雙盾TBM掘進中超挖對盾構與地層的影響

楊 涵

(重慶交通大學，重慶 400041)

0 前 言

雙盾TBM(DS-TBM)是運用于隧道技術上最領先的挖掘機。在TBM周圍范圍內允許機械通過軟弱地層及不良地質條件。但是DS-TBM在運用于地面情況下其適用性預計會出現較大的變化。盾構的存在限制了進入隧道的墻壁地面觀察情況。這意味著觀察和分析地面情況以避免某些問題的可能性有限。同樣，TBM可能會在復雜的地質結構中卡住(包括盾構堵塞和刀盤堵塞)，特別是在巖土覆蓋或弱巖層中，預計會出現大的收斂。在隧道施工中，這可能會導致重大的延誤并給工程帶來巨大的費用。有幾個性能參數在設計階段應以高精度計算是為了防止TBM陷入停滯。根據需要，確定挖掘隧道直徑的大小，因此可以增加盾構上方的間隙，其預計會出現較大收斂。此外，近年來制造的雙盾TBM，在機器設計中逐步增加或者減小其尾部的直徑的圓形斷面距離與盾構機的前盾以另一種解決方案整合。

為了選擇合適的超挖量，在雙盾TBM設計階段分析地面情況需要更全面詳細的三維數值。這是由于地面實際收斂和施加在盾構的壓力還有推進盾構所需的動力是圍巖之間復雜相互作用的功能函數，關于掘進機其子系統與組件和最后的隧道支持盾構TBM。因此，三維模型的所有這些組件對建模都是必不可少的，假定正確的平面應變條件或軸對稱類型之間相互關聯是為了避免由此產生的錯誤。本文采用大應變假設的有限差分分析進行數值計算。此外，分析結果以簡單的三維和幾何形狀正確的形狀呈現，這些形狀對于工程應用是實用的，該模型估算挖掘過程中的隧道收斂值，并預測不同時間區段的盾構載荷，對應于地面的短期效應。另外，為了避免由于弱地面的大位移而導致的分析誤差，控制位移的方法已經運用于圍巖和盾構之間的接觸表面。為此，在FLAC3D軟件的FISH程序，該程序在數值分析的每個求解步驟中控制所有相對于非均勻超挖量的位移。在模型的幾何設置和接觸檢測代碼中也考慮了由于盾構的圓錐形狀引起的間隙增加。將本研究中使用的模擬模型的這些性質運用于數值模擬盾構TBM的其他3D模型區分開。

隨后進行了對超挖量變化影響的數值研究，以便觀察超挖對機械擠壓地面堵塞的可能性影響。結果表明，當較大的超挖時，盾構上的接觸力相當低。但是，在擠壓地面時，會導致塑性區域在盾構和襯砌上方的不穩定性增加，并且產生較高的自重載荷，可能導致備用系統保護或混凝土節段襯砌失效。另一方面，較小的超挖將導致較高的接觸力，導致較小的塑性區域; 然而，盾構可能由于高摩擦力而被滯留?？紤]到上述現象，應該進行超挖量的設計。本文討論了巖體和TBM構件的三維數值模擬結果。建模的輸出值包括縱向位移和接觸力以及盾構機上的接觸面壓力與不同超挖量之間的關系。此外，還研究了四種不同超挖值的塑性區大小以及克服盾構與巖體接觸時的摩擦力所需的推力。

1 數值模擬

本文提出的研究基于三維數值模擬和使用雙盾構TBM時的地層反應模擬，并預計會出現大的地面收斂。目前的研究建立在以前使用的3D模型上，通過改變過超挖量來評估超挖量對盾構與圍巖之間接觸力的影響。

不同的開挖階段被編程分為數值模型中的幾個步驟。這些階段是根據設計和挖掘機直徑施工的刀盤，給定雙盾TBM的前后盾的直徑，并包含時間區域。在這項研究中，共模擬了41個挖掘步驟，其中包括初始化步驟1和40個挖掘步驟(每個挖掘步驟通過推進面1 m建模)。

TBM主盾構與巖體之間的接觸是通過界面元素模擬的，并考慮到地面與盾構之間的間隙，在保護TBM中有不均勻的過度超挖。這樣就可以精確地模擬在頂蓋處最大的超挖部分，以及在TBM防護罩所在的翻轉部分處的臨界狀態，通過自身重量在翻轉器上滑動?？箯澓图羟袆偠戎?kn，ks)被分配給用于模擬相互作用現象的界面元素。盾牌的kn和ks值選擇為軟區域的等效剛度的10倍：

{K+(4/3)G}/△Z min

式中，K和G分別為地面的體積和剪切模量；△Zmin為法線方向上相鄰區域的最小寬度，等于1 cm(FLAC3D手冊2006)。根據上述關系計算kn和ks為2.7×1013Pa/m。

通過控制在面部前進的每個挖掘步驟之后產生的不平衡力來考慮機器的提前率。為此目的，為了正確反映盾構TBM的連續開挖情況，并考慮到機器進行逐步分析的前進速率，對每一步分析采用87%的不平衡力松弛。

2 數值模擬結果

通過給出隧道頂部和側壁處的線位移、力和壓力，以下說明建模結果。超挖量是定義為地面和前部護罩之間的間隙。由于護罩直徑的逐步減小，地層和后部護罩之間的過度超挖更高。盾的厚度被認為是3 cm。 過度超挖時，巖體和刀盤之間的間隙略小于前部保護端是20 cm。對于其他的超挖設置，這個大小是不同的，并且相對于前護罩中的超挖進行調整。考慮到隧道橫截面上地面和盾構之間的過度超挖是不均勻的，在隧道斷面邊界處存在不同的超挖值。這意味著過度超挖在表面處具有最大值，并且在倒置處逐漸減小到等于零的最小值。

2.1 盾構與地層的相互作用

DS-TBM設計中的一個重要參數是盾構直徑的逐步減小，從而基于由刀盤定義的初始挖掘直徑定義沿著盾構的徑向間隙的變化△R。階梯式結構的積極作用是減小作用在防護罩上的接觸力(控制所需的推力)。模擬結果為該分布與沿隧道拱頂和側壁的隧道圓周上的縱向位移分布(LDP)成正比。如預期的那樣，當提供更大的超挖時，接觸力相當低(對于前部和后部護罩)。在里面一個非常大的超切△R=20 cm的情況下，地面和盾構之間的間隙關閉并且盾構受到較低的接觸力。表1總結了盾構直徑的超挖和逐步減小對減少作用于盾構的總地面壓力的影響。結果表明，對于后盾而言，較大的間隙更重要，因為地面的收斂隨著面后的距離而增加。例如，作用在前部護罩上的總地面壓力從△R=1 cm時的23.3 MPa減少到△R=20 cm時的4.2 MPa，相當于減少了約81.9%.對于地面壓力從19.6 MPa降至2.7 MPa的后盾，這個百分比約為86.3%。

表1 作用于機械部件的接觸壓力

2.2 不同深度超挖塑性區比較

為了評估超挖深度對塑性區尺寸的影響，對隧道周圍的塑性區進行了不同尺寸的過切的比較。不同過切的塑性區的大小隨著徑向間隙△R(△R=1、5、10、20 cm)的大小線性增加。較大的過切需要更多時間來關閉間隙，但是導致縱向上的較大塑性區域。因此，如果△R=20 cm的超挖縫隙保持較長的時間并且需要盾構長度L以用于巖石與盾構之間的初始接觸，則塑性區域的范圍將由于額外的擴張空間而增加并且涉及的巖石相關量增加地面變形。

盡管較大的超挖在盾構上產生較低的載荷并且隨后在機器推進期間較低的摩擦力，但是，較大的超挖會導致隧道周圍的較大變形，并因此形成延伸的拉應力區域。因此，由于大的變形，地面松動并軟化。這會在隧道頂部盾構上方產生較高的荷載，并可能導致回填問題。隧道地面松動和軟化有關的問題尤為重要，因為強度損失和主要的松動都要求支撐系統產出較高的壓力。應該指出的是，正確布置回填和灌漿對于節段內襯周圍壓力的重新均勻分布至關重要。這個問題直接關系到襯砌系統的設計，并優化了部分回填與灌漿量。施加較大的超挖間隙以減輕盾構載荷并減小推進TBM所需的推力可以被認為是一個合理的解決方案。但是，在可能導致需要更多量的情況下，過度掘進量應該減少。

2.3 推力計算

克服護罩表面摩擦所需的推力可以通過基于護罩表面上的接觸壓力并將結果乘以表面摩擦系數來計算。截面接觸壓力分布，在地面和前面盾構之間以及后面盾構，顯示了克服摩擦力所需的推力兩個運營階段的盾牌與超挖，包括正在進行的挖掘和停工后重新啟動。表面摩擦系數被假定為對于正在進行的挖掘，μ=0.15-0.30，μ=0.25-0.45在靜止后重啟，其中較低的摩擦系數缺乏價值的目的是為了說明正面影響盾構外殼的潤滑，如膨潤土或其他潤滑油。

3 結 論

通過DS-TBM對機械化開挖進行全面的三維建模研究，以便評估各種地面盾構的相互作用沿著盾牌指向各種超挖間隙尺寸。在模擬中使用數值分析來評估盾構上的地面載荷的大小以及可能TBM干擾。研究了盾構的變形形狀在降低作用于其上的地壓力時對不同超挖值的影響。結果表明，較大的超挖間隙減少了盾的載荷，因此，在盾前進時會導致較低的摩擦阻力。確定克服摩擦力所需的推力低于增加的超挖深度。對于正在進行的挖掘和長時間延遲或停頓后重新啟動的兩個操作案例而言，情況屬實。

結果還表明，較高的超挖可導致較大的塑性區域，并增加了在盾構上方發生不穩定的可能性，并通過施加較高的自重加載在盾構上。這可能會導致節段環失效。另一方面，較小的過度超挖導致較高的接觸力，導致較小的塑性區域。但是，由于高摩擦力導致高接觸力，盾構可能會被滯留。

結果表明一個更大量超挖本身不是一個應對擠壓條件和避免盾構滯留的解決方案。在特殊情況下，可以考慮增加超挖值以防止擠壓場地中的機械干擾，但應仔細優化。本文描述了可用于評估過度超挖對盾構荷載和塑料延伸的影響的參數研究的類型區。一個程序可用于優化特定地面條件和保護幾何形狀中的超挖大小。

為了優化超挖量，應該以高精度確定沿隧道的地面特性。這對選擇用于模擬保護機器的輸入參數非常重要。應進行盾構TBM隧道掘進的全面三維數值模擬，以評估盾構加載過程中不同的超挖量以及隧道周圍的塑性區域。在隧道周圍可以根據過度超挖的靈敏度分析和在盾構上產生的地面載荷(包括塑性區的范圍)選擇合適的超挖值。

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