深埋隧洞雙護盾TBM施工仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)初探

孫 博

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

深埋隧洞雙護盾TBM施工仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)初探

孫 博

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

長距離深埋隧洞采用雙護盾TBM施工是一種主要施工方式，對其施工過程的數(shù)值仿真分析一直是巖土工程界研究的重點和難點。收集已有研究文獻，歸納、總結(jié)并初步探討數(shù)值模擬深埋隧洞雙護盾TBM施工過程的關(guān)鍵技術(shù)?；谝延醒芯砍晒捎肍LAC3D軟件及其自帶FISH語言，在局部改進的基礎(chǔ)上重新編寫仿真分析程序。以某深埋隧洞為例，介紹了該仿真分析程序的計算流程，同時驗證了其可行性。

深埋隧洞； 雙護盾TBM； 施工過程； 數(shù)值仿真分析； 關(guān)鍵技術(shù)

0 前 言

目前，我國越來越多的水工隧洞和交通隧洞位于高山峽谷地區(qū)，高埋深、長距離隧洞的設(shè)計與施工已成為國內(nèi)外巖土工程界的主要難題之一。針對這種深埋長隧洞，目前常用的施工方法主要分為三種：鉆爆法、開敞式TBM法和雙護盾TBM法。由于鉆爆法施工速率慢、施工條件差、安全性差等明顯缺點，近年來有逐漸被TBM法取代的趨勢。雖然開敞式TBM和雙護盾TBM都是采用全斷面掘進機掘進施工，但兩者在主機構(gòu)造和支護形式上還是有較大差別的[1-3]。一般來說，開敞式TBM在應(yīng)對巖爆方面較弱，對施工人員的威脅較大；而雙護盾TBM在軟巖大變形洞段極易出現(xiàn)卡機現(xiàn)象，延誤工期。總體來看，兩種施工方式各有優(yōu)缺點，一般情況下采用何種施工方式主要是由地質(zhì)條件決定的。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗可知，當(dāng)隧洞埋深超過1 000 m、甚至2 000 m時，施工過程中隧洞發(fā)生強巖爆的可能性急劇增加[4-5]。從施工人員安全角度考慮，雙護盾TBM施工是一種較優(yōu)的選擇。因此，本文針對深埋隧洞雙護盾TBM施工過程數(shù)值仿真分析的關(guān)鍵技術(shù)進行初步探討，以期從數(shù)值分析上預(yù)判雙護盾TBM施工過程中可能出現(xiàn)的各種問題，為隧洞的施工過程及支護設(shè)計提供參考。

1 研究現(xiàn)狀

雙護盾TBM作為一種主要施工方式，以其高效、安全的特性受到了廣大巖土工程師的青睞。對雙護盾TBM來說，其在施工中面臨的最大問題是圍巖大變形導(dǎo)致的卡機問題[6-7]。針對該問題，國內(nèi)外眾多學(xué)者從雙護盾TBM機械構(gòu)造、掘進過程及處理措施等方面進行了相關(guān)研究。從數(shù)值分析來看，現(xiàn)階段主要研究成果如下：

劉泉聲等[8]基于TBM卡機孕育致災(zāi)機理的理論分析，通過FLAC3D軟件計算護盾區(qū)域圍巖的三維應(yīng)力場和位移場，從而計算出護盾前移所受的摩擦阻力，并根據(jù)卡機狀態(tài)判據(jù)判斷護盾是否被卡。杜立杰等[9]在進行貫入度指數(shù)FPI與主要地質(zhì)因素間相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上，建立了TBM掘進貫入度P與FPI之間的擬合關(guān)系式，以及推進力F與FPI之間的擬合關(guān)系式。Kai Zhao等[10]在考慮復(fù)雜的圍巖與護盾的相互作用、管片和豆礫石支護的基礎(chǔ)上，采用Midas GTS軟件建立了模擬雙護盾TBM施工過程的三維計算模型。Rohola Hasanpour等[11]在考慮TBM掘進速率的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件FLAC3D模擬雙護盾TBM在高擠壓區(qū)的施工過程。Kai Zhao等[12]采用三維模型分析了雙護盾TBM穿越斷層區(qū)時圍巖失穩(wěn)機理。程建龍等[13]采用FLAC3D軟件建立完整的TBM模型，研究復(fù)合地層中雙護盾TBM與圍巖相互作用機制。

從現(xiàn)有的研究成果來看，國內(nèi)外已經(jīng)在采用數(shù)值方法分析雙護盾TBM的施工掘進過程方面取得了長足的進步，由早期的二維計算分析[14-16]逐步發(fā)展到三維計算分析，且考慮因素越來越接近實際施工過程。下文將對雙護盾TBM施工掘進過程的數(shù)值模擬關(guān)鍵技術(shù)進行深入探討。

2 關(guān)鍵技術(shù)的探討

根據(jù)目前雙護盾TBM施工仿真分析的研究成果，同時結(jié)合現(xiàn)階段深埋隧洞采用雙護盾TBM遇到的各種問題，現(xiàn)將數(shù)值模擬深埋隧洞雙護盾TBM施工過程的關(guān)鍵技術(shù)匯總?cè)缦拢?/p>

(1)圍巖本構(gòu)模型的選擇：對于深埋隧洞來說，其圍巖力學(xué)特征與淺埋隧洞差別較大，表現(xiàn)出高度的非線性特征。對于硬巖，其峰后應(yīng)力跌落特征非常明顯，在數(shù)值模擬中常采用彈脆塑性本構(gòu)模型，如文獻[10]。對于軟巖，其蠕變特征十分明顯，但考慮到蠕變模擬的復(fù)雜性，現(xiàn)有研究成果大多仍采用常用的理想彈塑性Mohr-Coulomb模型，如文獻[10-12]。在今后的研究中，應(yīng)進一步考慮硬巖本構(gòu)模型的選擇和軟巖蠕變效應(yīng)對計算成果準(zhǔn)確性的影響。

(2)外水壓力的影響：在深埋隧洞施工過程中，高外水是經(jīng)常遇到的一大難題，對圍巖穩(wěn)定及施工造成極大影響。但是在現(xiàn)有的研究成果中，大都未考慮外水壓力的影響。一方面，考慮外水會大大增加計算工作量；另一方面，外水在深埋隧洞中是按裂隙水還是孔隙水考慮尚有爭議。在后續(xù)的研究工作中，將進一步分析外水壓力的影響。

(3)開挖速率(即:時效性)的影響：在實際施工中，雙護盾TBM的掘進速率不是固定不變的，由于圍巖類別、管片拼裝和機械檢修等因素的影響，掘進速率是不斷變化的。在已有的研究中，只有文獻[11]通過圍巖應(yīng)力釋放率來粗略考慮掘進速率，但該方法只能應(yīng)用于有限差分法，而無法應(yīng)用于有限單元法。此外，該方法模擬的準(zhǔn)確性嚴重依賴于應(yīng)力釋放率的取值，對計算人員要求較高。同時，文獻[11]中圍巖應(yīng)力釋放率采用的計算步數(shù)是固定的；而在實際計算過程中，不同開挖步達到同一應(yīng)力釋放率需要的計算步數(shù)是不同的，這點在后續(xù)工作中需要進一步改進。

(4)圍巖與護盾的相互作用：在數(shù)值分析中，模擬圍巖與護盾的相互作用是判斷護盾卡機的關(guān)鍵?，F(xiàn)有研究成果中，大都是在圍巖與護盾之間建立接觸單元[10-11,13]，再通過接觸單元分析護盾與圍巖之間的摩擦力，進而判斷護盾是否發(fā)生卡機。此技術(shù)的關(guān)鍵在于真實考慮圍巖與前護盾、尾盾之間的不均勻空隙。

(5)豆礫石和管片的支護模擬：對于雙護盾TBM來說，其支護措施主要是管片和豆礫石回填灌漿；且在實際施工過程中，管片是緊跟尾盾拼裝的，而豆礫石回填與灌漿距尾盾的距離較遠，一般大于50 m。此外，豆礫石灌漿層是逐漸硬化的，其力學(xué)特性是與灌漿材料及時間密切相關(guān)的。但在數(shù)值模擬中，如果按實際施工過程考慮，則一方面會導(dǎo)致計算模型過大而無法計算，另一方面會導(dǎo)致計算過程十分復(fù)雜，不便于分析。鑒于此，文獻[10]提出管片和豆礫石滯后尾盾一定距離再支護的方法，且對于軟巖洞段，將豆礫石灌漿層分為軟化和硬化兩階段來計算。該簡化方法是根據(jù)已有深埋隧洞監(jiān)測結(jié)果進行反演分析得到的，其普適性還需要進一步驗證。

(6)圍巖開挖的模擬：在數(shù)值分析中，模擬圍巖開挖的方法主要有兩種：一種是直接“殺死”(或“賦空”)圍巖單元；另一種是先逐步折減要挖除圍巖單元的變形模量，然后再“殺死”(或“賦空”)圍巖單元。這兩種方法從理論上都是合理可行的，但現(xiàn)有的研究成果[17]表明在有限差分法中，采用直接“殺死”單元法會導(dǎo)致圍巖損傷塑性區(qū)過大，與鉆爆法的實測成果更相符；而先折減圍巖變形模量再“殺死”單元的方法更適用于TBM法開挖，因其對圍巖的擾動較小。但現(xiàn)有文獻[10-12]大都未考慮此因素，在后續(xù)研究中需考慮該因素對計算成果的影響。

基于已有研究成果，筆者基于FLAC3D軟件及其自帶FISH語言，初步實現(xiàn)了雙護盾TBM施工過程的數(shù)值仿真程序，計算流程見圖1。

圖1 計算流程

與已有研究成果相比，本仿真分析程序改進之處在于：

(1)采用弱化圍巖變形模量的方法實現(xiàn)圍巖的逐步開挖，該過程是通過FISH語言實現(xiàn)的。此步驟的改進，可使圍巖變形及塑性損傷區(qū)等結(jié)果更符合雙護盾TBM施工掘進的實測成果;

(2)圍巖應(yīng)力釋放率的考慮：在本分析程序中，不考慮圍巖變形模量弱化過程中的應(yīng)力釋放率，僅考慮圍巖開挖后的應(yīng)力釋放。在計算過程中，以體系開挖前初始的最大不平衡力作為基準(zhǔn)，以體系剩余最大不平衡力與其商值作為評判標(biāo)準(zhǔn)。在本次計算分析時，暫定該標(biāo)準(zhǔn)為13%(即:圍巖應(yīng)力釋放率為87%，與文獻[11]相同)。該步驟也是通過軟件自帶的FISH語言實現(xiàn)的。

3 實例分析

基于現(xiàn)有研究成果，以某深埋引水隧洞雙護盾TBM施工掘進過程為例，下文將詳細介紹本仿真分析程序的計算過程，驗證現(xiàn)有計算程序的可行性及可能存在的問題。

3.1 計算模型

由本程序的計算流程(見圖1)可知，該仿真分析程序的基礎(chǔ)是計算模型的建立。本文針對計算模型主要討論兩方面:計算模型的包含對象和計算模型的范圍。

3.1.1 計算模型的包含對象

本仿真分析程序的目的主要有三點：一是圍巖穩(wěn)定的分析，二是TBM卡機的判別，三是管片襯砌等支護措施的可行性。根據(jù)這三個目的，且考慮計算的簡化，計算模型應(yīng)包含的對象有圍巖、管片、豆礫石、前護盾、尾盾和刀盤等。在這些對象中，一般圍巖、管片、豆礫石采用實體單元；而前護盾、尾盾和刀盤既可以采用實體單元，也可以采用殼單元，可根據(jù)計算分析的內(nèi)容、規(guī)模及計算軟件確定。本次計算時均采用了實體單元，圖2為本次計算模型示意(未給出刀盤)。

圖2 計算模型

3.1.2 計算模型的范圍

根據(jù)前人的研究成果[18-19]，對于硬巖，在橫斷面方向，計算模型的尺寸應(yīng)不小于隧洞直徑的10倍；在隧洞軸線方向，計算模型的尺寸應(yīng)不小于隧洞洞徑的10倍。對于軟巖，在橫斷面方向，計算模型的尺寸應(yīng)不小于隧洞直徑的15倍；在隧洞軸線方向，計算模型的尺寸應(yīng)不小于隧洞洞徑的20倍。在實際應(yīng)用時，對于Ⅱ、Ⅲ類圍巖，一般按硬巖考慮；對于Ⅴ類圍巖，一般按軟巖考慮；對于Ⅳ類圍巖，可根據(jù)初始地應(yīng)力及圍巖變形情況合理選擇。本次計算主要用于介紹仿真程序的計算流程及其可行性，故計算模型的范圍是按硬巖考慮的。

3.2 計算過程

本仿真程序的主要計算過程如下：

(1)初始地應(yīng)力平衡。在進行初始地應(yīng)力平衡之前，首先賦空非圍巖單元(刀盤、前護盾、尾盾、管片和豆礫石)，然后按照常規(guī)方法進行初始地應(yīng)力平衡的計算。

(2)TBM開挖掘進。模擬雙護盾TBM的開挖掘進，主要包括兩方面:圍巖的開挖和前護盾、尾盾的跟進。在本程序中，首先對要開挖的圍巖進行變形模量的弱化。當(dāng)圍巖的變形模量弱化完成后，賦空相應(yīng)圍巖；同時前護盾和尾盾均前進一步，且相應(yīng)的末端單元賦空，以保證前護盾和尾盾的長度不變。與此同時，前護盾、尾盾和相應(yīng)的圍巖之間建立接觸單元，且刪除三者之間無效的接觸單元。最后再進行計算，且計算時通過圍巖應(yīng)力釋放率控制計算何時終止。

(3)豆礫石和管片支護。當(dāng)TBM開挖掘進計算終止后，激活滯后尾盾的豆礫石和管片。豆礫石和管片滯后尾盾的距離由圍巖是硬巖還是軟巖來確定[10-11]。此外，還需根據(jù)圍巖是硬巖還是軟巖確定豆礫石如何考慮。當(dāng)圍巖為硬巖時，豆礫石直接按硬化狀態(tài)考慮；當(dāng)圍巖為軟巖時，豆礫石先按軟化狀態(tài)考慮，隨后按硬化狀態(tài)考慮。根據(jù)筆者的計算分析，建議當(dāng)圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ類時，豆礫石按硬化狀態(tài)考慮；當(dāng)圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類時，豆礫石按軟化和硬化兩種狀態(tài)考慮。

(4)計算結(jié)束的判別。當(dāng)開挖和支護均未結(jié)束時，仍按步驟(2)、(3)計算；當(dāng)開挖結(jié)束、支護未結(jié)束時，按步驟(3)計算；當(dāng)開挖和支護均結(jié)束時，整個計算過程結(jié)束。

3.3 結(jié)果分析內(nèi)容

根據(jù)雙護盾TBM施工仿真分析程序的目的，需要分析施工掘進過程結(jié)束后圍巖穩(wěn)定性、TBM是否卡機和支護受力，三方面分析內(nèi)容簡述如下:

(1)圍巖穩(wěn)定分析。為了準(zhǔn)確分析雙護盾TBM施工完成后的圍巖穩(wěn)定性，一般選擇模型軸向中間部分的圍巖。一般來說，對圍巖穩(wěn)定分析，主要是分析開挖結(jié)束后圍巖的壓應(yīng)力分布、水平向和豎向位移、圍巖塑性區(qū)等內(nèi)容。對于雙護盾TBM施工方式來說，采用這幾個指標(biāo)有時并不能準(zhǔn)確確定圍巖穩(wěn)定性，還需要結(jié)合卡機分析和管片受力分析來綜合評價圍巖穩(wěn)定性。

(2)雙護盾TBM卡機分析。分析雙護盾TBM是否卡機，主要是計算前護盾和尾盾與圍巖的接觸摩擦力是否大于機械提供的最大推力。在計算接觸摩擦力之前，首先需判斷圍巖與前護盾或尾盾是否接觸，這可以從前護盾或尾盾處的圍巖變形來初步判斷。當(dāng)初步判斷圍巖與前護盾或尾盾接觸后，再查看接觸面的法向應(yīng)力，以確定可能卡機部位。確定可能卡機部位后，再計算接觸面上的法向力(即:圍巖傳遞給護盾的壓力)，可通過FISH語言對接觸面節(jié)點法向應(yīng)力與其控制面積的乘積求和獲得。最后，將圍巖與護盾之間的摩擦系數(shù)乘以接觸面的法向力得到圍巖與護盾之間的摩擦力。若摩擦力小于TBM的最大推力，則雙護盾TBM不會卡機；否則，雙護盾TBM將會卡機。

(3)管片受力分析。當(dāng)分析完圍巖穩(wěn)定性和雙護盾TBM卡機后，還需要進一步分析管片受力。這是因為一方面管片自身承載力是有限的，另一方面從管片受力可間接評價圍巖穩(wěn)定性。當(dāng)雙護盾TBM卡機時，管片受力可不做分析；但當(dāng)雙護盾TBM未卡機時，必須要分析管片受力，以防管片自身承載力不足而導(dǎo)致支護措施不夠。

通過上文的介紹，以埋深1 000 m的Ⅳ類圍巖為例，對其施工掘進的結(jié)果進行分析。圖3～4分別為圍巖豎向位移云圖及其塑性區(qū)分布(圖中位移單位以m計；塑性區(qū)中深色區(qū)表示張拉-剪切屈服，淺色區(qū)表示剪切屈服)。從位移來看，頂拱沉降為-123.7 mm，底拱向上鼓起129.2 mm。從圍巖塑性區(qū)來看，洞周0.6 m范圍內(nèi)為拉-剪破壞，向內(nèi)2.8 m范圍內(nèi)基本為剪切破壞。僅從圍巖位移和塑性區(qū)來看，圍巖可初步認為是穩(wěn)定的。

圖5～8分別為前護盾和尾盾位置的圍巖變形和接觸面法向應(yīng)力云圖。

圖3 圍巖豎向位移云圖 圖4 圍巖塑性區(qū)分布

圖7 尾盾處圍巖水平向變形 圖8 尾盾接觸面法向應(yīng)力

由圖5～8可知，前護盾處的圍巖最大變形量為55.4 mm，大于前護盾與圍巖之間的空隙(50 mm)，這表明圍巖與前護盾發(fā)生接觸。接觸面法向應(yīng)力最大值為37.61 MPa，較大法向應(yīng)力主要位于后部一環(huán)。尾盾處的圍巖最大變形量為100.4 mm，大于圍巖與尾盾之間的空隙(100 mm)，這表明圍巖與尾盾也發(fā)生了接觸。接觸面法向應(yīng)力最大值為21.64 MPa，較大法向應(yīng)力主要分布在兩腰。

由前文分析可知，前護盾、尾盾與圍巖之間均發(fā)生接觸，且接觸摩擦力分別為373.2 MPa和281.7 MPa，遠大于雙護盾TBM的最大主推力(61.6 MN)，故TBM會發(fā)生卡機現(xiàn)象。

由于雙護盾TBM會發(fā)生卡機現(xiàn)象，故可不必再分析管片受力。即使分析管片受力，也可知管片受力會超過其抗壓強度，如圖9所示。

圖9 管片第三主應(yīng)力云圖

4 結(jié) 論

基于已有研究成果，本文采用FLAC3D軟件及其自帶FISH語言重新編寫了雙護盾TBM施工過程的數(shù)值仿真分析程序，并以某深埋引水隧洞為例，介紹了該仿真分析程序的計算流程，并驗證了其可行性。

與原有研究成果相比，本仿真程序主要在圍巖開挖模擬和圍巖應(yīng)力釋放率兩方面進行了改進?？傮w來看，現(xiàn)有程序還不完善，還無法考慮外水、超前處理措施及時間效應(yīng)等因素的影響，在后續(xù)工作中將進一步完善該仿真程序，以使其更具有普遍適用性及工程應(yīng)用價值。

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2017-01-12

孫博(1984-)，男，河北三河人，博士，高級工程師，從事水工結(jié)構(gòu)、隧洞及邊坡的設(shè)計與研究工作。

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：1003-9805(2017)03-0065-05