深埋隧道兩級螺旋式刀盤掘進地應(yīng)力釋放機理研究*

靳心雨 ，耿 麒 ，張俊杰

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

近年來，我國在交通領(lǐng)域迅速發(fā)展，盾構(gòu)隧道工程大量開展并投入使用。張照煌等[1]研究了全斷面巖石掘進機刀盤體結(jié)構(gòu)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)刀盤體經(jīng)歷了單板、雙板和三板結(jié)構(gòu)的演化。劉偉等[2]設(shè)計了一種適應(yīng)于EPB和TBM兩種模式的盾構(gòu)機刀盤結(jié)構(gòu)。李建芳等[3]設(shè)計了三種不同肋板厚度的TBM刀盤，對三種TBM刀盤進行了位移與應(yīng)力的對比分析。楊治軍等[4]基于溝谷地形地貌、隧道分布情況、黃土地層及隧道結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)研究了不同施工方案下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力特性。孫偉[5]基于地層損失原理，對隧道開挖誘發(fā)地表沉降的三維理論解進行了修正，驗證了三維地表沉降修正理論解的可行性。鄧立營等[6]對刀盤的工作載荷工況和結(jié)構(gòu)形式進行了分析研究，發(fā)現(xiàn)箱式結(jié)構(gòu)副梁的結(jié)構(gòu)性能優(yōu)于豎板式的。羅丹[7]通過有限元法分析了復合盾構(gòu)刀盤的受力特性，并進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了刀盤的安全性和經(jīng)濟性。閆利鵬等[8]針對高強鋼盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提出一種基于近似模型技術(shù)的優(yōu)化方法，提高了優(yōu)化設(shè)計的效率。袁帥等[9]建立了考慮孔隙水壓力影響的隨機數(shù)值極限分析方法，發(fā)現(xiàn)滲透系數(shù)、變異系數(shù)及豎向水平向滲透系數(shù)比的增加提高了維持開挖面穩(wěn)定所需的支護力。以上研究主要針對平面式刀盤本身結(jié)構(gòu)和平面式刀盤隧道掘進對地層的影響，但在掘進大埋深山嶺隧道時，平面式刀盤直接掘進的巖爆風險較高，為了克服這個問題，本研究采用兩級刀盤掘進，通過ABAQUS軟件進行數(shù)值模擬分析，研究兩級刀盤掘進下，不同盤面間距、不同一級刀盤直徑對隧道形變和隧道掘進過程中地應(yīng)力釋放機理與內(nèi)能量率的影響，并得到較好的合理取值。

1 兩級刀盤掘進模型構(gòu)建

1.1 兩級螺旋式TBM刀盤結(jié)構(gòu)方案

耿麒等[10-12]提出了兩級刀盤的基本結(jié)構(gòu)形式，即兩級刀盤為同軸的前小后大階錐式結(jié)構(gòu)，前后兩級刀盤通過鋼筒固連，且均為傳統(tǒng)的平面式刀盤，刀盤的驅(qū)動力和推進通過法蘭傳遞到二級刀盤。這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有考慮出碴方案的設(shè)計，導致一級刀盤腔體內(nèi)的巖碴無法轉(zhuǎn)運到皮帶輸送機上，皮帶輸送機僅能輸送二級刀盤腔體內(nèi)的巖碴。鑒于此，耿麒等[13]對現(xiàn)有的兩級刀盤結(jié)構(gòu)進行了改進，并采用顆粒離散元方法構(gòu)建數(shù)值模型，模擬TBM兩級刀盤出渣過程，并進行出渣縮比試驗驗證數(shù)值模型的可靠性。本研究所采用的兩級螺旋式TBM刀盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，于一級刀盤后錐環(huán)部排設(shè)與面部出碴口相同的背部出碴口，長為L，寬為W；一級刀盤后錐環(huán)加設(shè)前螺旋，連接鋼筒加設(shè)后螺旋，前、后螺旋均為右旋單螺旋，后螺旋的螺距為S；兩級刀盤的內(nèi)腔均設(shè)置溜碴板；一級刀盤的掘進直徑為D1，二級刀盤的掘進直徑為D2，盤面間距即連接鋼筒的長度。

圖1 兩級螺旋式刀盤幾何結(jié)構(gòu)

1.2 兩級刀盤掘進三維實體建模

本研究采用生死單元法來進行數(shù)值模擬，使用ABAQUS軟件建立山體與襯砌的幾何結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。山體為長100 m、寬60 m、高100 m的中心對稱模型，隧道襯砌外徑為8 m、內(nèi)徑為7.2 m、厚度為0.4 m，網(wǎng)格劃分為C3D8R實體單元，有利于模型的計算收斂。

圖2 幾何結(jié)構(gòu)模型

山體材料用Drucker-Prager本構(gòu)模型表征，巖石材料參數(shù)如表1所示。襯砌所用的材料為C35混凝土，基本力學參數(shù)如表2所示。

表1 巖石材料參數(shù)

表2 襯砌材料參數(shù)

山體與襯砌之間的相互作用設(shè)置為TIE連接，兩級刀盤掘進與襯砌支護示意圖如圖3所示。

圖3 掘進與支護示意圖

1.3 兩級刀盤掘進模型工況

二級刀盤掘進的三維實體計算工況如下：山體和襯砌支護的重力加速度為9.8 m/s2，山體左右兩側(cè)、前后兩側(cè)施加圍壓25 MPa，山體上側(cè)施加圍壓50 MPa，側(cè)壓力系數(shù)Px/Py=0.5；二級掘進直徑為8 m，隧道埋深深度為50 m，掘進長度為30 m，襯砌支護與二級刀盤間距為3 m；掘進一級支護一級，支護厚度為0.4 m，支護材料為C35。

不同盤面間距設(shè)置五組模型，其一級刀盤直徑D1統(tǒng)一為4 m，如表3所示。不同一級刀盤直徑設(shè)置七組模型，其盤面間距統(tǒng)一為3 m，如表4所示。另外設(shè)置一個平面式刀盤掘進作為對照組，研究平面式刀盤和兩級刀盤掘進的區(qū)別。

表3 不同盤面間距模型組

表4 不同一級刀盤直徑模型組

2 兩級刀盤掘進數(shù)值模擬分析

基于能量率研究地應(yīng)力在不同體積范圍內(nèi)的釋放規(guī)律，對兩級刀盤的每一步掘進，均求得其能量率。能量率=能量/體積，能量為隧道掘進時山體體積范圍每次變化的應(yīng)力差值，體積為山體殘余體積。山體設(shè)置四種初始體積，體積一為20 m×20 m×60 m（寬×高×長），體積二為30 m×30 m×60 m，體積三為40 m×40 m×60 m，體積四為50 m×50 m×60 m，另外研究隧道在X、Y方向的形變。

2.1 不同盤面間距的數(shù)值模擬分析

模型一和模型二的4種不同原始體積和每次掘進后剩余體積的能量率變化曲線如圖4所示。橫軸為每次開挖所對應(yīng)的分析步，縱軸為能量率，其中，ea對應(yīng)的分析步為一級掘進部分，eb對應(yīng)的是二級掘進部分，e對應(yīng)的是一、二級掘進同步進行。模型一是一級掘進完成后，再進行二級掘進，由圖4可知，在一級掘進階段，模型一的能量率明顯高于其他模型；在二級掘進過程中，地應(yīng)力穩(wěn)定釋放，二級掘進初始階段能量率較高，在eb3步達到峰值37.04 J/m3。在整個掘進階段，只有一級掘進時模型一的能量率高于其他四組模型，其余階段模型一的能量率均低于其他四組模型。模型二、三、四、五在隧道掘進過程中的能量率走勢基本相同，以圖4（b）所示的模型二為例，在隧道一級掘進時地應(yīng)力釋放少，能量率最低；在隧道一、二級同時掘進時，能量率迅速增大，在e4分析步達到峰值45.88 J/m3。盤面間距使地應(yīng)力的釋放集中于兩刀盤面對應(yīng)處，但還是存在一定的應(yīng)力交匯，另外，一級掘進與二級掘進過程中的能量率之和基本與一、二級同時掘進過程中的能量率相等。分級掘進可以逐步釋放地應(yīng)力，降低一次性釋放地應(yīng)力的峰值，降低了巖爆發(fā)生的可能性，提高了隧道的安全性與穩(wěn)定性。在整個掘進過程中，隧道在X方向的變形量從1.74 mm穩(wěn)定減小到0.6 mm，Y方向的變形量由8.5 mm穩(wěn)定減小到2.2 mm。

圖4 能量率變化曲線

2.2 不同直徑一級刀盤的數(shù)值模擬分析

在七組模型中，取隧道掘進長度1 m、5 m、10 m、15 m、20 m和25 m處的能量率，做出曲線如圖5所示，七組模型在1 m節(jié)點處，只有一級刀盤起掘進作用，其中模型Ⅰ的能量率最小，為22.775 J/m3，接近一、二級同時掘進的能量率45.88 J/m3的一半，刀盤釋放的應(yīng)力值約為平面式刀盤的50%；模型Ⅶ的能量率最大，達到了30.27 J/m3。在其余節(jié)點處，兩級刀盤同時掘進，所以七組模型的能量釋放率規(guī)律基本相同。隧道掘進過程中，模型I的隧道變形量最小，X方向從1.9 mm減少到了0.7 mm，Y方向從8.8 mm減少到2.7 mm，對比說明模型I是七組模型中最優(yōu)的，可以使地應(yīng)力在一、二級掘進過程中均勻釋放，提高隧道穩(wěn)定性，減少隧道變形，降低巖爆發(fā)生的可能性。

圖5 七組模型不同節(jié)點處能量率

2.3 平面式刀盤的數(shù)值模擬分析

平面式刀盤的四種不同原始體積和每次掘進后剩余體積的能量率變化曲線如圖6所示。平面刀盤掘進與五組模型中的兩級刀盤同時掘進的能量率峰值相近，說明隧道掘進工程中，掘進相同體積釋放的地應(yīng)力相近，但是平面式刀盤的地應(yīng)力作用于一個刀盤，而兩級掘進式刀盤釋放的地應(yīng)力作用于兩個刀盤，因此雙刀盤結(jié)構(gòu)更為安全，可靠性高。另外，隧道掘進過程中，一級掘進與二級掘進對于隧道的位移變形量影響較小。

圖6 平面式刀盤能量率變化曲線

3 結(jié)論

針對護盾式全斷面巖石隧道掘進機（TBM）掘進大埋深山嶺隧道時，平面式刀盤直接掘進的巖爆風險高等問題，本研究進行了兩級螺旋式刀盤掘進圍巖過程的大型三維有限元數(shù)值模擬，研究盤面間距和一級刀盤直徑對圍巖變形和應(yīng)力釋放的影響規(guī)律，對于8 m直徑隧道的掘進結(jié)果表明：

1）當盤面間距為30 m時，即一級掘進完成后再進行二級掘進，可以避免兩級刀盤同時掘進過程中所引起的地應(yīng)力交匯現(xiàn)象。

2）一級刀盤直徑為2 m時，兩級螺旋式刀盤在隧道掘進中兩刀盤釋放的應(yīng)力值都約為平面式刀盤的50%?？杀ＷC地應(yīng)力的峰值達到最小，獲得良好的隧道穩(wěn)定性和較小的隧道位移變形。

3）螺旋式兩級刀盤的盤面間距對隧道形變的位移量影響不明顯，一級刀盤直徑對隧道形變的位移量影響明顯。在隧道末端，盤面間距統(tǒng)一為3 m時，一級刀盤直徑為2 m時隧道變形量在X方向僅為0.7 mm，Y方向為2.7 mm；一級刀盤直徑為5 m時隧道變形量在X方向為0.9 mm，Y方向為4.7 mm。