中天山隧道TBM施工對圍巖穩定性影響數值計算研究

付型韜

(烏魯木齊鐵路局南疆吐庫二線鐵路建設指揮部，新疆庫爾勒841001)

1 工程概況

中天山特長隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區，穿越中天山北支博爾托烏山中山山地，平均海拔1 100～2 950 m，最高海拔為2 951.6 m。隧道進口采用兩臺開敞式TBM施工，出口采用鉆爆法施工。TBM施工段采用圓形斷面，直徑為8.8 m，底部設置仰拱預制塊，上部采用復合式襯砌。

TBM工法隧道圍巖的穩定性與鉆爆法存在較大的差異。考慮到目前國內外對鉆爆法隧道圍巖的穩定性研究較多，而對TBM工法隧道圍巖的穩定性研究相對較少，而圍巖的穩定性是隧道設計和施工過程中最為重要的基礎性問題之一，因此有必要對TBM工法隧道圍巖的穩定性進行詳細而深入地研究。

為了了解TBM施工對隧道圍巖穩定性的影響，采用ANSYS軟件模擬了中天山隧道敞開式TBM的施工過程，據此對中天山隧道洞身及掌子面圍巖的位移、應力、塑性區等進行了分析。

2 TBM施工對圍巖穩定性影響計算工況

計算過程中，選取了4個與現場試驗相對應的斷面進行分析，各工況對應的圍巖基本情況如表1所示。

表1 計算工況

3 TBM施工對圍巖穩定性影響計算參數

圍巖各參數取值以《中天山隧道設計說明》、《中天山隧道地質勘察報告》為主，同時還參考了《鐵路隧道設計規范》(TB 10003-2005)、《巖土工程勘察規范》(GB 50021-2001)、《鐵路工程巖土分類標準》(TB 10077-2001)等規范，具體如表2所示。計算過程中假定圍巖遵循Mohr-Coulomb屈服準則。

表2 各種圍巖參數

中天山隧道采用了德國沃爾特公司生產的TB880E型全斷面硬巖TBM，主要技術參數為：主機長度(包括刀盤)：22 m；刀盤直徑：8 700 mm；刀盤厚度：2 100 mm；刀盤重量：約140 t；額定推力：17 250 kN；最大扭矩：10 500 kN·m。

TBM掘進相關參數按照實際施工取值，如表3 所示。

4 TBM施工對圍巖穩定性影響計算模型

TBM刀盤直徑為8.7 m，依據圣維南原理計算模型橫向邊界到隧道邊界的距離約3～5倍洞徑，從隧道中心向上取40 m左右；垂直方向上，模型下邊界到隧道底部邊界的距離大于3倍洞徑，從隧道中心向上、下各取40 m左右；TBM前進方向上，刀盤后方取10 m，刀盤前方取70 m。最終的計算模型沿隧道縱軸線方向、垂直隧道的水平方向及豎直方向的三個方向均為80 m(圖1、圖2)。

表3 TBM掘進參數

圖1 隧道計算模型

圖2 隧道有限元計算模型

5 模擬計算荷載及約束條件

圍巖的自重應力場通過施加自重加速度在初始階段計算得到。正常施工掘進時，刀盤做勻速轉動，TBM施加給圍巖的作用力通過如下方法施加：

(1)刀盤對掌子面的推進壓力，方向與TBM前進方向同向，假設掘進機以額定推力掘進，根據TB880E型TBM的技術參數，推進壓力值取17 250 kN；

(2)刀盤轉動時，所有滾刀對掌子面圍巖的剪切力，該力方向與刀盤轉動時的切線方向一致。剪切力是刀盤轉動的扭矩產生，由表可知此時掘進機扭矩為最大扭矩的65%，而根據相關資料的研究，克服各種阻力后作用于掌子面圍巖上的扭矩大約為此時掘進扭矩的20%～30%，本次計算取25%，據此計算出此時每把滾刀對圍巖的剪切力約為250 kN；

(3)刀盤上邊緣滾刀對圍巖的破碎力，該力方向與刀盤轉動時的切線方向一致，大小亦取250 kN。

模型在豎直方向產生的附加荷載通過均布壓力形式施加到模型頂面上。模型的約束條件：除頂面外，模型外側的其它五個方向均取法向位移約束。

6 模擬計算結果

計算過程中，四種工況均未發現出現塑性區，故以破壞接近度進行分析。根據Mohr-Coulomb屈服準則的破壞接近度定義如下：

(1)

式中，參數d1、D1、d2、D2的意義如圖3所示；d2/D2由材料的抗拉強度決定。R越接近0，說明越接近破壞(圖3)。

圖3 破壞接近度R的定義

以破壞接近度R≤0.3作為判定擾動區的標準，在相關斷面，沿左側洞腰向內側取一水平測線，測線上取10個測點，測點深度與超聲波在此處的測點深度對應。以工況1掌子面及掌子面后方未支護段的破壞接近度隨測點深度變化規律為例(圖4、圖5)。

圖4 掌子面所在斷面不同深度處的破壞接近度(工況1)

圖5 未支護段不同部位不同深度處的破壞接近度(工況1)

從各工況掌子面及掌子面后方未支護段的破壞接近度隨測點深度變化規律可以得出各工況圍巖擾動區范圍如表4所示。

表4 圍巖擾動范圍計算結果

7 結論

通過研究得到，TBM工法的數值計算結果與實測結果比較接近，與理論分析結果差距較大，數值計算結果和實測結果是代表中天山隧道TBM工法圍巖擾動區的可信結果。TBM工法與鉆爆法相比，圍巖擾動區小很多，而且圍巖級別越低，條件越差，TBM工法與鉆爆法的圍巖擾動區相比就越小。

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