基于復(fù)雜地質(zhì)巖機(jī)作用的多維度隧道掘進(jìn)機(jī)適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

陳雪峰， 楊延棟， 李治國(guó)， 周建軍， 耿超， 米迪

(1.中鐵開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)有限公司， 昆明 650118; 2.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001; 3.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣州 511458)

隨著中國(guó)交通強(qiáng)國(guó)、西部大開(kāi)發(fā)、水資源高效開(kāi)發(fā)利用等戰(zhàn)略的快速推進(jìn)，越來(lái)越多的復(fù)雜地質(zhì)長(zhǎng)大隧道急需被修建。巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)作為根據(jù)隧道地質(zhì)條件“量身定制”的專用機(jī)械設(shè)備，TBM裝備與隧道圍巖相互作用是評(píng)價(jià)TBM適應(yīng)性的基礎(chǔ)。TBM滾刀與圍巖的相互作用主要表現(xiàn)為滾刀的可掘性和耐磨性，TBM在高強(qiáng)度高磨蝕硬巖地層不適應(yīng)的結(jié)果為掘進(jìn)“低效高耗”；刀盤與圍巖的相互作用主要表現(xiàn)為掌子面的穩(wěn)定性，TBM在斷層破碎帶地層不適應(yīng)的結(jié)果為“刀盤受困”；護(hù)盾與圍巖的相互作用主要表現(xiàn)為圍巖的擠壓變形，TBM在高地應(yīng)力擠壓性地層不適應(yīng)的結(jié)果為“護(hù)盾被卡”。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

針對(duì)高強(qiáng)度硬巖地層TBM滾刀可掘性評(píng)價(jià)，中外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回歸分析建立了預(yù)測(cè)模型，如美國(guó)科羅拉多礦業(yè)大學(xué)的CSM模型、挪威科技大學(xué)的NTNU模型、Barton建立的QTBM模型等[1-2]，但是上述模型中部分關(guān)鍵參數(shù)無(wú)法確定。針對(duì)滾刀可掘性的影響規(guī)律。龔秋明等[3]建立了滾刀破巖參數(shù)與碴片粗糙度指數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系；張娜等[4]建立了巖體可鉆性指數(shù)、可切削指數(shù)與圍巖級(jí)別的對(duì)應(yīng)關(guān)系；杜立杰等[5]建立了貫入度指數(shù)與推力、貫入度的關(guān)系，研究成果多基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)或某特定工程，通用性還有待驗(yàn)證。

針對(duì)高磨蝕硬巖地層TBM滾刀耐磨性評(píng)價(jià)，楊延棟等[6]、趙海鳴等[7]、柳陪蕾等[8]建立了基于滾刀材料微觀磨粒磨損機(jī)理的理論磨損預(yù)測(cè)模型；楊延棟等[9]、王立輝[10]、耿麒等[11]建立了基于宏觀能量磨損理論的磨損預(yù)測(cè)模型，但磨粒磨損系數(shù)、能量磨損率、滾刀滑移距離等參數(shù)確定困難；夏毅敏等[12]、張彪[13]、王凱等[14]通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)建立了滾刀磨損規(guī)律，未提出具體評(píng)價(jià)方法；張厚美[15]、閆長(zhǎng)斌等[16]、孫振川等[17]針對(duì)特定TBM隧道工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立了滾刀磨損規(guī)律。

針對(duì)斷層破碎帶地層TBM“刀盤受困”風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，朱光軒[18]通過(guò)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)建立了刀盤卡機(jī)災(zāi)害判識(shí)方法，但還未能用于工程實(shí)踐；龔秋明等[19]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)對(duì)于影響TBM隧道施工的斷層進(jìn)行了初步分級(jí)，尚未形成明確的刀盤受困風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。針對(duì)高地應(yīng)力擠壓性地層TBM護(hù)盾被卡風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，黃興等[20]刻畫了圍巖擠壓變形的時(shí)空效應(yīng)；溫森等[21]提出了TBM護(hù)盾區(qū)域圍巖變形計(jì)算模型，未形成護(hù)盾被困風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

上述研究有助于單一維度的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)，不同地層條件下TBM與圍巖的相互作用有所不同，TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)的側(cè)重點(diǎn)也有所區(qū)別，因此，有必要基于復(fù)雜地質(zhì)巖機(jī)相互作用，建立多維度的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法，為復(fù)雜地質(zhì)隧道修建TBM工法選擇、裝備設(shè)計(jì)及施工難題的解決提供量化依據(jù)。

1 基于滾刀與圍巖相互作用TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

滾刀與圍巖相互作用主要表現(xiàn)為滾刀的可掘性和耐磨性，在高強(qiáng)度硬巖地層，滾刀貫入掌子面巖石的難度大，此時(shí)滾刀貫入巖石的難易程度是評(píng)價(jià)TBM適應(yīng)性的關(guān)鍵；在高磨蝕硬巖地層，滾刀除了難以貫入掌子面巖石外，滾刀刀圈材料容易被磨損消耗，此時(shí)滾刀耐磨性也是評(píng)價(jià)TBM適應(yīng)性的關(guān)鍵。

1.1 基于滾刀可掘性的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)

滾刀貫入度指數(shù)(field penetration index，F(xiàn)PI)用于評(píng)價(jià)滾刀貫入巖石的難易程度，表示單位貫入度單把滾刀載荷，單位：(kN/cutter)/(mm/r)；貫入度為TBM掘進(jìn)速度與刀盤轉(zhuǎn)速的比值。FPI越大滾刀越難易貫入，TBM越難以適應(yīng)。通過(guò)TBM現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)計(jì)算滾刀貫入度指數(shù)時(shí)，假定刀盤上所有滾刀載荷相等，貫入度指數(shù)FPI計(jì)算公式為

(1)

式(1)中：N為滾刀數(shù)量，刀盤設(shè)計(jì)時(shí)確定，cutter；h為貫入度，mm/r；F為TBM推力，kN；n為刀盤轉(zhuǎn)速，r/min；v為TBM掘進(jìn)速度，mm/min。

TBM推力、刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度均可通過(guò)TBM的PLC (programmable logic controller)實(shí)時(shí)獲取。

滾刀貫入度指數(shù)FPI與巖體完整性、抗壓強(qiáng)度密切相關(guān)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)中國(guó)引黃入晉TBM2標(biāo)雙護(hù)盾TBM、蘭州水源地雙護(hù)盾TBM引水隧洞、引松供水敞開(kāi)式TBM引水隧洞、深圳地鐵六號(hào)雙護(hù)盾TBM隧道以及新加坡DTSS (deep tunnel sewerage system)項(xiàng)目T05和T06隧洞道共計(jì)5個(gè)TBM工程200余組數(shù)據(jù)，得到了滾刀貫入度指數(shù)與巖體完整性系數(shù)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度乘積呈正相關(guān)線性函數(shù)關(guān)系，如式(2)所示，相關(guān)系數(shù)平方R2為0.788 7，擬合曲線如圖1所示。

FPI=0.678 3KVRC-1.406 8

(2)

式(2)中:KV為巖體完整性系數(shù)；RC為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

圖1 貫入度指數(shù)與巖體特性指標(biāo)的擬合曲線Fig.1 The fitting curve of field penetration index and rock mass indicators

目前，大尺寸滾刀可承受的極限破巖載荷約為300 kN，但TBM掘進(jìn)時(shí)刀盤上的滾刀往往不是全部同時(shí)受力，因此單把滾刀的當(dāng)量載荷以200 kN考慮。在該載荷下以貫入度2、5、10 mm/r 3個(gè)臨界值將滾刀可掘性分為極差、差、好、極好4個(gè)等級(jí)，如表1所示，用于評(píng)價(jià)TBM在高強(qiáng)度硬巖地層掘進(jìn)的適應(yīng)性。

表1 基于滾刀可掘性的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法Table 1 TBM adaptability evaluation method based on disc cutter excavability

1.2 基于滾刀耐磨性的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)

滾刀破巖體積磨損速率ω是用于評(píng)價(jià)滾刀耐磨性的指標(biāo)，表示開(kāi)挖單位體積巖石所產(chǎn)生的徑向磨損量，單位：mm/m3。ω越大滾刀磨損越快，TBM越難以適應(yīng)。刀盤上某把滾刀的破巖體積磨損速率計(jì)算公式為

(3)

式(3)中：Qi為TBM刀盤上第i把滾刀的累計(jì)磨損量，利用滾刀磨損測(cè)量工具測(cè)量，mm；Ri為TBM刀盤上第i把滾刀的安裝半徑，m；Ri-1為i-1把滾刀的安裝半徑，m；L為TBM使用該盤滾刀的掘進(jìn)距離，m。

滾刀破巖體積磨損速率ω與巖石磨蝕性、巖體完整性密切相關(guān)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析中國(guó)已建和在建的5個(gè)TBM工程的7條隧道工程數(shù)據(jù)，得到滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數(shù)、巖石磨蝕值乘積呈正相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，如式(4)所示，相關(guān)系數(shù)平方R2為0.929 8，擬合曲線如圖2所示。

ω=0.002 9e1.178 3KVCAI

(4)

式(4)中：CAI為巖石磨蝕值，0.1 mm。

結(jié)合多個(gè)TBM工程實(shí)踐刀具消耗程度，以滾刀破巖體積磨損速率0.10、0.05、0.01 mm/m33個(gè)臨界值將滾刀耐磨性分為極差、差、好、極好4個(gè)等級(jí)，如表2所示，用于評(píng)價(jià)TBM在高磨蝕硬巖地層刀具的適應(yīng)性。

圖2 破巖體積磨損速率與巖體特性指標(biāo)的擬合曲線Fig.2 Fitting curve of disc cutter rock breaking volume wear rate and rock mass indicators

表2 基于滾刀耐磨性的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法Table 2 TBM adaptability evaluation method based on the disc cutter abrasion resistance

2 基于刀盤與圍巖相互作用TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

巖體完整性和自穩(wěn)性好的地層僅發(fā)生滾刀與圍巖的相互作用，滾刀貫入掌子面滾壓破巖，刀盤面板與掌子面不接觸，二者無(wú)相互作用。TBM在斷層破碎帶地層中掘進(jìn)時(shí)，滾刀可掘性和耐磨性均很好，滾刀與圍巖的相互作用已不再是主要矛盾；隧道掌子面坍塌導(dǎo)致松散巖塊堆積在刀盤前方，當(dāng)坍塌體對(duì)刀盤產(chǎn)生的阻力矩大于額定扭矩時(shí)，需要降低刀盤轉(zhuǎn)速以便為刀盤提供足夠的扭矩；當(dāng)坍塌體對(duì)刀盤產(chǎn)生的阻力矩大于脫困扭矩時(shí)，將導(dǎo)致TBM“刀盤受困”。

斷層破碎帶地層影響刀盤與圍巖相互作用的因素包括斷層寬度、產(chǎn)狀、填充物以及含水情況等[18]，其中斷層寬度對(duì)于TBM是否發(fā)生刀盤被困事故的影響最為顯著，斷層寬度越寬，刀盤前方坍塌體堆積量越大，越容易導(dǎo)致TBM刀盤被困。TBM在斷層破碎帶地層掘進(jìn)頻繁發(fā)生刀盤被困，導(dǎo)致TBM無(wú)法連續(xù)掘進(jìn)，從而影響TBM利用率，因此，斷層破碎帶圍巖指標(biāo)采用斷層寬度，TBM裝備指標(biāo)采用設(shè)備利用率；設(shè)備利用率越高，TBM可穿越性越強(qiáng)。通過(guò)TBM工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，建立TBM在斷層破碎帶地層掘進(jìn)設(shè)備利用率與斷層寬度的關(guān)系，就能對(duì)斷層破碎帶地層TBM刀盤受困風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)引松供水、引漢濟(jì)渭、高黎貢山等工程TBM穿越30余條斷層的斷層寬度、卡機(jī)情況及設(shè)備利用率，得到斷層破碎帶地層TBM設(shè)備利用率與斷層寬度呈負(fù)相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系，式(5)所示，相關(guān)系數(shù)平方R2為0.788 9，擬合曲線如圖3所示。

U=95.555B-0.385

(5)

式(5)中:U為TBM設(shè)備利用率，%；B為斷層寬度，cm。

結(jié)合多個(gè)TBM隧道工程刀盤受困程度，以TBM設(shè)備利用率40、20、10% 3個(gè)臨界值將斷層破碎帶地層TBM刀盤受困風(fēng)險(xiǎn)分為極低、低、高、極高4個(gè)等級(jí)，如表3所示，用于評(píng)價(jià)TBM在斷層破碎帶地層的適應(yīng)性。

圖3 TBM設(shè)備利用率與斷層寬度擬合曲線Fig.3 Fitting curve of TBM equipment utilization and fault width

表3 基于刀盤受困風(fēng)險(xiǎn)的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法Table 3 TBM adaptability evaluation method based on cutterhead trapped risk

3 基于護(hù)盾與圍巖相互作用TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法

TBM刀盤開(kāi)挖直徑大于護(hù)盾直徑，巖體完整性和自穩(wěn)性好的圍巖，隧道頂部圍巖與護(hù)盾不接觸，二者無(wú)相互作用。TBM在高地應(yīng)力擠壓性地層掘進(jìn)，隧道圍巖發(fā)生大變形，當(dāng)變形量達(dá)到護(hù)盾與圍巖間隙值時(shí)，圍巖與護(hù)盾接觸、產(chǎn)生推進(jìn)阻力；隨著TBM繼續(xù)向前掘進(jìn)和圍巖對(duì)護(hù)盾擠壓應(yīng)力的進(jìn)一步增加，產(chǎn)生的推力阻力達(dá)到TBM所能提供的極限推力時(shí)，TBM發(fā)生護(hù)盾被卡事故，也稱護(hù)盾抱死。

高地應(yīng)力擠壓性地層隧道圍巖發(fā)生“大變形”導(dǎo)致TBM護(hù)盾被卡事故，主要與地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度、隧道開(kāi)挖直徑、圍巖變形量等有關(guān)，Hoek等[22]通過(guò)隧道現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到高地應(yīng)力擠壓性地層隧道圍巖相對(duì)變形量與強(qiáng)度應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系，可表示為

ε=0.2(RC/σ1)-2

(6)

式(6)中：ε為隧道圍巖相對(duì)變形量，無(wú)量綱；σ1為圍巖最大主應(yīng)力,MPa。

結(jié)合多個(gè)TBM隧道工程護(hù)盾被卡程度，以隧道圍巖相對(duì)變形量5.0、2.5、1.0% 3個(gè)臨界值將高地應(yīng)力擠壓性地層TBM“護(hù)盾被卡”風(fēng)險(xiǎn)分為極高、高、低、極低4個(gè)等級(jí)，如表4所示，用于評(píng)價(jià)TBM在高地應(yīng)力擠壓性地層的適應(yīng)性。

表4 基于護(hù)盾被卡風(fēng)險(xiǎn)的TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)方法Table 4 TBM adaptability evaluation method based on shield stuck risk

4 結(jié)論

通過(guò)分析不同地質(zhì)條件下TBM滾刀、刀盤、護(hù)盾與隧道圍巖的相互作用，結(jié)合多個(gè)TBM隧道工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從多個(gè)維度建立了TBM適應(yīng)性的評(píng)價(jià)方法。得出如下結(jié)論。

(1)針對(duì)高強(qiáng)度硬巖地層，揭示了滾刀貫入度指數(shù)與巖體完整性系數(shù)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度乘積呈正相關(guān)線性函數(shù)關(guān)系，提出了基于滾刀可掘性的TBM適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。

(2)針對(duì)高磨蝕硬巖地層，揭示了滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數(shù)、巖石磨蝕值乘積呈正相關(guān)指數(shù)函數(shù)關(guān)系，提出了基于滾刀耐磨性的TBM適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。

(3)針對(duì)斷層破碎帶地層，揭示了TBM設(shè)備利用率與斷層跨度呈負(fù)相關(guān)冪函數(shù)關(guān)系，提出了基于刀盤受困風(fēng)險(xiǎn)的TBM適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。

(4)針對(duì)高地應(yīng)力擠壓性地層，基于揭示的隧道圍巖相對(duì)變形量與強(qiáng)度應(yīng)力比呈負(fù)相關(guān)的冪函數(shù)關(guān)系，提出了基于護(hù)盾被卡風(fēng)險(xiǎn)的TBM適應(yīng)性分級(jí)評(píng)價(jià)方法。

除了TBM滾刀、刀盤、護(hù)盾與圍巖的相互作用，TBM撐靴、支護(hù)結(jié)構(gòu)也與隧道圍巖存在相互作用，但相對(duì)于上述3種更便于處理，研究中并未涉及；高地應(yīng)力硬巖強(qiáng)巖爆也會(huì)造成TBM“被卡被困”，但巖爆的發(fā)生存在很大的不確定性，需要進(jìn)一步探索。