雙護(hù)盾TBM與斷層破碎帶地層相互作用分析

蔣輝 張志強(qiáng)

【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(hù)盾TBM掘進(jìn)模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標(biāo)分析地層與護(hù)盾的相互作用機(jī)制，得到掘進(jìn)過程中護(hù)盾與圍巖接觸規(guī)律，進(jìn)而分析卡機(jī)的產(chǎn)生與判據(jù)，結(jié)果顯示依托工程掘進(jìn)過程中卡機(jī)的發(fā)生是必然的。

【關(guān)鍵詞】雙護(hù)盾TBM; 斷層破碎帶; LDP曲線; 卡機(jī)分析

【中國分類號】U455.49【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

對于TBM隧道，尤其是雙護(hù)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(jī)[1-4]。卡機(jī)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(jì)湟工程為依托，進(jìn)行了TBM掘進(jìn)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(hù)盾TBM施工中三種常見的卡機(jī)類型：卡刀盤、卡護(hù)盾和掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)偏差造成的卡機(jī)，并給出了5種卡機(jī)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(jìn)及停機(jī)兩種不同工況下的卡機(jī)機(jī)理分別進(jìn)行分析，對預(yù)留變形和超前支護(hù)兩種卡機(jī)控制措施進(jìn)行了定量化研究。通過文獻(xiàn)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(jī)進(jìn)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(hù)盾TBM掘進(jìn)模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標(biāo)分析地層與護(hù)盾的相互作用機(jī)制，得到掘進(jìn)過程中護(hù)盾與圍巖接觸規(guī)律，進(jìn)而分析卡機(jī)的產(chǎn)生與判據(jù)。

1 雙護(hù)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?yàn)镹26.84°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(jìn)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(hù)盾模式掘進(jìn)，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(hù)盾外側(cè)為Master面，圍巖為Slave面，由于護(hù)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(yùn)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(jìn)參數(shù)采取：推力3 000 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(shí)際重量施加。后配套的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對掘進(jìn)過程中的力學(xué)響應(yīng)影響不大，所以將其質(zhì)量進(jìn)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(hù)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(hù)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(biāo)分析地層（圍巖）與護(hù)盾的相互作用機(jī)制，并對雙護(hù)盾TBM在斷層破碎帶中掘進(jìn)時做出卡機(jī)判斷。

2.1 TBM掘進(jìn)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(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測，通常LDP曲線可通過理論分析、現(xiàn)場實(shí)測、數(shù)值模擬等手段得到，本文提取分析步取掘進(jìn)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(hù)盾和前護(hù)盾所在的位置。受護(hù)盾錐度的影響，前護(hù)盾和后護(hù)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(hù)盾和后護(hù)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(hù)盾接觸區(qū)域較少;拱肩和仰拱處與護(hù)盾的接觸范圍小于拱頂;拱腰和墻腳處只與前護(hù)盾尾部有少量接觸;同樣，在后護(hù)盾的區(qū)域內(nèi)，曲線也有一定的斜率變化，表明測點(diǎn)與后護(hù)盾也有一定的接觸。

2.2 TBM卡機(jī)的產(chǎn)生及判據(jù)

2.2.1 護(hù)盾與圍巖接觸狀態(tài)分析

TBM護(hù)盾是否與圍巖接觸，這是卡機(jī)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(jìn)過程中產(chǎn)生的護(hù)盾與圍巖接觸、接觸面無滑動且正在接觸中、當(dāng)前護(hù)盾與圍巖無接觸。

分析TBM由29 m掘進(jìn)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(hù)盾的尾部全截面均與圍巖接觸，后護(hù)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(hù)盾接觸區(qū)域范圍明顯增大，前護(hù)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(hù)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(hù)盾其他區(qū)域均處于與圍巖接觸的狀態(tài);階段8：護(hù)盾所有區(qū)域與圍巖接觸。

2.2.2 基于TBM護(hù)盾與圍巖相互作用的卡機(jī)情況判斷

為了判斷TBM是否可以提供足夠的推進(jìn)力，還需要計算護(hù)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(hù)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(hù)盾長度，n為發(fā)生接觸的節(jié)點(diǎn)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(hù)盾掘進(jìn)模式時，油缸推力必須要滿足：

式中：ffront為前護(hù)盾受到的摩擦力，frear為后護(hù)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(jìn)時所需要的推力，F(xiàn)2為油缸推力，包括主、輔助推進(jìn)系統(tǒng)推力。

尼泊爾（BBDMP）引水隧洞采用的雙護(hù)盾TBM的主推進(jìn)系統(tǒng)的最大推力為20 826 kN，輔助推進(jìn)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(hù)盾所受阻力27.081 MN大于主推進(jìn)油缸所能提供的最大推力20.826 MN，后護(hù)盾所受阻力30.538 MN大于輔助推進(jìn)油缸所能提供的最大推力27.654 MN，前后護(hù)盾均會產(chǎn)生被卡現(xiàn)象，從而判斷卡機(jī)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(hù)盾TBM掘進(jìn)模型，基于圍巖LDP曲線、接觸面狀態(tài)、接觸應(yīng)力三個指標(biāo)分析地層（圍巖）與護(hù)盾的相互作用機(jī)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(hù)盾和后護(hù)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(diǎn)與后護(hù)盾也有一定的接觸;拱肩和仰拱處與護(hù)盾的接觸范圍小于拱頂;拱腰和墻腳處只與前護(hù)盾尾部有少量接觸;同樣，在后護(hù)盾的區(qū)域內(nèi)，曲線也有一定的斜率變化，表明測點(diǎn)與后護(hù)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(jìn)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(kuò)大，最終護(hù)盾與圍巖幾乎全部產(chǎn)生接觸。

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

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