雙護盾TBM穿越強風化巖層加固技術研究

摘 要：雙護盾TBM因其施工效率高、作業(yè)安全等優(yōu)點，如今在城市地鐵隧道開挖中得到越來越廣泛的應用。然而，由于雙護盾TBM的機械結構和施工模式，要求對圍巖的強度和完整性較高，難以適應局部含有強風化巖石的地質段開挖。針對雙護盾TBM在強風化巖層中開挖所面臨的支撐不穩(wěn)定、姿態(tài)易偏差和圍巖穩(wěn)定性差等問題，以青島地鐵6號線中德工業(yè)園站—生態(tài)園站區(qū)間隧道工程為背景，首先提出強風化巖石地層的注漿加固工藝，然后結合室內(nèi)試驗和顆粒離散元軟件PFC2D，模擬強風化巖層破碎帶注漿加固前后撐靴與圍巖的相互作用情況。最后，將模擬結果與實測數(shù)據(jù)進行對比，驗證模型的可靠性。研究結果對于指導在類似地質條件下使用雙護盾TBM進行施工具有借鑒意義。

關鍵詞：雙護盾TBM；強風化巖層；注漿加固；雙護盾模式；PFC2D

中圖分類號：U455.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0048-07

Abstract： Double shield TBM is more and more widely used in urban subway tunnel excavation because of its high construction efficiency and safe operation. However， due to the mechanical structure and construction mode of double shield TBM， the strength and integrity of surrounding rock are required to be high， so it is difficult to adapt to the local excavation of geological section containing strongly weathered rock. In view of the unstable support， easy attitude deviation and poor stability of surrounding rock faced by double shield TBM in the excavation of strongly weathered rock strata， taking the tunnel project between Zhongde Industrial Park Station and Ecological Park Station of Qingdao Metro Line 6 as the background， the grouting reinforcement technology of strongly weathered rock strata is put forward， and then the grouting reinforcement technology of strongly weathered rock strata is put forward， and then combined with laboratory tests and particle discrete element software PFC2D. The interaction between supporting boots and surrounding rock before and after grouting reinforcement in the broken zone of strongly weathY0uZN9Wl+jEOxtKpmKlcNUbfHy5n8B11a4cgNuNnMT0=ered rock is simulated. Finally， the simulation results are compared with the measured data to verify the reliability of the model. The research results can be used as a reference for guiding the construction of double shield TBM under similar geological conditions.

Keywords： double shield TBM; strongly weathered rock; grouting reinforcement; double shield model; PFC2D

全斷面隧道掘進機TBM（Tunnel Boring Machine）具有快速、高效、安全和經(jīng)濟等優(yōu)點，已成功應用于重慶、青島、深圳等城市地鐵隧道的建設中[1]，據(jù)統(tǒng)計，目前約40%的TBM法隧道分布于市政軌道交通領域[2-5]。由于雙護盾TBM采用雙護盾的工作模式，因此其對圍巖強度與完整性要求較高，在作業(yè)過程中撐靴需撐緊在圍巖上，固定盾體的同時平衡刀盤破巖時的推力和扭矩。若在施工中遇到強風化巖層等穩(wěn)定性較差等地質情況，圍巖無法為撐靴提供足夠而穩(wěn)定的支撐力，將影響刀盤正常開挖，甚至導致TBM姿態(tài)扭轉、偏差等嚴重問題。

針對TBM在復雜地質條件下的掘進問題，許多學者進行了廣泛的研究。從地層預測和實時監(jiān)測的角度，一些學者提出了多種方法。齊夢學[6]對雙護盾TBM在多種不良地層中的掘進進行了簡要探討，提出了結合提前監(jiān)測、施工中監(jiān)測和特殊施工方法的策略，根據(jù)不同地段的地質情況靈活制定施工方案，為類似條件下的掘進方案提供了思路。劉卓[7]提出了結合提前預測、導洞施工和圍巖應力應變監(jiān)測的方法，針對性設計施工方案并及時監(jiān)測圍巖，降低了掘進過程中掌子面坍塌的風險，提高了TBM在不同地質條件下的適應能力。一些學者針對TBM卡機問題進行了分析，趙力等[8]以引漢濟渭秦嶺隧道TBM卡機為研究對象，通過數(shù)值模擬和實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了脫困時圍巖變形和鋼架受力，得出了卡機時圍巖變形規(guī)律，為掘進過程中支護的安裝提供了依據(jù)。此外，一些學者主要關注各種復雜地質條件下TBM的選型和改造。陳援[9]論述了TBM選型對于后續(xù)掘進的重要性，并結合大量工程實例，得出了根據(jù)地質情況選擇合適的機型，并輔以相應施工技術可大大降低TBM在不良地層通過的難度。賀飛等[10]對引紅濟石工程中使用的雙護盾TBM進行了改造，更換了更大的前盾和刀盤，增加了支撐盾油缸行程，有效防止了圍巖收斂導致的盾體抱死現(xiàn)象。部分學者對雙護盾TBM在軟弱地層作業(yè)時的風險評估進行了分析。

盡管目前已有一些研究關注TBM掘進中的卡機問題和風險評估模型[11]，但對于雙護盾TBM在穿越強風化巖層時所面臨的問題，目前的研究還相對較少，相關工程案例也較為有限。因此，本文以青島地鐵6號線中德工業(yè)園站至生態(tài)園站區(qū)間（以下簡稱“中—生區(qū)間”）隧道工程中的強風化巖石地層段為背景，提出了針對該強風化地層的加固技術。隨后，利用PFC2D模擬了圍巖與TBM撐靴的支撐效果，并得出了圍巖合理加固的范圍以及所需的加固效果。最后，通過結合現(xiàn)場施工和室內(nèi)試驗結果對強風化巖石的加固效果進行了驗證。本文的研究為雙護盾TBM在強風化巖層中的加固技術和工藝提供了有效的參考。

1 工程背景

1.1 工程線路概況

青島地鐵6號線一期工程中—生區(qū)間右線隧道長1 298.593 m，左線隧道長1 309.764 m，線間距14～17 m，線路最大縱坡為25.856‰，區(qū)間隧道埋深15.1～30 m。區(qū)間隧道主要穿越Ⅱ～Ⅴ等級圍巖。隧道采用雙護盾TBM施工，開挖直徑6 300 mm，管片外徑6 000 mm，管片內(nèi)徑5 400 mm，管片壁后采用豆礫石回填與灌漿結合的方式進行填充。區(qū)間地質剖面如圖1所示。

圖1 區(qū)間線路概況

1.2 地質概況

本區(qū)間隧道主要穿過微風化斜長片麻巖，巖石單軸飽和抗壓強度可達152.90 MPa?？拷械鹿I(yè)園站處圍巖等級Ⅳ（73）里程段，洞頂和洞身穿越強風化帶。該段主要為強風化斜長片麻巖，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，呈碎塊狀，夾雜砂土狀，手掰易碎，均勻性差，采取率75%，巖體基本質量等級為Ⅴ級，所取33份樣本標貫實測擊數(shù)平均為85.8擊。

2 雙護盾TBM施工模式

雙護盾TBM具有伸縮式護盾，可以適應不同地質狀況下的掘進，對不良地質有較強的適應性。針對不同工況可靈活選擇單護盾掘進和雙護盾掘進2種作業(yè)模式，具有安全、高效的特點。

2.1 單護盾模式

當隧道穿越圍巖穩(wěn)定性較差的軟弱巖層時，圍巖無法提供足夠的支承反力。在這種情況下雙護盾TBM需要使用單護盾模式掘進，即伸縮護盾收縮、撐靴支撐系統(tǒng)關閉，與單護盾TBM掘進模式一樣，刀盤的推力由推進油缸支撐在管片上提供。這意味著TBM無法同時進行掘進和安裝管片的工作。

2.2 雙護盾模式

雙護盾掘進模式適用于圍巖穩(wěn)定性較好的硬巖地層。在雙護盾掘進模式下，TBM的推進油缸反力由撐靴緊撐洞壁來提供，不需要通過輔助推進油缸傳遞力量給管片提供推力。同時，反力矩油缸（位于雙護盾TBM的2個支撐盾上）提供刀盤掘進所需的反扭矩。因此，雙護盾TBM能夠同時進行掘進和安裝管片的作業(yè)，施工速度更快。

3 強風化巖層注漿加固技術

3.1 加固位置

對所穿越強風化巖層地段進行鉆孔注漿超前加固，注漿區(qū)間左右線均采用地面探孔、注漿預加固措施。加固范圍為隧道初支輪廓外3 m，拱頂以上5.5 m，拱頂以下3 m，加固長度為70 m，注漿布孔間距為2.5 m×2.5 m，擴散半徑為1.5 m，梅花形布設。地面注漿位置如圖2所示。

圖2 中—生區(qū)間注漿加固范圍斷面圖

3.2 注漿材料級配比

注漿材料采用水泥漿、水泥-水玻璃雙漿液。該種漿液具有材料來源廣泛，結石率高，同時還具備一定的止水效果的特點。漿液水泥∶水玻璃=1∶（0.6～1.0）、水泥漿水灰比0.8∶（1～1.1），水玻璃模數(shù)2.6～2.8、濃度30%～40%。設計注漿壓力（終壓值）按2 MPa進行控制。注漿范圍最外側兩排注漿孔漿液采用雙漿液，其余注漿孔采用水泥漿，先行施工最外側注漿，再進行內(nèi)測注漿，以減少跑漿。

3.3 鉆孔注漿及流程

當裂隙不發(fā)育、水量小時可采取全孔一次性注漿；當巖石裂隙發(fā)育、巖體很破碎且鉆孔涌水量較大或者出現(xiàn)涌泥、易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時，采用分段前進式注漿方式，分段長度由注漿時涌水量而定，涌水量為10～30 m3/h時分段長度為5 m，30～40 m3/h時為3 m。當巖石裂隙不夠發(fā)育，涌水量較小（小于10 m3/h）時，可采用分段后退式注漿方式，鉆孔一次鉆進直至設計深度，分段長度下入至漿塞，自內(nèi)向外逐段進行注漿，分段長度1 m。注漿孔采用ZLJ注漿用坑道鉆機，巖層較硬時采用引孔鉆機輔助鉆孔。鉆孔具體實施步驟如圖3所示。

3.4 鉆孔取樣單軸抗壓強度測試

為更進一步探究注漿加固對原巖層加固效果并為數(shù)值模擬提供參數(shù)，分別對加固前地層所取巖樣與加固后所取巖樣抗壓強度進行測試。對工程現(xiàn)場的原裝強風化斜長片麻巖（試樣1～3）和注漿加固后的強風化斜長片麻巖進行鉆孔，并進行了單軸抗壓強度測試，單軸抗壓強度測試如圖4所示，取樣情況及測試結果見表1。單軸抗壓強度的測試結果如圖5所示，能夠發(fā)現(xiàn)，原狀強風化斜長片麻巖的抗壓強度較低，3個試樣平均單軸抗壓強度為1.9 MPa。注漿加固后的強風化斜長片麻巖單軸抗壓強度為14.7 MPa。殘余強度為5.62 MPa。

4 撐靴與圍巖作用數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬目的為探究圍巖與撐靴相互接觸作用，為更直觀反映所研究問題并降低運算時間，故使用PFC2D對撐靴與周圍巖體相互作用過程進行模擬。

4.1 參數(shù)標定

依據(jù)宏觀實驗所得參數(shù)對數(shù)值模型中的細觀參數(shù)進行標定，建立尺寸為φ50 mm×100 mm的標準數(shù)值模擬試樣，如圖6所示。采用線性平行黏結模型（Linear Parallel Bond Model），平行黏結模型可以有效地模擬力與力矩的傳遞，并且使顆?？梢猿惺芾瓚εc壓應力。對上下兩側加載板施加0.3 mm/s速度的同時對加載板與巖石之間應力進行記錄，加載過程持續(xù)至應力達到峰值后降低至峰值0.7倍時停止。試樣單軸壓縮試驗破壞情況及參數(shù)標定完成的應力應變曲線如圖7所示，其中注漿加固前的模擬單軸抗壓強度結果為2.05 MPa，與實驗室測試結果平均抗壓強度1.9 MPa基本一致；注漿加固后的模擬單軸抗壓強度結果為15.1 MPa，與實驗室測試結果14.6 MPa一致。依照宏觀試驗，逐漸完成參數(shù)標定，標定后的細觀參數(shù)結果見表2。

4.2 模型的建立

圖8中虛線線框內(nèi)部所示為雙護盾TBM撐靴與圍巖作用的部分，也是本次數(shù)值模擬的主要計算模型。TBM在雙護盾模式推進時，撐靴將起到提供推進反作用力與保持機體姿態(tài)平衡的作用。TBM與巖體兩側結構對稱，故僅需模擬單側撐靴即可。撐靴采用wall單元進行模擬，巖石上部與左右兩側非自由端，同樣使用wall單元作為約束，僅內(nèi)側為開挖端自由面，不做約束。撐靴與圍巖接觸模型選用ball-facet。為盡量完整體現(xiàn)圍巖內(nèi)部裂隙的延伸過程，故將圍巖尺寸設置為20 m×12 m，撐靴寬度為1.7 m。圍巖顆粒流模型如圖9所示。

4.3 撐靴加載計算

本工程中所使用雙護盾TBM撐靴由4個油缸提供支撐力，如圖10所示，各個油缸提供支撐力大小相同，每個油缸內(nèi)部壓強P1為200 bar，直徑？準為360 mm。如式（1）、（2）所示

式中：？準為油缸直徑，P1為油缸壓強，P為撐靴與圍巖接觸應力，S為單邊撐靴面積。

計算所得撐靴與圍巖的接觸應力為1.7 MPa，考慮到撐靴與圍巖之間應力分布不均，受到掘進方向與機體姿態(tài)等因素的影響，為保證整個掘進過程中的安全性，使接觸應力P應達到2.5 MPa。

4.4 模擬結果分析

根據(jù)模擬結果顯示，圖11展示了接觸應力場的分布情況。深色網(wǎng)狀區(qū)域表示顆粒間的接觸力較大，形成較粗的力鏈網(wǎng)絡。力鏈網(wǎng)絡圖能夠很好地反映撐靴對圍巖施加的力在巖體內(nèi)的傳遞路徑和傳遞深度。荷載從撐靴中心開始，呈扇形分布，并傳遞至巖體內(nèi)部。當撐靴接觸到巖石時，圍巖中的顆粒位移場如圖12所示，可以看出在施加荷載的過程中，圍巖向內(nèi)部發(fā)生位移。在隧道施工過程中，撐靴引起了圍巖的擾動，原始應力場被破壞，隨著荷載的施加，土體顆粒發(fā)生位移。加載過程中的應力-時間曲線如圖13所示，圍巖裂隙同時產(chǎn)生。裂隙的發(fā)展過程如圖14所示。根據(jù)應力-時間曲線，荷載施加過程可分為2個階段：階段1的應力曲線相對平滑，此階段只有在撐靴接觸部分產(chǎn)生少量裂隙；階段2曲線開始出現(xiàn)波動，此時裂隙進一步發(fā)展，加載時步不斷向內(nèi)部延展。在這一階段，圍巖與撐靴接觸已不再穩(wěn)定，應力發(fā)生小幅度波動。圖14（a）展示了階段1中圍巖內(nèi)部裂隙的分布情況。因此，可以推斷，當圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)展到一定階段時，會影響與撐靴的接觸穩(wěn)定性。此時，圍巖無法滿足TBM的穩(wěn)定掘進需求，無法保持機體的穩(wěn)定姿態(tài)和為刀盤提供推力。

對注漿加固后圍巖進行模擬，圖15為注漿加固后巖體在持續(xù)受到2.5 MPa壓力情況下的內(nèi)部力鏈，加載板處壓力有效傳導至巖體內(nèi)部，同時并未出現(xiàn)裂隙。巖體此時具有繼續(xù)提供支撐力的能力。

5 TBM施工參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對注漿加固后的刀盤扭矩和推進速度進行分析。圖16顯示了注漿后連續(xù)施加恒定推力下，刀盤扭矩和推進速度的變化情況。經(jīng)過注漿加固后，環(huán)平均扭矩主要集中在800 kN·m左右，最大扭矩之間僅相差30%。在10個環(huán)的作業(yè)過程中，刀盤平均推進速度為20.4 mm/min，只在253～254環(huán)之間出現(xiàn)較大波動，而其他環(huán)的推進速度相對較為穩(wěn)定。這表明圍巖在作業(yè)期間能夠穩(wěn)定地為撐靴提供支撐力，使刀盤能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)并持續(xù)工作。通過對軟弱地層提前進行注漿加固驗證了其對提升雙護盾TBM掘進的速度和安全性的有效性。

6 結論

本文結合青島地鐵6號線中德工業(yè)園站—生態(tài)園站區(qū)間TBM施工的案例，采用數(shù)值模擬結合室內(nèi)試驗的手段，驗證了預注漿加固方案可以為雙護盾TBM在強風化段掘進提供必要條件?？偨Y出主要結論如下：

1）雙護盾TBM在強風化巖層中的開挖面臨支撐不穩(wěn)定、姿態(tài)易偏差和圍巖穩(wěn)定性差等問題，是由雙護盾TBM的機械結構和施工模式所決定的。本文針對強風化巖石地層開挖提出了將注漿加固工藝作為解決方案。注漿加固旨在提高圍巖的強度和完整性，以滿足雙護盾TBM在強風化段的掘進需求。

2）通過室內(nèi)試驗和顆粒離散元軟件PFC2D的模擬，研究了強風化巖層破碎帶注漿加固前后撐靴與圍巖的相互作用情況。模擬結果顯示，注漿加固后，圍巖能夠為撐靴提供足夠的支撐力，有助于維持雙護盾TBM的穩(wěn)定姿態(tài)和持續(xù)工作。

3）通過與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的可靠性。模擬結果直觀地展示了圍巖無法提供足夠支撐力時的內(nèi)部狀態(tài)，以及失去有效支撐力的過程。特別是當圍巖內(nèi)部裂隙擴展至巖體內(nèi)部時，接觸面應力不再穩(wěn)定，這意味著圍巖無法提供足夠的反作用力來維持機體的穩(wěn)定性。

雙護盾TBM在強風化帶的安全推進中，防止裂隙向內(nèi)延伸是一個關鍵問題。提前預注漿加固可以有效防止裂隙的進一步發(fā)展，從而確保TBM獲得足夠的支撐力和穩(wěn)定性。

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