雙護盾TBM隧道開挖管片跟進安全距離分析

洪閏林 張志強

【摘要】在雙護盾工作模式下，雙護盾TBM可靠支撐靴緊撐洞壁為主推進油缸提供反力，因此管片的安裝可與掌子面的掘進同時進行，大大提高施工效率。文章以尼泊爾巴瑞巴貝引水隧道工程為背景，基于雙護盾TBM的雙護盾開挖模式，在考慮了護盾與圍巖之間的不均勻間隙、TBM推進參數(shù)（扭矩和推力）、豆礫石層和管片、撐靴盾提供的支撐力、護盾的階梯式結(jié)構(gòu)等因素的基礎(chǔ)上，建立雙護盾TBM全動態(tài)掘進數(shù)值模型，研究了不同管片跟進距離下的施工力學(xué)響應(yīng)。研究結(jié)果表明：①隨著管片跟進距離的增大，圍巖的最大位移值逐漸增大，位置均為未支護段最靠近管片處;②隨管片跟進距離的增加，管片內(nèi)力分布不變、內(nèi)力值逐漸增大;③管片安全系數(shù)在拱頂和墻腳處較大，在拱腰、仰拱和拱頂處較小，管片極限跟進距離為10 m。

【關(guān)鍵詞】雙護盾TBM; 掘進模式; 力學(xué)響應(yīng); 安全距離

【中國分類號】U455.43【文獻標(biāo)志碼】A

當(dāng)雙護盾TBM采用雙護盾掘進模式進行施工開挖時，隧道支護結(jié)構(gòu)可以與開挖掌子面拉開一定距離，以此提高TBM的開挖效率。但由于未支護段的存在，支護結(jié)構(gòu)與圍巖的力學(xué)響應(yīng)顯得尤為復(fù)雜。王明友等通過多雄拉隧道的數(shù)值仿真計算，得到了TBM雙護盾掘進模式下不同豆礫石回填密度對支護效果的影響，并對回填灌漿的密實度進行了分級。程建龍采用Flac3D建立了完整的TBM模型，分析了雙護盾TBM掘進時圍巖變形及護盾所受的接觸力和摩擦阻力。國內(nèi)外眾多學(xué)者還對雙護盾TBM卡機脫困技術(shù)、地層適應(yīng)性和刀盤磨損等進行了深入研究，但對雙護盾掘進模式下，支護管片與掌子面間未支護段長度的研究仍然不足。

本文以尼泊爾巴瑞巴貝TBM引水隧道項目為研究對象，對管片跟進距離對施工力學(xué)響應(yīng)的影響進行研究，以此分析合適的跟進距離，并對施工效率、安全性進行合理的評判，以實現(xiàn)TBM的安全快速掘進。

1 工程背景

巴瑞巴貝引水隧道長約12.2 km，掘進方向為N26.84°E，坡度3 ‰，斷面型式為圓形，隧道設(shè)計開挖洞徑為5.06 m，設(shè)備采用羅賓斯雙護盾TBM。隧道最大埋深820 m，除洞口外最小埋深約78 m，隧道除始發(fā)段有一個R=700 m，長度368.87 m的曲線外，其余部分均為直線掘進。

2 建立數(shù)值模擬模型

2.1 模型概況

為了盡可能的反映雙護盾TBM的施工動態(tài)，模擬TBM與圍巖之間的相互接觸從而了解其作用機制，有必要弄清楚TBM各組成部分的空間位置關(guān)系。如圖1所示。

圖1中：Lc為刀盤長度，Lf為前護盾長度，Lr為后護盾長度，L1為管片長度，Δ為刀盤與前護盾之間半徑尺寸差值，在實際掘進時刀盤上部滾刀外緣要稍高于刀盤外邊緣，有利于減少刀盤磨損;Δr為擴挖量，t為護盾厚度;δ1為后盾盾尾下表面與管片上表面之間的間隙，δ1=ξ1+ξ2+ξ3，其中，ξ1為管片厚度方向制作偏差值，ξ2為管片環(huán)安裝不圓度偏差值，ξ3為管片間接縫寬度超差值，因管片安裝精度極高，這些間隙應(yīng)當(dāng)嚴格控制，否則會出現(xiàn)滲水錯臺等缺陷;h為管片厚度;D1管片內(nèi)徑（成洞直徑）;δ2為后盾盾尾上表面與管片下表面之間間隙。

采用Abaqus數(shù)值分析軟件建立雙護盾TBM掘進開挖模型，由于模型中涉及大量的接觸對，整體模型又為對稱模型，故取半模型以減少不必要的單元數(shù)量，加快計算速度。計算模型如圖2所示。

2.2 工況設(shè)置

尼泊爾引水隧洞（BBDMP）工程采用如圖3的施工方案，未支護段的長度為兩個掘進循環(huán)的距離，即第一環(huán)管片與后護盾尾部間距為2 m。現(xiàn)研究盾尾后第一環(huán)管片跟進距離（既未支護段長度）對計算結(jié)果的影響，結(jié)合雙護盾TBM掘進數(shù)值模擬，設(shè)置未支護段長度為1 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m的工況。

在計算模型中簡化考慮為一環(huán)整體吹填。此外，由于豆礫石與泥漿均具有時效性，所以計算中將其彈性模量考慮為軟硬兩個階段。當(dāng)處于軟階段時，其彈性模量為0.5 GPa，經(jīng)過TBM推進一環(huán)的時間，其彈性模量變?yōu)?.0 GPa。巖體、管片、豆礫石具體力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。

3 結(jié)果分析

3.1 圍巖位移分析

在整個模型中，由于TBM相關(guān)結(jié)構(gòu)（不包括豆礫石和管片單元）剛度相比于圍巖很大，在整個計算中近似等于剛體，所以TBM相關(guān)結(jié)構(gòu)之間發(fā)生的相對位移極小，大約為10-6 m量級，所以不對TBM相關(guān)結(jié)構(gòu)位移展開分析。

提取各工況下TBM最終貫穿時地層的豎向位移云圖如圖4所示。

提取不同跟進距離下的最大拱頂沉降和仰拱隆起值如表2所示。

由圖4及表2可以看出：

（1）各工況開挖支護后整體位移均呈上沉下隆趨勢，在TBM掘進過程中，圍巖的位移場都表現(xiàn)了較強的三維空間效應(yīng)，由于掌子面的“支護”作用，在掌子面處位移較小，離掌子面越遠，位移越大。

（2）跟進距離越大，開挖后盾尾未支護段距離越長，盾構(gòu)及掌子面的“支護”作用越小，故位移有明顯的增大趨勢。跟進距離從1 m到10 m變化時，貫通后拱頂沉降值從4.554 cm增長至8.123 cm，仰拱隆起值從3.989 cm增長至6.566 cm，總增幅明顯。在跟進距離為1 m、2 m、3 m時，由于距盾尾不遠，盾構(gòu)及掌子面的“支護”作用還較為明顯，位移增幅不大。跟進距離變化至5 m、7 m、10 m時，豎向位移的變化幅度較1 m、2 m、3 m時明顯增大。

3.2 管片內(nèi)力分析

由于不同工況下，最新施作的管片與掌子面之間距離不一致，現(xiàn)統(tǒng)一選取管片施作至30 m時，不同工況下該位置處最新施作管片的軸力、彎矩和安全系數(shù)如表3所示。

不同跟進距離工況下，管片各部位內(nèi)力及安全系數(shù)變化趨勢如圖5、圖6所示。

由圖5～圖6、表3可知：

（1）對于雙護盾工作模式，盾尾管片不同跟進距離工況下，管片內(nèi)力沿截面分布規(guī)律一致。TBM開挖掘進后，緊跟盾尾的一環(huán)管片斷面軸力均呈受壓狀態(tài)，拱肩和拱腳位置處的軸力較小，拱腰處的軸力值最大;管片在拱頂、拱腰、仰拱部位呈負彎矩，仰拱處負彎矩值最大，拱肩和墻腳位置處呈正彎矩，墻腳處正彎矩值最大。

（2）管片安全系數(shù)在拱頂和墻腳處較大，在拱腰、仰拱和拱頂處較小。隨著管片跟進距離不斷增大（1 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m），管片各部位安全系數(shù)明顯減小，其中，10 m跟進距離工況下，仰拱和拱腰位置分別減小至2.73、2.65，接近規(guī)范要求，存在安全隱患。

4 結(jié)論

（1）隨著管片跟進距離的增大，管片內(nèi)力分布不變、數(shù)值不斷增大，管片的安全系數(shù)不斷減小。當(dāng)跟進距離增大至10 m，管片安全系數(shù)最小值減小至2.65，已不滿足規(guī)范要求，故管片跟進極限距離為10 m。

（2）在跟進距離較小時，由于TBM盾殼支撐作用，盾尾圍巖穩(wěn)定性較好，更利于管片受力，故在跟進距離為1 m、2 m、3 m時，盾殼支撐作用下，內(nèi)力及圍巖位移變化幅度均不大;但跟進距離增大至5 m、7 m、10 m時，未支護段距離越來越長，盾殼支撐效應(yīng)逐漸減小，圍巖變形量更大，此時施作管片并且填充豆礫石，若按照設(shè)計厚度填充太滿對圍巖變形約束太大不利于管片受力，在實際工程中應(yīng)考慮填充豆礫石的厚度或填充時機。

參考文獻

[1] 陳叔，王春明.川藏鐵路TBM施工適應(yīng)性探討及選型[J].建設(shè)機械技術(shù)與管理，2020，33（4）：38-47.

[2] 余國軍.雙護盾TBM在杭州第二水源輸水工程的應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2020，20（7）：176-180.

[3] 吳圣智，王明年，李磊，等.雙護盾TBM施工隧道豆礫石回填層對地表沉降影響機理[J].中國鐵道科學(xué)，2020，41（4）：82-90.

[4] 王明友，潘長城，金峰.雙護盾TBM自密實回填快速支護施工技術(shù)及應(yīng)用[J].水利建設(shè)與管理，2020，40（6）：30-33.

[5] 羅長征.城市地鐵雙護盾TBM穿越不良地質(zhì)技術(shù)[J].價值工程，2020，39（11）：209-210.

[6] 王明友，侯少康，劉耀儒，等.TBM豆礫石回填灌漿密實度對支護效果的影響研究[J].隧道建設(shè)：中英文，2020，40（3）：326-336.

[7] 王明友，侯少康，劉耀儒，等.TBM豆礫石回填灌漿密實度對支護效果的影響研究[J/OL].隧道建設(shè)：中英文：1-11[2020-08-20].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20200409.1803.032.html.

[8] 劉松明，李躍.模袋灌漿技術(shù)在雙護盾TBM施工中的應(yīng)用[J].云南水力發(fā)電，2020，36（1）：174-177+182.

[9] 王萬仁.DSUC型雙護盾TBM小凈距段掘進技術(shù)研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2020（1）：88-92.

[10] 龐杰.TBM在施工過程中存在的問題及改進建議[J].建筑機械，2020（1）：97-99.

[11] 陳雷.雙護盾TBM穿越斷層破碎帶地鐵隧道施工技術(shù)[J].建材與裝飾，2020（3）：270-271.