(xiàng)支護(hù)內(nèi)力均達(dá)到屈服條件。需要說明的是，模型中為對比敞開式TBM在完整巖體和斷層破碎區(qū)掘進(jìn)的圍巖力學(xué)響應(yīng)差異，兩洞段內(nèi)采用了相同的圍巖支護(hù)參數(shù)，而在實(shí)際設(shè)計(jì)中斷層破碎帶屬于V類圍巖，支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相應(yīng)的加強(qiáng)。同時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明，在較差圍巖洞段，僅依靠初期支護(hù)無法滿足隧洞圍巖的長期穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)施作二襯，由“初支+二襯”共同承擔(dān)圍巖變形荷載。

另一方面，L2區(qū)施作的錨桿其應(yīng)力水平遠(yuǎn)小于L1區(qū)，這是由于TBM機(jī)載支護(hù)設(shè)備的布置上L2區(qū)滯后L1區(qū)較長，待L2區(qū)錨桿施作時(shí)隧洞圍巖收斂變形已基本完成，隧洞腰線以下錨桿未與圍巖協(xié)同變形，因而只產(chǎn)生了較小的圍巖約束力。這也是斷層帶圍巖區(qū)中隧洞底拱圍巖豎向變形量及塑性區(qū)較大的原因。對此，實(shí)際施工中應(yīng)加強(qiáng)錨桿受力狀態(tài)監(jiān)測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果開展圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也應(yīng)將監(jiān)測結(jié)果及時(shí)反饋給設(shè)備制造商，在今后的TBM設(shè)計(jì)制造中對隧洞腰線以下錨桿鉆機(jī)的安裝位置進(jìn)一步優(yōu)化。

4結(jié) 論

本文以滇中引水工程香爐山隧洞為例，對敞開式TBM掘進(jìn)通過斷層破碎帶過程中的圍巖力學(xué)響應(yīng)，TBM刀盤、護(hù)盾結(jié)構(gòu)受力變化以及初期支護(hù)內(nèi)力狀態(tài)等開展了施工前的三維數(shù)值模擬研究。主要結(jié)論如下：

（1） 斷層破碎帶的存在使其附近一定影響范圍內(nèi)的隧洞圍巖變形量增加，而在斷層破碎帶與完整圍巖區(qū)相交洞段，受隧洞開挖擾動(dòng)產(chǎn)生的圍巖塑性區(qū)沿軟-硬界面有較深入的發(fā)展，TBM從完整圍巖區(qū)進(jìn)入斷層破碎帶以及從斷層破碎帶進(jìn)入完整圍巖區(qū)時(shí)面臨較大的拱頂圍巖坍塌失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

（2） 相對于完整圍巖區(qū)，斷層破碎帶范圍內(nèi)的圍巖收斂變形顯著增加，圍巖擠壓護(hù)盾作用加劇，且由于腰線以下錨桿滯后支護(hù)，拱底處圍巖塑性區(qū)深度增幅較大，存在因拱底圍巖承載力不足而產(chǎn)生機(jī)頭下沉以及圍巖“底鼓”的可能。

（3） 敞開式TBM穿越斷層破碎帶過程中，TBM刀盤法向力、扭矩及護(hù)盾摩阻力均迅速增大。其中，刀盤扭矩超過了TBM的最大扭矩，刀盤回轉(zhuǎn)有被抱死的風(fēng)險(xiǎn);而刀盤法向力與護(hù)盾摩阻力之和小于TBM最大推力，TBM不大可能由于推力不足而發(fā)生卡機(jī)。

（4） 在斷層破碎帶等較差圍巖洞段，僅依靠初期支護(hù)無法滿足隧洞圍巖的長期穩(wěn)定，應(yīng)及時(shí)施作二襯以分擔(dān)圍巖變形荷載。且由于施作滯后L2區(qū)錨桿應(yīng)力水平明顯小于L1區(qū)，在施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)監(jiān)測并開展動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

本研究為簡化計(jì)算復(fù)雜度，模型中未單獨(dú)考慮地下水作用及巖體時(shí)效變形特性等因素的影響，同時(shí)計(jì)算結(jié)果的合理性也有待施工期監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：There exists a great risk of geological disasters such as the jamming induced by large deformation and collapse of surrounding rock when an opened TBM passes through fault fracture zones.Taking the Xianglushan tunnel in the Central Yunnan Water Diversion Project as an example，the mechanical response of surrounding rock，the reaction change of TBM structure and the stress state of support system in the excavation process are analyzed by three-dimensional numerical simulation.The results show that：① during tunnel excavation，the fault zone increases the rock deformation within a certain influential range，and the plastic zone tends to develop along the soft-hard interface between the fault zone and the intact stratum;② in the fault zone，the convergence deformation of surrounding rock and the plastic zone range at the arch bottom are greater than those in intact rock zone，so the TBM faces the risk ofdowndip of headcutter and floor heave;③ the opened TBM jamming risk in the fault zone is mainly headcutter jamming;④ the long-term stability of tunnel surrounding rock in fault zone cannot be insured only by the initial support，so it is urgentto construct secondary lining in time to share surrounding rock pressure.

Key words：deep buried tunnel;opened TBM;fault fracture zone;TBM jamming;Central Yunnan Water Diversion Project