基于離散元數(shù)值模擬對TBM掘進參數(shù)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(fā)展，與傳統(tǒng)鉆爆法相比，盾構法具有開挖速度快、施工安全、環(huán)保等優(yōu)點，已經(jīng)隧道工程中得到了廣泛運用[1]。但地質(zhì)情況的多變性以及盾構機對地質(zhì)的敏感性使得對盾構機掘進參數(shù)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(shù)預測、控制從而對盾構掘進姿態(tài)控制具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外學者對盾構機掘進參數(shù)的預測進行了一定的探索和研究，預測方法主要有經(jīng)驗公式法、理論推導法、數(shù)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(shù)進行了模擬分析，揭示了掘進參數(shù)變化規(guī)律與地層變形存在一定的關系；宋克志等[3]基于施工現(xiàn)場盾構掘進試驗，運用模糊數(shù)學原理分析和研究了掘進參數(shù)內(nèi)在規(guī)律；王健等[4]基于吉林供松引水工程建立TBM數(shù)據(jù)庫，提出應用RMR巖體分級系統(tǒng)對TBM的掘進性能參數(shù)進行了預測；于云龍等[5]基于現(xiàn)場盾構掘進試驗通過對盾構原始掘進參數(shù)的二次轉(zhuǎn)換，建立標準推力—標準扭矩特征空間，并對傳統(tǒng)模型進行了修正；沈翔等[6]通過對現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)的總結(jié)分析，給出了相應的掘進參數(shù)優(yōu)化建議，引入了灰色系統(tǒng)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(shù)的預測，但研究的方法主要是經(jīng)驗公式和理論推導法，需要在現(xiàn)場有一定的掘進參數(shù)支撐后才能完成，本文采用離散元方法在現(xiàn)場施工前對掘進參數(shù)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(qū)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(jīng)過的主要地層有微風化凝灰?guī)r和微風化安山巖。洞身總體地質(zhì)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(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 依托工程地質(zhì)縱斷面

2 數(shù)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(jié)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(zhì)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(nèi)置語言建立形狀不規(guī)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(zhuǎn)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(shù)的確定

采用離散元法進行力學計算，首先要進行參數(shù)的標定，根據(jù)巖石的宏觀力學參數(shù)采用離散元 PFC3D 進行參數(shù)標定，得到與之相對應的細觀力學參數(shù)，因此，從施工現(xiàn)場分別采取安山巖和凝灰?guī)r兩類巖石，在室內(nèi)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(shù)。然后經(jīng)過反復的數(shù)值模擬試驗標定，調(diào)整顆粒流模型的細觀參數(shù)，得到了與本工程巖石力學相匹配的顆粒流模型細觀參數(shù)，如表1所示。

3 計算結(jié)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(jié)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(xiàn)出持續(xù)波動。就刀盤總推力而言，穿越凝灰?guī)r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?guī)r地層的刀盤總推力波動相對較?。痪偷侗P扭矩而言，也是在穿越凝灰?guī)r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(shù)

圖3 TBM穿越凝灰?guī)r破碎帶的掘進參數(shù)預測

圖4 TBM穿越微風化凝灰?guī)r的掘進參數(shù)預測

圖5 TBM穿越微風化安山巖的掘進參數(shù)預測

盡管2個參數(shù)持續(xù)動態(tài)變化，但仍表現(xiàn)出較明顯的中心線(平均值)，穿越凝灰?guī)r破碎帶、微風化凝灰?guī)r、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(jié)論

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

(1)穿越凝灰?guī)r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(shù)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(zhì)地層中，掘進參數(shù)起伏不大。

(3)在刀盤轉(zhuǎn)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(shù)；在凝灰?guī)r破碎帶、微風化凝灰?guī)r、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(shù)值模擬，得出一套在3種地層條件下的初始掘進參數(shù)，減少了調(diào)整參數(shù)和糾偏的次數(shù)，提高了掘進的效率和施工安全性。