雙盾TBM掘進(jìn)中超挖對盾構(gòu)與地層的影響

楊 涵

(重慶交通大學(xué)，重慶 400041)

0 前 言

雙盾TBM(DS-TBM)是運(yùn)用于隧道技術(shù)上最領(lǐng)先的挖掘機(jī)。在TBM周圍范圍內(nèi)允許機(jī)械通過軟弱地層及不良地質(zhì)條件。但是DS-TBM在運(yùn)用于地面情況下其適用性預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)較大的變化。盾構(gòu)的存在限制了進(jìn)入隧道的墻壁地面觀察情況。這意味著觀察和分析地面情況以避免某些問題的可能性有限。同樣，TBM可能會(huì)在復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中卡住(包括盾構(gòu)堵塞和刀盤堵塞)，特別是在巖土覆蓋或弱巖層中，預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)大的收斂。在隧道施工中，這可能會(huì)導(dǎo)致重大的延誤并給工程帶來巨大的費(fèi)用。有幾個(gè)性能參數(shù)在設(shè)計(jì)階段應(yīng)以高精度計(jì)算是為了防止TBM陷入停滯。根據(jù)需要，確定挖掘隧道直徑的大小，因此可以增加盾構(gòu)上方的間隙，其預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)較大收斂。此外，近年來制造的雙盾TBM，在機(jī)器設(shè)計(jì)中逐步增加或者減小其尾部的直徑的圓形斷面距離與盾構(gòu)機(jī)的前盾以另一種解決方案整合。

為了選擇合適的超挖量，在雙盾TBM設(shè)計(jì)階段分析地面情況需要更全面詳細(xì)的三維數(shù)值。這是由于地面實(shí)際收斂和施加在盾構(gòu)的壓力還有推進(jìn)盾構(gòu)所需的動(dòng)力是圍巖之間復(fù)雜相互作用的功能函數(shù)，關(guān)于掘進(jìn)機(jī)其子系統(tǒng)與組件和最后的隧道支持盾構(gòu)TBM。因此，三維模型的所有這些組件對建模都是必不可少的，假定正確的平面應(yīng)變條件或軸對稱類型之間相互關(guān)聯(lián)是為了避免由此產(chǎn)生的錯(cuò)誤。本文采用大應(yīng)變假設(shè)的有限差分分析進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。此外，分析結(jié)果以簡單的三維和幾何形狀正確的形狀呈現(xiàn)，這些形狀對于工程應(yīng)用是實(shí)用的，該模型估算挖掘過程中的隧道收斂值，并預(yù)測不同時(shí)間區(qū)段的盾構(gòu)載荷，對應(yīng)于地面的短期效應(yīng)。另外，為了避免由于弱地面的大位移而導(dǎo)致的分析誤差，控制位移的方法已經(jīng)運(yùn)用于圍巖和盾構(gòu)之間的接觸表面。為此，在FLAC3D軟件的FISH程序，該程序在數(shù)值分析的每個(gè)求解步驟中控制所有相對于非均勻超挖量的位移。在模型的幾何設(shè)置和接觸檢測代碼中也考慮了由于盾構(gòu)的圓錐形狀引起的間隙增加。將本研究中使用的模擬模型的這些性質(zhì)運(yùn)用于數(shù)值模擬盾構(gòu)TBM的其他3D模型區(qū)分開。

隨后進(jìn)行了對超挖量變化影響的數(shù)值研究，以便觀察超挖對機(jī)械擠壓地面堵塞的可能性影響。結(jié)果表明，當(dāng)較大的超挖時(shí)，盾構(gòu)上的接觸力相當(dāng)?shù)?。但是，在擠壓地面時(shí)，會(huì)導(dǎo)致塑性區(qū)域在盾構(gòu)和襯砌上方的不穩(wěn)定性增加，并且產(chǎn)生較高的自重載荷，可能導(dǎo)致備用系統(tǒng)保護(hù)或混凝土節(jié)段襯砌失效。另一方面，較小的超挖將導(dǎo)致較高的接觸力，導(dǎo)致較小的塑性區(qū)域; 然而，盾構(gòu)可能由于高摩擦力而被滯留。考慮到上述現(xiàn)象，應(yīng)該進(jìn)行超挖量的設(shè)計(jì)。本文討論了巖體和TBM構(gòu)件的三維數(shù)值模擬結(jié)果。建模的輸出值包括縱向位移和接觸力以及盾構(gòu)機(jī)上的接觸面壓力與不同超挖量之間的關(guān)系。此外，還研究了四種不同超挖值的塑性區(qū)大小以及克服盾構(gòu)與巖體接觸時(shí)的摩擦力所需的推力。

1 數(shù)值模擬

本文提出的研究基于三維數(shù)值模擬和使用雙盾構(gòu)TBM時(shí)的地層反應(yīng)模擬，并預(yù)計(jì)會(huì)出現(xiàn)大的地面收斂。目前的研究建立在以前使用的3D模型上，通過改變過超挖量來評估超挖量對盾構(gòu)與圍巖之間接觸力的影響。

不同的開挖階段被編程分為數(shù)值模型中的幾個(gè)步驟。這些階段是根據(jù)設(shè)計(jì)和挖掘機(jī)直徑施工的刀盤，給定雙盾TBM的前后盾的直徑，并包含時(shí)間區(qū)域。在這項(xiàng)研究中，共模擬了41個(gè)挖掘步驟，其中包括初始化步驟1和40個(gè)挖掘步驟(每個(gè)挖掘步驟通過推進(jìn)面1 m建模)。

TBM主盾構(gòu)與巖體之間的接觸是通過界面元素模擬的，并考慮到地面與盾構(gòu)之間的間隙，在保護(hù)TBM中有不均勻的過度超挖。這樣就可以精確地模擬在頂蓋處最大的超挖部分，以及在TBM防護(hù)罩所在的翻轉(zhuǎn)部分處的臨界狀態(tài)，通過自身重量在翻轉(zhuǎn)器上滑動(dòng)?？箯澓图羟袆偠戎?kn，ks)被分配給用于模擬相互作用現(xiàn)象的界面元素。盾牌的kn和ks值選擇為軟區(qū)域的等效剛度的10倍：

{K+(4/3)G}/△Z min

式中，K和G分別為地面的體積和剪切模量；△Zmin為法線方向上相鄰區(qū)域的最小寬度，等于1 cm(FLAC3D手冊2006)。根據(jù)上述關(guān)系計(jì)算kn和ks為2.7×1013Pa/m。

通過控制在面部前進(jìn)的每個(gè)挖掘步驟之后產(chǎn)生的不平衡力來考慮機(jī)器的提前率。為此目的，為了正確反映盾構(gòu)TBM的連續(xù)開挖情況，并考慮到機(jī)器進(jìn)行逐步分析的前進(jìn)速率，對每一步分析采用87%的不平衡力松弛。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

通過給出隧道頂部和側(cè)壁處的線位移、力和壓力，以下說明建模結(jié)果。超挖量是定義為地面和前部護(hù)罩之間的間隙。由于護(hù)罩直徑的逐步減小，地層和后部護(hù)罩之間的過度超挖更高。盾的厚度被認(rèn)為是3 cm。 過度超挖時(shí)，巖體和刀盤之間的間隙略小于前部保護(hù)端是20 cm。對于其他的超挖設(shè)置，這個(gè)大小是不同的，并且相對于前護(hù)罩中的超挖進(jìn)行調(diào)整?？紤]到隧道橫截面上地面和盾構(gòu)之間的過度超挖是不均勻的，在隧道斷面邊界處存在不同的超挖值。這意味著過度超挖在表面處具有最大值，并且在倒置處逐漸減小到等于零的最小值。

2.1 盾構(gòu)與地層的相互作用

DS-TBM設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)是盾構(gòu)直徑的逐步減小，從而基于由刀盤定義的初始挖掘直徑定義沿著盾構(gòu)的徑向間隙的變化△R。階梯式結(jié)構(gòu)的積極作用是減小作用在防護(hù)罩上的接觸力(控制所需的推力)。模擬結(jié)果為該分布與沿隧道拱頂和側(cè)壁的隧道圓周上的縱向位移分布(LDP)成正比。如預(yù)期的那樣，當(dāng)提供更大的超挖時(shí)，接觸力相當(dāng)?shù)?對于前部和后部護(hù)罩)。在里面一個(gè)非常大的超切△R=20 cm的情況下，地面和盾構(gòu)之間的間隙關(guān)閉并且盾構(gòu)受到較低的接觸力。表1總結(jié)了盾構(gòu)直徑的超挖和逐步減小對減少作用于盾構(gòu)的總地面壓力的影響。結(jié)果表明，對于后盾而言，較大的間隙更重要，因?yàn)榈孛娴氖諗侩S著面后的距離而增加。例如，作用在前部護(hù)罩上的總地面壓力從△R=1 cm時(shí)的23.3 MPa減少到△R=20 cm時(shí)的4.2 MPa，相當(dāng)于減少了約81.9%.對于地面壓力從19.6 MPa降至2.7 MPa的后盾，這個(gè)百分比約為86.3%。

表1 作用于機(jī)械部件的接觸壓力

2.2 不同深度超挖塑性區(qū)比較

為了評估超挖深度對塑性區(qū)尺寸的影響，對隧道周圍的塑性區(qū)進(jìn)行了不同尺寸的過切的比較。不同過切的塑性區(qū)的大小隨著徑向間隙△R(△R=1、5、10、20 cm)的大小線性增加。較大的過切需要更多時(shí)間來關(guān)閉間隙，但是導(dǎo)致縱向上的較大塑性區(qū)域。因此，如果△R=20 cm的超挖縫隙保持較長的時(shí)間并且需要盾構(gòu)長度L以用于巖石與盾構(gòu)之間的初始接觸，則塑性區(qū)域的范圍將由于額外的擴(kuò)張空間而增加并且涉及的巖石相關(guān)量增加地面變形。

盡管較大的超挖在盾構(gòu)上產(chǎn)生較低的載荷并且隨后在機(jī)器推進(jìn)期間較低的摩擦力，但是，較大的超挖會(huì)導(dǎo)致隧道周圍的較大變形，并因此形成延伸的拉應(yīng)力區(qū)域。因此，由于大的變形，地面松動(dòng)并軟化。這會(huì)在隧道頂部盾構(gòu)上方產(chǎn)生較高的荷載，并可能導(dǎo)致回填問題。隧道地面松動(dòng)和軟化有關(guān)的問題尤為重要，因?yàn)閺?qiáng)度損失和主要的松動(dòng)都要求支撐系統(tǒng)產(chǎn)出較高的壓力。應(yīng)該指出的是，正確布置回填和灌漿對于節(jié)段內(nèi)襯周圍壓力的重新均勻分布至關(guān)重要。這個(gè)問題直接關(guān)系到襯砌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并優(yōu)化了部分回填與灌漿量。施加較大的超挖間隙以減輕盾構(gòu)載荷并減小推進(jìn)TBM所需的推力可以被認(rèn)為是一個(gè)合理的解決方案。但是，在可能導(dǎo)致需要更多量的情況下，過度掘進(jìn)量應(yīng)該減少。

2.3 推力計(jì)算

克服護(hù)罩表面摩擦所需的推力可以通過基于護(hù)罩表面上的接觸壓力并將結(jié)果乘以表面摩擦系數(shù)來計(jì)算。截面接觸壓力分布，在地面和前面盾構(gòu)之間以及后面盾構(gòu)，顯示了克服摩擦力所需的推力兩個(gè)運(yùn)營階段的盾牌與超挖，包括正在進(jìn)行的挖掘和停工后重新啟動(dòng)。表面摩擦系數(shù)被假定為對于正在進(jìn)行的挖掘，μ=0.15-0.30，μ=0.25-0.45在靜止后重啟，其中較低的摩擦系數(shù)缺乏價(jià)值的目的是為了說明正面影響盾構(gòu)外殼的潤滑，如膨潤土或其他潤滑油。

3 結(jié) 論

通過DS-TBM對機(jī)械化開挖進(jìn)行全面的三維建模研究，以便評估各種地面盾構(gòu)的相互作用沿著盾牌指向各種超挖間隙尺寸。在模擬中使用數(shù)值分析來評估盾構(gòu)上的地面載荷的大小以及可能TBM干擾。研究了盾構(gòu)的變形形狀在降低作用于其上的地壓力時(shí)對不同超挖值的影響。結(jié)果表明，較大的超挖間隙減少了盾的載荷，因此，在盾前進(jìn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致較低的摩擦阻力。確定克服摩擦力所需的推力低于增加的超挖深度。對于正在進(jìn)行的挖掘和長時(shí)間延遲或停頓后重新啟動(dòng)的兩個(gè)操作案例而言，情況屬實(shí)。

結(jié)果還表明，較高的超挖可導(dǎo)致較大的塑性區(qū)域，并增加了在盾構(gòu)上方發(fā)生不穩(wěn)定的可能性，并通過施加較高的自重加載在盾構(gòu)上。這可能會(huì)導(dǎo)致節(jié)段環(huán)失效。另一方面，較小的過度超挖導(dǎo)致較高的接觸力，導(dǎo)致較小的塑性區(qū)域。但是，由于高摩擦力導(dǎo)致高接觸力，盾構(gòu)可能會(huì)被滯留。

結(jié)果表明一個(gè)更大量超挖本身不是一個(gè)應(yīng)對擠壓條件和避免盾構(gòu)滯留的解決方案。在特殊情況下，可以考慮增加超挖值以防止擠壓場地中的機(jī)械干擾，但應(yīng)仔細(xì)優(yōu)化。本文描述了可用于評估過度超挖對盾構(gòu)荷載和塑料延伸的影響的參數(shù)研究的類型區(qū)。一個(gè)程序可用于優(yōu)化特定地面條件和保護(hù)幾何形狀中的超挖大小。

為了優(yōu)化超挖量，應(yīng)該以高精度確定沿隧道的地面特性。這對選擇用于模擬保護(hù)機(jī)器的輸入?yún)?shù)非常重要。應(yīng)進(jìn)行盾構(gòu)TBM隧道掘進(jìn)的全面三維數(shù)值模擬，以評估盾構(gòu)加載過程中不同的超挖量以及隧道周圍的塑性區(qū)域。在隧道周圍可以根據(jù)過度超挖的靈敏度分析和在盾構(gòu)上產(chǎn)生的地面載荷(包括塑性區(qū)的范圍)選擇合適的超挖值。

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