蔣輝 張志強

【摘要】文章依托尼泊爾巴瑞巴貝引水隧洞工程，通過ABAQUS有限元分析軟件，建立穿越斷層破碎帶雙護盾TBM掘進模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標分析地層與護盾的相互作用機制，得到掘進過程中護盾與圍巖接觸規(guī)律，進而分析卡機的產(chǎn)生與判據(jù)，結(jié)果顯示依托工程掘進過程中卡機的發(fā)生是必然的。

【關(guān)鍵詞】雙護盾TBM; 斷層破碎帶; LDP曲線; 卡機分析

【中國分類號】U455.49【文獻標志碼】A

對于TBM隧道，尤其是雙護盾TBM隧道，在通過軟巖地層、擠壓性地層、斷層破碎帶時，最容易發(fā)生的事故便是卡機[1-4]?？C的核心問題就是地層（圍巖）與TBM的相互作用，對其開展研究具有重要的工程應(yīng)用價值。

黃興[5]基于擠壓大變形本構(gòu)模型，提出了相應(yīng)的計算方法，以引大濟湟工程為依托，進行了TBM掘進圍巖擠壓大變形的計算;王江[6]歸納和分析了不良地質(zhì)條件下雙護盾TBM施工中三種常見的卡機類型：卡刀盤、卡護盾和掘進機姿態(tài)偏差造成的卡機，并給出了5種卡機脫困技術(shù);溫森[7]考慮了圍巖流變效應(yīng)，對TBM連續(xù)掘進及停機兩種不同工況下的卡機機理分別進行分析，對預(yù)留變形和超前支護兩種卡機控制措施進行了定量化研究。通過文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究對數(shù)值模擬結(jié)果分析僅停留在規(guī)律分析層面，鮮有研究提出具體計算方法對盾構(gòu)卡機進行判斷。

本文依托尼泊爾（BBDMP）引水隧洞工程，通過ABAQUS建立穿越斷層破碎帶雙護盾TBM掘進模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標分析地層與護盾的相互作用機制，得到掘進過程中護盾與圍巖接觸規(guī)律，進而分析卡機的產(chǎn)生與判據(jù)。

1 雙護盾TBM穿越斷層破碎帶數(shù)值模型

1.1 節(jié)理破碎情況模擬

尼泊爾（BBDMP）引水隧洞工程區(qū)主要發(fā)育節(jié)理包括三組，如圖1所示，其產(chǎn)狀：N0°～10°W，SW∠70°～80°和EW，S（N）∠80°～90°，隧道縱向為N26.84°E。建模時將隧道縱向確定為Y軸，節(jié)理的產(chǎn)狀及材料性質(zhì)通過設(shè)置Abaqus中遍布節(jié)理模型的關(guān)鍵字*Joint Direction和*Joint Material進行設(shè)置。

1.2 模型建立及參數(shù)選取

依托工程斷層破碎帶區(qū)域，圍巖條件極差，必須采用單護盾模式掘進，由于節(jié)理方向的不對稱性，必須建立完整的地層-TBM結(jié)構(gòu)模型，模型尺寸x×y×z=40 m×60 m×40 m，圖2為模型半剖面圖。

計算模型中設(shè)置護盾外側(cè)為Master面，圍巖為Slave面，由于護盾與圍巖之間存在初始間隙，為了避免收斂困難，在接觸對中設(shè)置一定的adjustment zone，使接觸檢測能正常運行。

該區(qū)域圍巖資料顯示巴瑞斷裂帶圍巖為V級圍巖，圍巖和節(jié)理的力學(xué)參數(shù)如表1所示，掘進參數(shù)采?。和屏? 000 kN，扭矩389 kN·m。

TBM各組成部位的重量如表2所示，其中刀盤和盾體直接按照實際重量施加。后配套的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對掘進過程中的力學(xué)響應(yīng)影響不大，所以將其質(zhì)量進行等效過程通過增大管片的重度來體現(xiàn)。

2 計算結(jié)果分析

如前所述，護盾與圍巖之間存在不均勻間隙，圍巖在開挖后會產(chǎn)生應(yīng)力釋放，產(chǎn)生的結(jié)果就是護盾的某些位置會與圍巖產(chǎn)生接觸。本文基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標分析地層（圍巖）與護盾的相互作用機制，并對雙護盾TBM在斷層破碎帶中掘進時做出卡機判斷。

2.1 TBM掘進過程圍巖LDP曲線分析

LDP（Longitudinal Displacement Profile）曲線反映的是隧洞縱斷面圍巖收斂變形曲線，結(jié)合該曲線可以合理地對洞周圍巖收斂變形進行相應(yīng)的預(yù)測，通常LDP曲線可通過理論分析、現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬等手段得到，本文提取分析步取掘進至30 m時的荷載步結(jié)果，LDP曲線如圖3所示。

圖中兩條虛線輔助線，從左至右分別為后護盾和前護盾所在的位置。受護盾錐度的影響，前護盾和后護盾的連接位置附近的LDP曲線發(fā)生一定的波動，拱頂處發(fā)生接觸的區(qū)域最大，前護盾和后護盾的連接位置附近的約4 m寬度范圍內(nèi)與圍巖發(fā)生了接觸，相對的與后護盾接觸區(qū)域較少;拱肩和仰拱處與護盾的接觸范圍小于拱頂;拱腰和墻腳處只與前護盾尾部有少量接觸;同樣，在后護盾的區(qū)域內(nèi)，曲線也有一定的斜率變化，表明測點與后護盾也有一定的接觸。

2.2 TBM卡機的產(chǎn)生及判據(jù)

2.2.1 護盾與圍巖接觸狀態(tài)分析

TBM護盾是否與圍巖接觸，這是卡機事故出現(xiàn)的必要條件。由于在數(shù)值計算中考慮了接觸面的動摩擦效應(yīng)，所以接觸狀態(tài)分為Closed（Slip）、Closed（Stick）、Open三種情況：分別表示接觸面正在接觸滑動，即掘進過程中產(chǎn)生的護盾與圍巖接觸、接觸面無滑動且正在接觸中、當(dāng)前護盾與圍巖無接觸。

分析TBM由29 m掘進至30 m這一循環(huán)內(nèi)接觸狀態(tài)變化，如圖4所示。

由圖4可知，階段1：前護盾的尾部全截面均與圍巖接觸，后護盾尾部僅有左側(cè)拱肩有部分區(qū)域與圍巖接觸;階段2：后護盾接觸區(qū)域范圍明顯增大，前護盾左側(cè)拱肩位置接觸范圍最大;階段3～6：接觸范圍持續(xù)增大，增速漸緩;階段7：除前護盾右側(cè)拱肩、左側(cè)墻腳部分區(qū)域沒有與圍巖產(chǎn)生接觸外，護盾其他區(qū)域均處于與圍巖接觸的狀態(tài);階段8：護盾所有區(qū)域與圍巖接觸。

2.2.2 基于TBM護盾與圍巖相互作用的卡機情況判斷

為了判斷TBM是否可以提供足夠的推進力，還需要計算護盾與圍巖的摩擦阻力。法向力的計算僅需考慮法向接觸應(yīng)力引起的力，整個護盾所受摩擦阻力可以通過式（1）計算：

式1中：f為摩擦阻力，L為護盾長度，n為發(fā)生接觸的節(jié)點的總數(shù)，μ為動摩擦系數(shù)，取數(shù)值計算中設(shè)置的0.24，F(xiàn)i為法向力，通過提取單元法向接觸應(yīng)力與面積計算得到。

在破碎帶中采用單護盾掘進模式時，油缸推力必須要滿足：

式中：ffront為前護盾受到的摩擦力，frear為后護盾受到的摩擦力，F(xiàn)t為滾刀破巖所需要的推力，F(xiàn)e為后配套設(shè)備跟進時所需要的推力，F(xiàn)2為油缸推力，包括主、輔助推進系統(tǒng)推力。

尼泊爾（BBDMP）引水隧洞采用的雙護盾TBM的主推進系統(tǒng)的最大推力為20 826 kN，輔助推進系統(tǒng)的最大推力為27 654 kN，再根據(jù)式（1）計算出由于法向接觸應(yīng)力導(dǎo)致的摩擦阻力，計算結(jié)果如圖5所示。

可以明顯看出前護盾所受阻力27.081 MN大于主推進油缸所能提供的最大推力20.826 MN，后護盾所受阻力30.538 MN大于輔助推進油缸所能提供的最大推力27.654 MN，前后護盾均會產(chǎn)生被卡現(xiàn)象，從而判斷卡機發(fā)生的必然性。

3 結(jié)論

基于依托工程，通過ABAQUS有限元分析軟件，建立穿越斷層破碎帶雙護盾TBM掘進模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標分析地層（圍巖）與護盾的相互作用機制，得到以下結(jié)論：

（1）分析LDP曲線可知，拱頂處發(fā)生接觸的區(qū)域最大，前護盾和后護盾的連接位置附近的約4 m寬度范圍內(nèi)與圍巖發(fā)生了接觸，拱頂測點與后護盾也有一定的接觸;拱肩和仰拱處與護盾的接觸范圍小于拱頂;拱腰和墻腳處只與前護盾尾部有少量接觸;同樣，在后護盾的區(qū)域內(nèi)，曲線也有一定的斜率變化，表明測點與后護盾也有一定的接觸。

（2）通過分析接觸面的接觸狀態(tài)，可以得出在掘進過程，一般是拱頂和仰拱附近先產(chǎn)生接觸區(qū)域，隨后逐漸擴大，最終護盾與圍巖幾乎全部產(chǎn)生接觸。

（3）在斷層破碎帶中掘進時，前護盾所受阻力大于主推進油缸所能提供的最大推力，后護盾所受阻力大于輔助推進油缸所能提供的最大推力，前后護盾均會產(chǎn)生被卡現(xiàn)象，從而判斷卡機發(fā)生的必然性。

參考文獻

[1] 劉泉聲，黃興，時凱，等. 煤礦超千米深部全斷面巖石巷道掘進機的提出及關(guān)鍵巖石力學(xué)問題[J]. 煤炭學(xué)報， 2012， 37（12）： 2006-2013.

[2] 程建龍，楊圣奇，杜立坤，等. 復(fù)合地層中雙護盾TBM與圍巖相互作用機制三維數(shù)值模擬研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2016， 35（3）： 511-523.

[3] 徐虎城. 斷層破碎帶敞開式TBM卡機處理與脫困技術(shù)探析[J]. 隧道建設(shè)：中英文， 2018， 38（S1）：156-160.

[4] 尚彥軍，史永躍，曾慶利，等. 昆明上公山隧道復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM卡機及護盾變形問題分析和對策[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報， 2005，（21）： 60-65.

[5] 黃興，劉泉聲，彭星新，等. 引大濟湟工程TBM擠壓大變形卡機計算分析與綜合防控[J]. 巖土力學(xué)， 2017， 38（10）：2962-2972.

[6] 王江. 引水隧洞雙護盾TBM卡機分析及脫困技術(shù)[J]. 隧道建設(shè)， 2011， 31（3）：364-368.

[7] 溫森，楊圣奇，董正方，等. 深埋隧道TBM卡機機理及控制措施研究[J]. 巖土工程學(xué)報， 2015， 37（7）：1271-1277.