基于離散元數值模擬對TBM掘進參數的預測

江永旺， 曹 攀， 張 帥， 陳 強， 章慧健

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031；2.中鐵二局集團有限公司城通分公司，四川成都 610036))

隨著城市地下工程及軌道交通的快速發展，與傳統鉆爆法相比，盾構法具有開挖速度快、施工安全、環保等優點，已經隧道工程中得到了廣泛運用[1]。但地質情況的多變性以及盾構機對地質的敏感性使得對盾構機掘進參數預測一直難以有效解決，因此針對在復雜地層中對盾構掘進參數預測、控制從而對盾構掘進姿態控制具有重要意義。

近年來，國內外學者對盾構機掘進參數的預測進行了一定的探索和研究，預測方法主要有經驗公式法、理論推導法、數值模擬法等；李明陽等[2]依托廣州地鐵3號線為背景，基于Terzaghi松動土壓力和CSM模型對不同風化程度混合巖地層中土壓平衡盾構掘進參數進行了模擬分析，揭示了掘進參數變化規律與地層變形存在一定的關系；宋克志等[3]基于施工現場盾構掘進試驗，運用模糊數學原理分析和研究了掘進參數內在規律；王健等[4]基于吉林供松引水工程建立TBM數據庫，提出應用RMR巖體分級系統對TBM的掘進性能參數進行了預測；于云龍等[5]基于現場盾構掘進試驗通過對盾構原始掘進參數的二次轉換，建立標準推力—標準扭矩特征空間，并對傳統模型進行了修正；沈翔等[6]通過對現場實測數據的總結分析，給出了相應的掘進參數優化建議，引入了灰色系統理論下的GM(1,1)預測模型，對掘進總推力進行了實例預測。

以上研究主要集中于TBM掘進參數的預測，但研究的方法主要是經驗公式和理論推導法，需要在現場有一定的掘進參數支撐后才能完成，本文采用離散元方法在現場施工前對掘進參數進行預測。

1 工程概況

依托青島地鐵8號線大洋站—青島北站區間平行導洞隧道，隧道頂最小埋深29.49 m，最大覆土埋深52.49 m(海面以下57.94 m)，經過的主要地層有微風化凝灰巖和微風化安山巖。洞身總體地質條件較好、圍巖透水性較差，其穿越F7、F6、F5共3條斷層破碎帶，破碎帶影響范圍近1 km。依托工程地質縱斷面如圖1所示。

圖1 依托工程地質縱斷面

2 數值模擬

2.1 模型的建立

本工程掘進機刀盤主要由滾刀和刮刀相結合的刀具組合構成。滾刀分為單刃滾刀和雙刃滾刀，其中單刃滾刀38把，雙刃滾刀6把。平均刀間距為43 mm，刀盤直徑6 885 mm。顆粒流模型由圓盤和圓球顆粒組成，通過剛性介質墻體(wall)進行約束，PFC 中的顆粒為剛性體，用來模擬顆粒之間的接觸力，顆粒之間的力學關系遵循牛頓第二定律。由于通過 PFC 內置語言建立形狀不規則的Wall 模型比較麻煩，本文采用CAD三維建立閉合面，然后導出stl文件，在PFC3D里面通過Geometry Import命令。將stl格式的文件導入到PFC中，本文采用剛性墻體wall模擬滾刀刀圈和刀盤面板，32248個Ball球體模擬巖層，刀盤轉速設定為3 r/min，貫入度10 mm，刀盤實物圖和PFC模型圖如圖2所示。

圖2 工程刀盤實物圖和離散元模擬計算模型

2.2 參數的確定

采用離散元法進行力學計算，首先要進行參數的標定，根據巖石的宏觀力學參數采用離散元 PFC3D 進行參數標定，得到與之相對應的細觀力學參數，因此，從施工現場分別采取安山巖和凝灰巖兩類巖石，在室內加工成標準試件，進行單軸壓縮試驗，得到兩類巖石的力學參數。然后經過反復的數值模擬試驗標定，調整顆粒流模型的細觀參數，得到了與本工程巖石力學相匹配的顆粒流模型細觀參數，如表1所示。

3 計算結果與分析

本文通過提取離散元模型破巖過程中每把滾刀的垂直力，相加總和即為所需提供的刀盤總推力；通過提取每把滾刀的滾動力，然后乘以各自相對中心的力臂，相加總和即為刀盤扭矩，3種地層條件下的掘進機的總推力和扭矩換算結果分別如圖3～圖5所示。

從圖3～圖5可以看出：在掘進過程中，刀盤推力和扭矩均表現出持續波動。就刀盤總推力而言，穿越凝灰巖破碎帶的刀盤總推力波動較大，呈明顯鋸齒形狀；穿越微風化凝灰巖地層的刀盤總推力波動相對較??；就刀盤扭矩而言，也是在穿越凝灰巖破碎帶地層時刀盤扭矩波動最為顯著。

表1 三維顆粒流模型的細觀參數

圖3 TBM穿越凝灰巖破碎帶的掘進參數預測

圖4 TBM穿越微風化凝灰巖的掘進參數預測

圖5 TBM穿越微風化安山巖的掘進參數預測

盡管2個參數持續動態變化，但仍表現出較明顯的中心線(平均值)，穿越凝灰巖破碎帶、微風化凝灰巖、微風化安山巖時的刀盤推力均值分別為8 700 kN、8 200 kN、7 500 kN；刀盤扭矩均值分別為1 640 kN·m、1 700 kN·m、1 750 kN·m；

4 結論

本文依托青島地鐵8號線大洋站—青島北站區間平行導洞隧道工程，基于顆粒離散元數值模擬進行掘進參數預測，得到結論：

(1)穿越凝灰巖破碎帶刀盤總推力和刀盤扭矩在3種地層中波動均最大(呈明顯鋸齒狀)，因此在穿越破碎帶地層中應加強對掘進參數的控制。

(2)穿越微風化安山巖過程中，掘進機刀盤總推力和刀盤扭矩波動范圍較小，說明在均勻硬質地層中，掘進參數起伏不大。

(3)在刀盤轉速為3 r/min和貫入度為10 mm的條件下，預測了掘進機刀盤總推力、扭矩等參數；在凝灰巖破碎帶、微風化凝灰巖、微風化安山巖刀盤推力均值分別為8 700 kN、8 200 kN、7 500 kN；刀盤扭矩均值分別為1 640 kN·m、1 700 kN·m、1 750 kN·m。

(4)通過數值模擬，得出一套在3種地層條件下的初始掘進參數，減少了調整參數和糾偏的次數，提高了掘進的效率和施工安全性。