適用于模擬復(fù)雜地質(zhì)條件的微型TBM試驗(yàn)系統(tǒng)研制及應(yīng)用

趙海雷, 曾垂剛， 王利明， *， 潘東江， 楊振興， 趙自記, 李宏波

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458； 3. 鄭州貞觀電子科技有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

作為目前最先進(jìn)的巖石隧道施工設(shè)備，全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine)集掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序?yàn)橐惑w，是機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進(jìn)速度快、環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)[1-3]。隨著西部大開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展，中國(guó)有關(guān)水利水電和道路的修建重心正在向地形、地質(zhì)條件更加復(fù)雜的西部山區(qū)轉(zhuǎn)移，且大部分隧道的修建將采用TBM施工，如高地應(yīng)力、高富水、強(qiáng)巖溶、極破碎等復(fù)雜的地質(zhì)條件會(huì)給隧道施工帶來(lái)極大挑戰(zhàn)[4-7]。因此，在采用TBM施工之前，掌握復(fù)雜地質(zhì)條件下開(kāi)挖過(guò)程中隧道場(chǎng)的變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的施工預(yù)案，是有效預(yù)防復(fù)雜地質(zhì)條件產(chǎn)生不良影響的關(guān)鍵。但是，由于施工條件和環(huán)境的限制，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)幾乎很難完成。

目前，針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM開(kāi)挖隧道場(chǎng)變化規(guī)律的研究，主要方法包括理論分析、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)等。理論分析在處理隧道場(chǎng)變化規(guī)律時(shí)，對(duì)于復(fù)雜圍巖的處理有很多局限性，分析結(jié)果往往不太理想； 數(shù)值模擬則在本構(gòu)模型和邊界條件選取等方面無(wú)法準(zhǔn)確表征圍巖的力學(xué)特性，在模擬復(fù)雜地質(zhì)條件下的工程問(wèn)題方面存在先天不足[8]； 而地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)芤袁F(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜地質(zhì)探勘數(shù)據(jù)為原型，通過(guò)相似比例的方法，準(zhǔn)確模擬隧道開(kāi)挖過(guò)程，直觀反映復(fù)雜地質(zhì)條件內(nèi)部的隧道場(chǎng)變化規(guī)律，能夠彌補(bǔ)理論分析和數(shù)值模擬的不足之處，得到業(yè)內(nèi)廣泛推廣應(yīng)用。

開(kāi)展室內(nèi)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，需要設(shè)計(jì)性能可靠、功能先進(jìn)的模型試驗(yàn)系統(tǒng)。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)的研究主要有： 朱維申等[9-10]研制了高地應(yīng)力條件下洞群穩(wěn)定性地質(zhì)力學(xué)模型，并以大渡河上雙江口水電站為工程背景，綜合介紹了高地應(yīng)力條件下洞群穩(wěn)定性地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)； 張慶松等[11]研制了斷層破碎帶突水突泥模型試驗(yàn)系統(tǒng)，研究了揭露斷層后的隧道圍巖滲流壓力、應(yīng)力應(yīng)變、位移以及涌出物等特征參數(shù)的變化規(guī)律； 李術(shù)才等[12-13]研制了海底隧道新型可拓展突水模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該模型可揭示開(kāi)挖及突水災(zāi)變演化過(guò)程中斷層及普通圍巖多物理場(chǎng)信息演化規(guī)律； 李浪等[14]研制了深長(zhǎng)隧道突水地質(zhì)災(zāi)害三維模型試驗(yàn)系統(tǒng)，該試驗(yàn)系統(tǒng)已在成蘭鐵路線龍門(mén)山隧道的突水三維模型試驗(yàn)中應(yīng)用，獲得了突水災(zāi)害發(fā)生時(shí)最小隔水安全厚度；為模擬深部巖體在高地應(yīng)力條件下的非線性變形破壞特征，張強(qiáng)勇等[15]研制出一種高地應(yīng)力真三維加載地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示了深部巷道圍巖分區(qū)破裂的非線性變形破壞現(xiàn)象； 李瀚源等[16]基于盾構(gòu)隧道縱向等效連續(xù)化模型，開(kāi)展了隱伏斷層錯(cuò)動(dòng)對(duì)盾構(gòu)隧道影響的模型試驗(yàn)，獲得了相應(yīng)的影響規(guī)律； 宋偉濤等[17]利用φ280 mm 模型盾構(gòu)試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展盾構(gòu)掘進(jìn)模型試驗(yàn)，揭示了砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表沉降規(guī)律及開(kāi)挖面失穩(wěn)破壞機(jī)理。

但是，以上研究并沒(méi)有針對(duì)大埋深、長(zhǎng)大山嶺TBM掘進(jìn)隧道進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是模擬鉆爆法開(kāi)挖的方式，通過(guò)人工開(kāi)挖的方法對(duì)隧道圍巖的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行研究，對(duì)于TBM掘進(jìn)隧道場(chǎng)的變化規(guī)律不能開(kāi)展相應(yīng)的試驗(yàn)。本文以滇中引水工程香爐山隧洞工程為依托，研制了一種能模擬高地應(yīng)力、高水壓、斷層破碎帶、可溶巖以及其他復(fù)雜地質(zhì)條件的微型TBM掘進(jìn)系統(tǒng)。該掘進(jìn)系統(tǒng)主要由微型掘進(jìn)裝置、多功能巖箱、微型掘進(jìn)機(jī)工位平移裝置、四聯(lián)液壓系統(tǒng)、多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及微型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)控制系統(tǒng)等組成。該系統(tǒng)可以進(jìn)行半斷面可視化掘進(jìn)和全斷面高地應(yīng)力模擬掘進(jìn)，為現(xiàn)場(chǎng)高地應(yīng)力大埋深復(fù)雜地質(zhì)下TBM掘進(jìn)提供可靠的參考資料； 同時(shí)，也可為各大科研院所及高校的研究，提供專(zhuān)業(yè)的平臺(tái)支持。

1 微型TBM模擬掘進(jìn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

定量模型的相似比一般取10～50。在本次試驗(yàn)中，以云南滇中引水香爐山隧洞用TBM為原型，其開(kāi)挖直徑為9.83 m，取幾何相似比28為基準(zhǔn)，確定模型系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)。為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，在反復(fù)論證和充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定微型TBM模擬掘進(jìn)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求如下。

1)掘進(jìn)系統(tǒng)尺寸及功能： 長(zhǎng)4 300 mm、高866 mm、寬1 200 mm，動(dòng)力裝置采用80 t液壓油缸，最大行程可達(dá)1 300 mm； 80 t輪輻式傳感器可實(shí)時(shí)采集液壓油缸前進(jìn)推力數(shù)據(jù)；采用規(guī)格為5.5 kW伺服電機(jī)，控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)速在0～10 r/min可調(diào)，刀盤(pán)最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)1 000 N·m； 連接固定架采用強(qiáng)度高、剛性大的鋼材，保證刀盤(pán)不栽頭； L1及L2區(qū)由PE管和有機(jī)玻璃組合而成，外徑350 mm、內(nèi)徑300 mm，同時(shí)在管壁預(yù)留盲孔以便安裝壓力傳感器；盾體材質(zhì)為有機(jī)玻璃，內(nèi)徑310 mm、外徑350 mm。

2)多功能巖箱尺寸及功能： 巖箱外型尺寸為1 900 mm ×1 600 mm × 2 300 mm(長(zhǎng)×寬×高)，巖箱內(nèi)容積尺寸為1 500 mm × 1 200 mm ×1 600 mm(長(zhǎng)×寬×高)，可以實(shí)現(xiàn)有壓力時(shí)TBM的全斷面掘進(jìn)與無(wú)壓力時(shí)的TBM半斷面可視化掘進(jìn)。

3)微型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)控制系統(tǒng)功能： 可實(shí)現(xiàn)對(duì)油缸推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)控制，并將油缸總位移、掘進(jìn)速度、轉(zhuǎn)矩和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)記錄保存，可將數(shù)據(jù)結(jié)果保存為Excel格式。

研制該模型系統(tǒng)的主要目的是可以實(shí)現(xiàn)高地應(yīng)力、高水壓、斷層破碎帶、可溶巖以及其他復(fù)雜地質(zhì)條件的掘進(jìn)模擬。掘進(jìn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)物見(jiàn)圖1。

(a) 掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2 分系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案

2.1 掘進(jìn)系統(tǒng)

掘進(jìn)系統(tǒng)主要包括刀盤(pán)、盾體及支護(hù)分區(qū)、螺旋出土器、支撐底架與工位平移裝置。

2.1.1 刀盤(pán)設(shè)計(jì)

刀盤(pán)采用Q345結(jié)構(gòu)鋼加工而成，刀盤(pán)凈直徑為350 mm，刀盤(pán)中心配備1把中心刀，中心刀周邊按照非線性布置了18把刮刀，最外層邊刮刀可實(shí)現(xiàn)擴(kuò)挖直徑為354 mm，刀盤(pán)的掘進(jìn)動(dòng)力采用80 t液壓油缸，并配備80 t輪輻式傳感器，可實(shí)時(shí)采集液壓油缸前進(jìn)推力數(shù)據(jù)，最大行程可達(dá)1 300 mm。該刀盤(pán)對(duì)單軸抗壓強(qiáng)度10 MPa以下相似材料的掘進(jìn)都有很好的適應(yīng)性。另外，為了應(yīng)對(duì)更加復(fù)雜的工況或更加堅(jiān)硬的材料，刀盤(pán)可以根據(jù)需要隨時(shí)更換。刀盤(pán)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 刀盤(pán)設(shè)計(jì)圖

2.1.2 盾體及支護(hù)分區(qū)

基于相似比計(jì)算，結(jié)合滇中引水香爐山隧道TBM護(hù)盾用材質(zhì)的彈性模量，確定微型掘進(jìn)裝置的護(hù)盾采用亞克力，并在護(hù)盾拱頂、拱肩和拱腰位置打設(shè)盲孔，便于安裝微型土壓力盒，監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過(guò)程中圍巖壓力的變化。L1區(qū)及L2區(qū)由亞克力和PE管嵌套組成，外徑為350 mm，通過(guò)相似計(jì)算，L1及L2分區(qū)的嵌套組合可以模擬現(xiàn)場(chǎng)初噴混凝土的工況。同時(shí)，在分區(qū)相應(yīng)位置打設(shè)盲孔，安裝微型土壓力盒，確保掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)支護(hù)區(qū)圍巖壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。掘進(jìn)裝置盾體裝配及實(shí)物見(jiàn)圖3。

(a) 掘進(jìn)裝置盾體裝配圖

2.1.3 出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

微型TBM盾體內(nèi)部空間有限，導(dǎo)致使用人工和皮帶機(jī)出渣均不方便。經(jīng)過(guò)BIM仿真驗(yàn)證，設(shè)備最終采用螺旋出土器出渣設(shè)計(jì)方案，見(jiàn)圖4，其安裝位置見(jiàn)圖中綠色部分，位于盾體底部。螺旋出土器的外管直徑為60 mm，葉片直徑為55 mm，允許渣土的最大粒徑為15 mm。螺旋出土器的速度可通過(guò)掘進(jìn)控制系統(tǒng)面板在0～60 r/min切換調(diào)節(jié)。

圖4 出渣系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.1.4 支撐底架設(shè)計(jì)與作用

支撐底架具有雙重作用，在支撐底架上表面前側(cè)安裝微型掘進(jìn)裝置，在其下方中間固定安裝有用來(lái)平移微型掘進(jìn)裝置的升降架，保證掘進(jìn)過(guò)程和工位平移的順利進(jìn)行，其具體設(shè)計(jì)及實(shí)物見(jiàn)圖5。

(a) 支撐底架設(shè)計(jì)圖(單位： mm)

2.1.5 工位平移裝置

工位平移裝置肩負(fù)著掘進(jìn)工況更換的重任，主要包括固定架、底座、外撐、內(nèi)撐、起升液壓油缸、托架和平移液壓缸，如圖6所示。固定架左右兩側(cè)邊沿設(shè)置為導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上滑動(dòng)設(shè)置有底座，底座和固定架之間固定安裝有平移液壓油缸。同時(shí)底座左、右兩側(cè)分別連接有外撐和內(nèi)撐，外撐中間和內(nèi)撐中間采用轉(zhuǎn)動(dòng)方式連接，外撐上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有托架，內(nèi)撐上端轉(zhuǎn)動(dòng)連接有起升液壓油缸，起升液壓油缸下端轉(zhuǎn)動(dòng)連接在固定架上，內(nèi)撐上端支撐在支撐底架的底面上。該工位平移裝置可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝置半斷面掘進(jìn)和全斷面掘進(jìn)2種工況的自由切換。

圖6 工位平移裝置設(shè)計(jì)圖

2.2 多功能巖箱設(shè)計(jì)

為達(dá)到高地應(yīng)力作用下隧道開(kāi)挖的試驗(yàn)?zāi)康模笤囼?yàn)發(fā)生裝置即主箱體具有強(qiáng)度高、承壓能力強(qiáng)等功能。主箱體為Q345結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，結(jié)構(gòu)面采用高強(qiáng)螺栓拼裝而成，方便拆卸，內(nèi)部尺寸為1 200 mm×1 500 mm×1 600 mm。巖箱用來(lái)盛裝相似土層，巖箱頂部固定安裝有四聯(lián)液壓系統(tǒng)，由4個(gè)70 t液壓油缸組成，可用來(lái)模擬地應(yīng)力加載。四聯(lián)液壓系統(tǒng)下端固定安裝加載板，每個(gè)油缸加載板面積為600 mm×750 mm。加載板可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)加載，也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)協(xié)同加載。四聯(lián)液壓系統(tǒng)通過(guò)四周螺栓與多功能巖箱相連接，最大可以模擬1.1 MPa的地應(yīng)力，可以實(shí)現(xiàn)軟弱破碎地層均勻或局部高地應(yīng)力的模擬。巖箱前側(cè)設(shè)置為透明的可視面，可視面對(duì)應(yīng)微型掘進(jìn)系統(tǒng)位置設(shè)置有滑窗，滑窗可用來(lái)滑動(dòng)密封，可視面對(duì)應(yīng)滑窗上下邊沿固定安裝有導(dǎo)輪，微型掘進(jìn)系統(tǒng)前側(cè)卡設(shè)有與導(dǎo)輪配合的導(dǎo)向架，導(dǎo)向架用來(lái)支撐導(dǎo)向，以便順利完成半斷面掘進(jìn)；巖箱前側(cè)的透明可視面可以更換為高強(qiáng)度鋼板面，以便完成不同工況下的掘進(jìn)。巖箱左側(cè)側(cè)面設(shè)置有全斷面開(kāi)口和半斷面開(kāi)口。通過(guò)更換巖箱前側(cè)的工作面，可以分別實(shí)現(xiàn)半斷面可視化掘進(jìn)和高應(yīng)力下全斷面掘進(jìn)。另外，與傳統(tǒng)反力架加載裝置相比，巖箱和液壓加載系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)，大大減小了設(shè)備布置的空間。多功能巖箱實(shí)物見(jiàn)圖7。

(a) 半斷面可視化掘進(jìn)

2.3 多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

作為模型試驗(yàn)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。該系統(tǒng)主要包括監(jiān)測(cè)元件和數(shù)據(jù)采集裝置。監(jiān)測(cè)元件主要有微型土壓力盒、位移計(jì)以及滲壓計(jì)等。另外，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了監(jiān)測(cè)儀器的布設(shè)通道以及監(jiān)測(cè)內(nèi)容。在掘進(jìn)系統(tǒng)的盾體及支護(hù)分區(qū)，安裝了量程為1.5 MPa的土壓力盒，可以用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)過(guò)程中護(hù)盾及支護(hù)分區(qū)周邊的壓力變化。在多功能巖箱周邊和四聯(lián)液壓系統(tǒng)頂部均設(shè)置了傳感器布設(shè)通道，可供土壓力盒、位移傳感器以及滲壓計(jì)等監(jiān)測(cè)設(shè)備的安裝，為試驗(yàn)過(guò)程提供全方位的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多元信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)同步采集。多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖8。

(a) 微型土壓力盒 (b) 多點(diǎn)位移計(jì)

2.4 微型掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)控制系統(tǒng)

掘進(jìn)控制系統(tǒng)作為中樞大腦關(guān)鍵核心，具有控制掘進(jìn)、加載和掘進(jìn)工位平移的3大功能。掘進(jìn)控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示掘進(jìn)過(guò)程中的總位移、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)推力、加載壓力等。為了對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行安全保護(hù)和參數(shù)調(diào)整，開(kāi)發(fā)了保護(hù)參數(shù)與工況參數(shù)設(shè)置的功能。報(bào)警一覽表的設(shè)置，可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的報(bào)警時(shí)間、變量描述、報(bào)警類(lèi)型等情況記錄備查，給試驗(yàn)過(guò)程中的故障排查節(jié)省大量時(shí)間。另外，針對(duì)四聯(lián)液壓油缸的豎向加載控制，可實(shí)現(xiàn)1#～4#油缸的任意組合控制，以滿(mǎn)足不同試驗(yàn)加載的個(gè)性化需求。所有的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均以Excel輸出，方便后期數(shù)據(jù)處理。掘進(jìn)控制系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 掘進(jìn)控制系統(tǒng)界面

3 微型TBM試驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)依托工程概況

應(yīng)用效果驗(yàn)證依托工程為滇中引水香爐山隧洞。該項(xiàng)目工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復(fù)雜，堪稱(chēng)“地質(zhì)博物館”，幾乎涵蓋所有地下工程的不良地質(zhì)，穿越褶皺構(gòu)造2處、斷層12條(876 m)、活動(dòng)大斷裂帶1條(156 m)、巖爆段4段(1 539 m)，軟巖大變形段8段(3 676 m)，淺埋暗挖長(zhǎng)2 342 m(埋深30～80 m)，可溶巖段2段(12 km)，全隧最大涌水段涌水量3 600 m3/h，Ⅳ、Ⅴ類(lèi)圍巖占標(biāo)段長(zhǎng)度的60%，且圍巖變化頻繁、施工連續(xù)性差、工程技術(shù)難度和施工地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)超高，工程項(xiàng)目線路如圖10所示。

圖10 工程項(xiàng)目線路圖

3.2 復(fù)雜地質(zhì)模擬及試驗(yàn)方案

3.2.1 高地應(yīng)力斷層破碎帶

基于依托工程復(fù)雜的地質(zhì)概況，F(xiàn)12斷層為區(qū)域性大斷層，為室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M的重點(diǎn)區(qū)域。TBM在高應(yīng)力水平斷裂破碎帶中掘進(jìn)，由于破碎圍巖和裂隙發(fā)育組合切割，隧洞開(kāi)挖后極易形成不穩(wěn)定塊體，產(chǎn)生頂拱掉塊、坍頂及彎折內(nèi)鼓等變形破壞，TBM極易受困卡機(jī)，導(dǎo)致無(wú)法正常施工。

根據(jù)相似理論模擬隧洞圍巖及斷層破碎帶物理力學(xué)參數(shù)，相似比為28。根據(jù)香爐山隧洞地質(zhì)勘察報(bào)告，確定隧洞普通圍巖模型按照Ⅲ2類(lèi)圍巖配置相似材料，F(xiàn)12斷層按照Ⅴ類(lèi)圍巖配置相似材料。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)多組配比試驗(yàn)，確定試驗(yàn)隧洞圍巖選擇河砂作為骨料，水泥和石膏混合料作為膠結(jié)料。斷層破碎帶選擇重晶石粉、鐵粉和石英砂作為骨料配置成散體材料，重晶石粉質(zhì)量∶鐵粉質(zhì)量∶石英砂質(zhì)量=1∶2∶1.333，其容重為20.6 kN/m3，內(nèi)摩擦角為28°?；诙喙δ軒r箱上部的四聯(lián)液壓系統(tǒng)，通過(guò)油缸加載，可以模擬高地應(yīng)力的工況。當(dāng)選擇4個(gè)油缸同時(shí)工作時(shí)，可以模擬均勻地應(yīng)力加載工況； 當(dāng)4個(gè)油缸不同時(shí)加載時(shí)，可以模擬偏壓地應(yīng)力的工況。該模擬地質(zhì)條件在巖箱中的布置及監(jiān)測(cè)斷面如圖11所示。

(a) 斷層破碎帶布置方式 (b) 監(jiān)測(cè)斷面

3.2.2 高水壓巖溶富水地層

香爐山隧洞巖溶水量大、隱伏溶洞不明，造成局部構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)異常問(wèn)題，給現(xiàn)場(chǎng)TBM施工帶來(lái)了極大風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，就此開(kāi)展高水壓巖溶富水地層的固液耦合試驗(yàn)。

為了能夠準(zhǔn)確反映TBM掘進(jìn)擾動(dòng)誘發(fā)可溶巖突泥涌水區(qū)應(yīng)力場(chǎng)重構(gòu)規(guī)律，相似材料的選取與掘進(jìn)方式的選擇至關(guān)重要。首先，基于多功能巖箱的設(shè)計(jì)，本次試驗(yàn)采用可視化半斷面掘進(jìn)方式，以便于直觀地感受TBM掘進(jìn)至高水壓巖溶地層時(shí)突泥涌水的現(xiàn)象，同時(shí)便于監(jiān)測(cè)圍巖應(yīng)力場(chǎng)的重構(gòu)規(guī)律。半斷面掘進(jìn)的具體操作是先將微型TBM調(diào)整到半斷面掘進(jìn)孔，然后安裝微型TBM與移動(dòng)玻璃窗的連接架； 當(dāng)TBM向前掘進(jìn)時(shí)，移動(dòng)玻璃窗以同樣的速度向前滑移，保證同掘同推的過(guò)程，見(jiàn)圖12。其次，本試驗(yàn)中圍巖相似材料采用流固耦合相似材料，選擇砂、碳酸鈣、鐵粉、水泥、氯化石蠟、硅油為原材料。根據(jù)流固耦合相似理論，計(jì)算各參數(shù)相似比尺，經(jīng)過(guò)多組配比試驗(yàn)，測(cè)得本文相似材料的容重、強(qiáng)度、變形特征及水理特性均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。溶洞布置方式及監(jiān)測(cè)斷面如圖13所示。

圖12 半斷面掘進(jìn)示意圖

(a) (b)

3.3 應(yīng)用效果

基于研發(fā)的微型TBM試驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)及依托工程滇中引水香爐山隧洞的特殊地質(zhì)情況，在現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展試驗(yàn)艱難和生產(chǎn)不允許的情況下，分別進(jìn)行了室內(nèi)模擬高地應(yīng)力斷層破碎帶全斷面掘進(jìn)和高水壓巖溶富水地層的半斷面可視化掘進(jìn)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中分別對(duì)成洞效果、掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置、掘進(jìn)參數(shù)波動(dòng)情況以及設(shè)備運(yùn)行情況等進(jìn)行了記錄，分別得出如下結(jié)果： 1)成洞效果良好，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，參數(shù)按照設(shè)置目標(biāo)波動(dòng)幅度小且可輕松導(dǎo)出； 2)工位平移裝置使用流暢，加載系統(tǒng)保壓時(shí)間長(zhǎng)，整體系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期效果。可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，針對(duì)性地設(shè)計(jì)室內(nèi)模擬試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，為現(xiàn)場(chǎng)TBM不良地質(zhì)掘進(jìn)提供可靠參數(shù)參考。同時(shí)，該試驗(yàn)裝置的研發(fā)可為隧道掘進(jìn)研究提供可靠的試驗(yàn)平臺(tái)。圖14為不同掘進(jìn)工況下的成洞效果。由圖可知，無(wú)論是半斷面掘進(jìn)還是全斷面掘進(jìn)，都具有較好的成洞效果。

(a) 半斷面可視化掘進(jìn)

圖15示出了微型TBM進(jìn)行全斷面高地應(yīng)力斷層破碎地層掘進(jìn)時(shí)的轉(zhuǎn)矩和推力曲線。刀盤(pán)的最大轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)值為1 kN·m，隨著TBM掘進(jìn)至硬巖與斷層破碎帶交界面，斷層破碎帶坍塌，大量渣土涌進(jìn)刀盤(pán)，導(dǎo)致螺旋出土器不能及時(shí)排出渣土。隨著時(shí)間的推移，刀盤(pán)推力和轉(zhuǎn)矩逐漸增大，當(dāng)轉(zhuǎn)矩達(dá)到1.2 kN·m，超過(guò)額定轉(zhuǎn)矩20%時(shí)，設(shè)備啟動(dòng)了保護(hù)程序，刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩和推力迅速降低，驗(yàn)證了該設(shè)備具有復(fù)雜地層施工的實(shí)用性和較高的安全性。

(a) 轉(zhuǎn)矩曲線

4 結(jié)論與建議

1)研制的微型掘進(jìn)裝置，實(shí)現(xiàn)了模擬現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)機(jī)的多項(xiàng)功能。開(kāi)挖直徑達(dá)354 mm，轉(zhuǎn)速在0～10 r/min可調(diào)，最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)1 300 N·m，最大推力可達(dá)800 kN，掘進(jìn)行程可達(dá)1 400 mm。

2)研發(fā)的多功能巖箱可實(shí)現(xiàn)半斷面可視化和全斷面高應(yīng)力模擬掘進(jìn)。當(dāng)巖箱的正側(cè)面更換為可視面時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)半斷面的可視化掘進(jìn)，同時(shí)可結(jié)合高速攝像機(jī)或者數(shù)字散斑等監(jiān)測(cè)手段，展現(xiàn)掘進(jìn)過(guò)程中巖土的破壞路徑和規(guī)律；當(dāng)巖箱的正側(cè)面更換為高強(qiáng)度鋼板面時(shí)，可以模擬高地應(yīng)力工況下多種復(fù)雜地質(zhì)條件的開(kāi)挖。

3)研發(fā)的多功能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和掘進(jìn)控制系統(tǒng)可為試驗(yàn)過(guò)程提供全方位的數(shù)據(jù)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多元信息實(shí)時(shí)同步數(shù)據(jù)采集。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可完成對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的圍巖壓力、位移、水壓等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集； 掘進(jìn)控制系統(tǒng)可對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中的總位移、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、刀盤(pán)推力、加載壓力等實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。

研制的微型TBM試驗(yàn)系統(tǒng)將通過(guò)針對(duì)重大工程項(xiàng)目地勘資料的提前試驗(yàn)，為現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)提供可靠的參數(shù)指導(dǎo)。因此，建議重大工程在開(kāi)工前或施工中，能夠針對(duì)復(fù)雜地質(zhì)段提前開(kāi)展室內(nèi)模擬試驗(yàn)。