王飛陽,周凱歌,方 勇,徐公允,汪輝武,卓 彬
(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點實驗室,四川 成都 610031;2. 中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司,四川 成都 610031)
我國鐵路隧道正朝著長距離、大埋深方向發(fā)展,伴隨著施工機械化水平的提高,TBM逐漸應(yīng)用于隧道建設(shè)中[1]。深埋隧道地應(yīng)力水平高,應(yīng)力場復(fù)雜多變。眾多學(xué)者對TBM深埋隧道掘進過程中可能遇到的工程問題進行了研究。如: 錢七虎等[2]分析了TBM在深埋隧道掘進中可能出現(xiàn)的工程難點及發(fā)展前景; 荊留杰等[3]闡述了TBM施工中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害及其處理措施。TBM在深埋隧道中掘進時可能會出現(xiàn)巖爆、卡機等災(zāi)害,而要減少此類工程問題產(chǎn)生的危害,需要對掘進過程中圍巖的穩(wěn)定性進行研究。冷先倫等[4]采用FLAC 3D建立數(shù)值模型,針對不同TBM掘進速率下的隧道圍巖擾動區(qū)進行了研究; 趙紅亮等[5]通過數(shù)值分析的方法,對深埋洞室開挖過程中巖體的應(yīng)力變化特征進行了研究; 吳文平等[6]依托實際工程,分析了圍巖的破壞特征及防治措施; 劉凱等[7]采用FLAC 3D對大伙房引水隧洞進行了掘進模擬,分析了TBM隧道開挖過程中圍巖的變形; 唐彬等[8]采用Abaqus模擬了TBM巷道施工過程,基于圍巖應(yīng)力分布及變形特點分析了TBM巷道圍巖的穩(wěn)定性。對于深埋硬巖隧道,相比于鉆爆法,由于TBM開挖過程是準(zhǔn)靜態(tài)卸荷過程,TBM掘進對圍巖的擾動更小、更容易積聚彈性應(yīng)變能[9]。然而,現(xiàn)有研究多集中于圍巖應(yīng)力重分布的特征上,對TBM隧道掘進過程中彈性應(yīng)變能的分布特征研究較少,而彈性應(yīng)變能的分布與硬巖隧道的巖爆發(fā)生息息相關(guān)。
鑒于此,本文依托實際鐵路隧道工程,采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件,建立TBM隧道掘進模型,對TBM掘進過程中的應(yīng)力分布特征進行分析,并基于力流理論解釋應(yīng)力集中的原因,最后結(jié)合彈性應(yīng)變能理論對TBM隧道最有可能發(fā)生巖爆的位置進行預(yù)測。
某鐵路隧道擬采用雙護盾TBM施工,該隧道最大埋深約1 480 m,隧道半徑為5.2 m,巖層以花崗巖為主,隧道構(gòu)造應(yīng)力顯著,易產(chǎn)生巖爆。水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果表明,在測量深度范圍內(nèi)主應(yīng)力隨地層深度的增加而增加,最大水平主應(yīng)力隨測試深度增加的幅度大于垂直主應(yīng)力,最小水平主應(yīng)力增加速度最小。區(qū)域應(yīng)力場受構(gòu)造影響較大,水平主應(yīng)力占優(yōu)勢,為σhmax>σv>σhmin構(gòu)造型應(yīng)力場。擬合主應(yīng)力隨深度變化的公式為:
σhmax=0.027H-2.400 0;
(1)
σhmin=0.015 7H+0.618 7;
(2)
σv=0.019 3H-0.090 0。
(3)
式(1)—(3)中:σhmax為最大水平主應(yīng)力,MPa;σhmin為最小水平主應(yīng)力,MPa;σv為垂直主應(yīng)力,MPa;H為隧道埋深,m。
為了削弱模型邊界的影響,模型邊界考慮圣維南原理,隧道邊界取3~5倍洞徑為宜[10]。模型寬度取120 m、高度取120 m、長度取60 m。為了提高計算精度,將隧道及隧道附近圍巖的網(wǎng)格適當(dāng)加密。FLAC 3D數(shù)值計算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計算模型(單位: m)
郭延輝等[11]通過采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對不同邊界條件進行模擬試驗后發(fā)現(xiàn),位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件及混合邊界條件均不能滿足初始水平構(gòu)造應(yīng)力場的模擬要求,而基于初始應(yīng)變能理論的效果較好。在采用位移邊界條件的情況下,將模型所有單元應(yīng)力初始化。模擬埋深為1 000 m,根據(jù)式(1)—(3)計算得到洞身附近σhmax為24.60 MPa、σhmin為16.32 MPa、σv為19.21 MPa,為σhmax>σv>σhmin構(gòu)造型應(yīng)力場。模型底面采用固定邊界,側(cè)面采用位移邊界條件,初始地應(yīng)力通過initialize命令賦予模型。將圍巖視作均質(zhì)、各向同性的彈塑性材料,材料采用摩爾-庫侖屈服準(zhǔn)則。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料,隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)
TBM在實際開挖中,隧道開挖中心線、刀盤回轉(zhuǎn)中心線、護盾中心線不在同一直線上,圍巖與護盾之間的間隙為上大下小的偏心分布。依據(jù)雙護盾TBM自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及圍巖與護盾之間間隙的偏心分布,對TBM的主要部件進行模擬,主要部件尺寸如表2所示,雙護盾TBM模擬及細(xì)部構(gòu)造如圖2和圖3所示。模型中刀頭、護盾、管片及盾尾注漿采用彈性模型。通過改變盾尾注漿材料的彈性模量來模擬注漿材料的不同階段,注漿前1 m為軟質(zhì)階段,其余為凝固硬化階段。管片、刀頭、護盾及盾尾注漿等材料物理參數(shù)見表3。

表2 雙護盾TBM主要部件尺寸

圖2 雙護盾TBM模擬

圖3 雙護盾TBM細(xì)部構(gòu)造

表3 雙護盾TBM材料物理參數(shù)
刀頭、護盾及盾尾注漿與圍巖的相互作用通過建立接觸面來模擬。TBM掘進施工中,安裝在TBM刀盤上的盤形滾刀在推力和滾動力的共同作用下滾壓掌子面,使掌子面處巖石產(chǎn)生裂紋并破碎,以達(dá)到破巖開挖隧道的目的[12-13]。通過對掌子面單元節(jié)點同時施加法向力及切向力來模擬刀盤對掌子面的推力及滾動力,從而實現(xiàn)TBM掘進過程中刀盤對掌子面的滾壓作用。
TBM掘進施工中,機身質(zhì)量作用在隧道底部圍巖上,對底部圍巖的應(yīng)力釋放有一定的抑制作用,因此,TBM機身質(zhì)量在數(shù)值模擬中不可忽視。機身質(zhì)量的模擬是通過法向力的方式施加在隧道底部1/4圓周上[14]。
對TBM連續(xù)掘進施工過程進行模擬,每次開挖向前掘進1 m。TBM掘進施工步驟如圖4所示。掘進施工步驟為: 1)施加初始應(yīng)力初始化模型; 2)刀盤進洞; 3)前盾進洞,在圍巖與護盾之間建立接觸面,每步開挖進尺為1 m,同時在掌子面上施加法向力及切向力; 4)后盾進洞,與前盾模擬方法一致; 5)激活管片及注漿回填; 6)注漿回填材料凝固硬化。


(a) 模型初始化 (b) 刀盤進洞


(c) 前盾進洞 (d) 后盾進洞


(e) 注漿未硬化階段 (f) 注漿凝固硬化階段
在FLAC 3D數(shù)值模型中,通常將隧道模型沿掘進方向劃分成若干個小的開挖步,然后逐步對每個開挖步賦予null模型實現(xiàn)隧道的開挖。然而,TBM掘進開挖是一個連續(xù)的過程,如果每2個開挖步之間計算至平衡,即使將模型的網(wǎng)格尺寸劃分得足夠小,也無法有效地模擬TBM開挖過程的連續(xù)性,而且會消耗太多的時間步。為了更真實有效地模擬TBM連續(xù)開挖過程,采用逐步釋放不平衡力的方法,并以0.875作為應(yīng)力釋放系數(shù)[15]。具體做法為: 考慮模型計算時間步的消耗,將沿隧道開挖方向的網(wǎng)格進行適當(dāng)加密;每個開挖循環(huán)完成后,計算1步; 提取當(dāng)前開挖步周邊單元節(jié)點上的不平衡力,乘以1與應(yīng)力釋放系數(shù)0.875的差值; 將所得到的數(shù)值以反向荷載的形式施加于開挖步周邊單元節(jié)點上,計算至平衡。
在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處分別設(shè)置監(jiān)測點,監(jiān)測斷面Y方向坐標(biāo)為30 m。測點分布如圖5所示。

圖5 測點分布
初始地應(yīng)力狀態(tài)下,地層區(qū)域應(yīng)力場受地質(zhì)構(gòu)造影響較大,水平主應(yīng)力占優(yōu)勢,隧道洞身附近最大主應(yīng)力方向為橫向(x),中間主應(yīng)力方向為豎向(z),最小主應(yīng)力方向為掘進方向(y)。為了明確TBM掘進施工中的圍巖應(yīng)力分布特征,研究了各測點最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2、最小主應(yīng)力σ3、豎向應(yīng)力σz、掘進方向應(yīng)力σy以及橫向應(yīng)力σx隨掌子面推進距離的變化規(guī)律,如圖6所示。
由圖6(a)可知: 當(dāng)掌子面距離監(jiān)測斷面較遠(yuǎn)時,σ1、σ2和σ3分別與σx、σz和σy的變化趨勢一致且數(shù)值相近,說明此時TBM開挖對監(jiān)測斷面處圍巖的擾動極小,圍巖應(yīng)力狀態(tài)與初始地應(yīng)力狀態(tài)基本一致; 當(dāng)掌子面在監(jiān)測斷面前方10 m左右(約1倍洞徑)時,應(yīng)力變化明顯,σ1依然和σx數(shù)值相近且變化規(guī)律一致,但此時σ2與σy以及σ3與σz變化規(guī)律一致; 當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面且圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,σ1、σ2和σ3分別與σx、σy和σz數(shù)值接近; 由于各主應(yīng)力間方向兩兩垂直,且σx、σy和σz方向兩兩垂直,說明在TBM開挖后,σ1的方向大致為橫向,σ2的方向由豎向轉(zhuǎn)變?yōu)榫蜻M方向,σ3的方向由掘進方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向; 當(dāng)所有應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,σ1表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中,σ2、σ3則表現(xiàn)出一定的卸荷特性,其中σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.78倍、1.07倍和0.43倍。由圖6(e)可知,拱底各應(yīng)力變化規(guī)律與拱頂基本一致,拱底各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.80倍、1.06倍和0.43倍。



(a) 拱頂 (b) 拱肩 (c) 拱腰

由圖6(b)和圖6(d)可知: 當(dāng)掌子面通過監(jiān)測斷面時,只有σ2與σy的變化趨勢一致,且σx總體上呈下降趨勢,當(dāng)各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,只有σ2與σy數(shù)值接近,此時σ1與σx或σz,σ3與σx或σz應(yīng)力數(shù)值并不接近,σ2與σy雖然數(shù)值接近,但兩者方向不一定一致; 當(dāng)拱肩、拱腳各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,拱肩處σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.35倍、0.92倍和0.47倍,拱腳處σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.46倍、0.95倍和0.47倍。
由6(c)可知,當(dāng)拱腰各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,σ1、σ2、σ3分別與σz、σy、σx數(shù)值相近,說明此時σ1的方向大致為豎向,σ2的方向大致為掘進方向,σ3的方向大致為橫向,σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.10倍、0.80倍和0.42倍。
由以上分析可知,TBM開挖過程中會對掌子面前方10 m左右(約1倍洞徑)的圍巖應(yīng)力造成顯著影響,在開挖完成向前推進10 m左右時,各應(yīng)力趨于穩(wěn)定水平。TBM開挖后,各測點的σ2和σ3均表現(xiàn)出一定的卸荷特征,除拱腰外,其余測點的σ1均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中,其中拱頂和拱底最為明顯。TBM開挖過程中,隨著掌子面的推進,拱頂和拱底各應(yīng)力變化規(guī)律基本一致,拱肩和拱腳各應(yīng)力變化規(guī)律基本一致,TBM隧道圍巖應(yīng)力大致呈上下對稱分布,TBM的質(zhì)量對隧道圍巖應(yīng)力的分布影響很小。
為分析TBM隧道掘進過程中應(yīng)力集中的原因,采用機械工程中統(tǒng)一強度理論的結(jié)構(gòu)力流優(yōu)化分析方法(即力流法)。力流法用于分析受力系統(tǒng)中力的傳遞,將力的傳遞擬作水的流動,用力線表示力流路徑,力線的疏密反映應(yīng)力的大小[16]。
初始地應(yīng)力狀態(tài)下,隧道洞身附近最大主應(yīng)力方向為橫向,中間主應(yīng)力方向為豎向,可將隧道附近圍巖視為其余巖體作用下的受力系統(tǒng)。依據(jù)力流的特點(力流傳遞遵循路徑最短原則,力流轉(zhuǎn)向遵循平緩原則),繪制隧道力流路徑圖,如圖7所示。

圖7 隧道力流路徑圖
由圖7可知,隧道開挖后豎向應(yīng)力力流主要在拱腰處形成力線密集區(qū),橫向應(yīng)力力流主要在拱頂及拱底處形成力線密集區(qū)。由此可知: 在拱頂及拱底處,由于開挖卸荷,橫向應(yīng)力會產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象,致使σ1數(shù)值與σx相近; 豎向應(yīng)力在拱頂及拱底處表現(xiàn)出應(yīng)力分散的特性,使得拱頂豎向應(yīng)力顯著下降,致使σ3數(shù)值與σz相近; 由于各主應(yīng)力間方向兩兩垂直,開挖完成后,致使拱頂及拱底處σ2數(shù)值與σy相近,且σ1、σ2、σ3的大致方向分別為橫向(x)、掘進方向(y)、豎向(z)。同理,拱腰處由于橫向應(yīng)力力流的轉(zhuǎn)向,使得σx大幅下降,從而致使σ3與σx方向基本一致,數(shù)值相近;σz在拱腰處產(chǎn)生應(yīng)力集中,使得拱腰處σz增大,從而致使σ1與σz方向基本一致,數(shù)值相近,σ2與σy方向基本一致,數(shù)值相近。當(dāng)拱腰處所有應(yīng)力趨于穩(wěn)定后,σ2、σ3呈現(xiàn)出一定的卸荷特征,σ1表現(xiàn)出一定的應(yīng)力集中,但不明顯,說明橫向應(yīng)力的重分布對σ1的應(yīng)力集中程度影響顯著。
由圖6(b)和圖6(d)可知,TBM開挖后,拱肩與拱腳處橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力均不會產(chǎn)生應(yīng)力集中,且橫向應(yīng)力大幅下降,而拱肩與拱腳的最大主應(yīng)力卻依然表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象,主要原因可能是在這種力流路徑下造成拱肩與拱腳處的徑向剪應(yīng)力增大。圖8為隧道開挖后圍巖徑向剪應(yīng)力云圖。

圖8 隧道開挖后圍巖徑向剪應(yīng)力云圖(單位: Pa)
由圖8可知,剪應(yīng)力主要在拱肩和拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中,且在數(shù)值上呈上下對稱分布,拱頂、拱底和拱腰處剪應(yīng)力極小。由此說明,拱肩與拱腳處σ1應(yīng)力集中主要是由于剪應(yīng)力大幅增加造成的,而拱頂、拱底與拱腰處σ1應(yīng)力集中主要是由于正應(yīng)力大幅增加造成的,這與上述拱頂、拱底與拱腰的應(yīng)力分析結(jié)果一致。
由以上分析可知,在TBM隧道中,力流路徑對應(yīng)力分布影響顯著,拱頂和拱底、拱肩和拱腳、拱腰處σ1應(yīng)力集中分別主要來自橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向應(yīng)力,在水平應(yīng)力構(gòu)造顯著的情況下,σx的重分布對σ1的應(yīng)力集中程度影響顯著。
隧道開挖后,由于開挖卸荷,巖石會釋放部分彈性應(yīng)變能,但是開挖后應(yīng)力的重分布反而可能造成部分巖體彈性應(yīng)變能的積聚,當(dāng)彈性應(yīng)變能積聚到一定程度時極有可能發(fā)生巖爆。由此,要分析隧道開挖后圍巖的穩(wěn)定性,有必要對隧道開挖后彈性應(yīng)變能的重新分布進行研究。
彈性應(yīng)變能可用3個主應(yīng)力表示,為
σ2σ3)]。
(4)
式中:Ue為彈性應(yīng)變能,kJ/m3;E為彈性模量,MPa;σ1、σ2和σ3為圍巖的3個主應(yīng)力,MPa;ν為泊松比。
計算過程中,基于FLAC 3D內(nèi)置的fish語言,依據(jù)式(4)對各測點的彈性應(yīng)變能進行監(jiān)測,并繪制各測點主應(yīng)力與彈性應(yīng)變能變化曲線,如圖9所示。



(a) 拱頂 (b) 拱肩 (c) 拱腰

由圖9可知: 各測點彈性應(yīng)變能均在距監(jiān)測斷面10 m左右時開始躍升,且隨著掌子面的推進,增長幅度越來越大,在掌子面到達(dá)監(jiān)測斷面時,各測點彈性應(yīng)變能均達(dá)到最大; 當(dāng)掌子面推過監(jiān)測斷面時,各測點彈性應(yīng)變能在出現(xiàn)突然的大幅度跌落后繼續(xù)增長,但增長幅度越來越??; 當(dāng)掌子面推過監(jiān)測斷面10 m左右時,各測點彈性應(yīng)變能趨于穩(wěn)定。各測點的彈性應(yīng)變能均較開挖前高,其中拱底和拱頂彈性應(yīng)變能增長幅度最大,分別為開挖前的2.842倍和2.807倍; 拱腳和拱肩其次,分別為開挖前的1.859倍和1.592倍; 拱腰最小,為開挖前的1.075倍。
文獻(xiàn)[17-18]的研究認(rèn)為花崗巖等硬質(zhì)巖彈性應(yīng)變能大于40 kJ/m3時即有可能發(fā)生巖爆,彈性應(yīng)變能大于100 kJ/m3時發(fā)生巖爆的可能性較大。隧道穿越巖層以花崗巖為主,TBM開挖后,拱肩和拱腳的彈性應(yīng)變能大于40 kJ/m3,有發(fā)生巖爆的風(fēng)險; 拱頂和拱底的彈性應(yīng)變能大于100 kJ/m3,發(fā)生巖爆的可能性較大; 拱腰處的彈性應(yīng)變能水平較低,發(fā)生巖爆的風(fēng)險較小。由此可知,在穿越巖層以花崗巖為主的TBM隧道中,最有可能發(fā)生巖爆的位置為拱底和拱頂,其次為拱腳和拱肩。
由圖9分析可知,TBM隧道中各測點彈性應(yīng)變能變化趨勢與σ1變化趨勢一致,σ2及σ3對彈性應(yīng)變能的變化規(guī)律影響不明顯,且圍巖彈性應(yīng)變能大致呈上下對稱分布,與應(yīng)力的重分布規(guī)律一致,說明TBM隧道開挖中圍巖彈性應(yīng)變能躍升主要是由于σ1應(yīng)力集中引起的。由TBM隧道圍巖應(yīng)力分析可知,橫向應(yīng)力的重分布對最大主應(yīng)力的應(yīng)力集中程度影響顯著,σ1應(yīng)力集中程度從大到小依次為拱底、拱頂、拱腳、拱肩和拱腰。由以上分析可知,彈性應(yīng)變能躍升水平依次為拱底、拱頂、拱腳、拱肩和拱腰,與應(yīng)力集中程度排序一致。由此分析可知,TBM在橫向應(yīng)力顯著的水平構(gòu)造型應(yīng)力場中開挖時,橫向應(yīng)力的重分布通過影響σ1的應(yīng)力集中程度從而使圍巖彈性應(yīng)變能躍升。橫向應(yīng)力重分布是TBM隧道圍巖彈性應(yīng)變能積聚的主要原因,σ1的應(yīng)力集中程度反映了彈性應(yīng)變能的躍升水平。
依托實際鐵路隧道工程,采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件建立TBM隧道掘進模型,對隧道圍巖應(yīng)力分布特征進行分析,并基于力流理論解釋了應(yīng)力集中的原因,最后結(jié)合彈性應(yīng)變能理論對隧道巖爆位置進行預(yù)測,得到以下結(jié)論。
1)TBM開挖過程中會對掌子面前方10 m左右(約1倍洞徑)的圍巖應(yīng)力及彈性應(yīng)變能造成顯著影響,在開挖完成向前推進10 m左右時,各應(yīng)力及彈性應(yīng)變能趨于穩(wěn)定。
2)TBM隧道開挖過程中,圍巖應(yīng)力及彈性應(yīng)變能變化規(guī)律大致呈上下對稱分布,TBM的質(zhì)量對圍巖應(yīng)力重分布影響極小。
3)在橫向應(yīng)力顯著的水平構(gòu)造型應(yīng)力場中,橫向應(yīng)力的重分布對最大主應(yīng)力的應(yīng)力集中程度影響顯著,拱頂和拱底、拱肩和拱腳、拱腰處最大主應(yīng)力集中分別主要是由橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力、豎向應(yīng)力集中引起的。
4)TBM隧道開挖過程中圍巖彈性應(yīng)變能躍升主要是由于σ1應(yīng)力集中引起的,σ1的應(yīng)力集中程度反映了彈性應(yīng)變能的躍升水平。在穿越巖層以花崗巖為主的TBM硬巖隧道中,拱頂和拱底的應(yīng)力集中程度最大,彈性應(yīng)變能躍升水平最高,發(fā)生巖爆的可能性最大,其次為拱肩和拱腳,拱腰處彈性應(yīng)變能水平較低,發(fā)生巖爆的風(fēng)險較小。
5)機械工程中統(tǒng)一強度理論的結(jié)構(gòu)力流優(yōu)化分析方法可以用于解釋隧道開挖應(yīng)力重分布的產(chǎn)生機制,可為此類研究工作提供參考。
本文僅研究了隧道沿與最大主應(yīng)力方向垂直開挖時引起的圍巖擾動,然而許多隧道的最大主應(yīng)力方向可能與隧道掘進方向一致,也可能與隧道軸線方向存在一定夾角,因此,不同應(yīng)力場下圍巖的擾動尚需研究。此外,本文僅以彈性應(yīng)變能大小為指標(biāo)預(yù)測了巖爆的發(fā)生位置,而巖爆的發(fā)生與諸多因素有關(guān),國內(nèi)外學(xué)者也建立了許多關(guān)于巖爆的判據(jù),下一步的研究應(yīng)當(dāng)考慮從不同的判據(jù)預(yù)測巖爆的發(fā)生位置。