深埋隧洞雙護盾TBM施工仿真分析的關鍵技術初探

孫 博

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

深埋隧洞雙護盾TBM施工仿真分析的關鍵技術初探

孫 博

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，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、總結并初步探討數值模擬深埋隧洞雙護盾TBM施工過程的關鍵技術。基于已有研究成果，采用FLAC3D軟件及其自帶FISH語言，在局部改進的基礎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； 數值仿真分析； 關鍵技術

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，高埋深、長距離隧洞的設計與施工已成為國內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卡機現象，延誤工期。總體來看，兩種施工方式各有優缺點，一般情況下采用何種施工方式主要是由地質條件決定的。根據已有的工程經驗可知，當隧洞埋深超過1 000 m、甚至2 000 m時，施工過程中隧洞發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施工是一種較優的選擇。因此，本文針對深埋隧洞雙護盾TBM施工過程數值仿真分析的關鍵技術進行初步探討，以期從數值分析上預判雙護盾TBM施工過程中可能出現的各種問題，為隧洞的施工過程及支護設計提供參考。

1 研究現狀

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致的卡機問題[6-7]。針對該問題，國內外眾多學者從雙護盾TBM機械構造、掘進過程及處理措施等方面進行了相關研究。從數值分析來看，現階段主要研究成果如下：

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

從現有的研究成果來看，國內外已經在采用數值方法分析雙護盾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施工掘進過程的數值模擬關鍵技術進行深入探討。

2 關鍵技術的探討

根據目前雙護盾TBM施工仿真分析的研究成果，同時結合現階段深埋隧洞采用雙護盾TBM遇到的各種問題，現將數值模擬深埋隧洞雙護盾TBM施工過程的關鍵技術匯總如下：

(1)圍巖本構模型的選擇：對于深埋隧洞來說，其圍巖力學特征與淺埋隧洞差別較大，表現出高度的非線性特征。對于硬巖，其峰后應力跌落特征非常明顯，在數值模擬中常采用彈脆塑性本構模型，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雜性，現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，應進一步考慮硬巖本構模型的選擇和軟巖蠕變效應對計算成果準確性的影響。

(2)外水壓力的影響：在深埋隧洞施工過程中，高外水是經常遇到的一大難題，對圍巖穩定及施工造成極大影響。但是在現有的研究成果中，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]通過圍巖應力釋放率來粗略考慮掘進速率，但該方法只能應用于有限差分法，而無法應用于有限單元法。此外，該方法模擬的準確性嚴重依賴于應力釋放率的取值，對計算人員要求較高。同時，文獻[11]中圍巖應力釋放率采用的計算步數是固定的；而在實際計算過程中，不同開挖步達到同一應力釋放率需要的計算步數是不同的，這點在后續工作中需要進一步改進。

(4)圍巖與護盾的相互作用：在數值分析中，模擬圍巖與護盾的相互作用是判斷護盾卡機的關鍵。現有研究成果中，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生卡機。此技術的關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，其力學特性是與灌漿材料及時間密切相關的。但在數值模擬中，如果按實際施工過程考慮，則一方面會導致計算模型過大而無法計算，另一方面會導致計算過程十分復雜，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。該簡化方法是根據已有深埋隧洞監測結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”單元法會導致圍巖損傷塑性區過大，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。但現有文獻[10-12]大都未考慮此因素，在后續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，初步實現了雙護盾TBM施工過程的數值仿真程序，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圍巖的逐步開挖，該過程是通過FISH語言實現的。此步驟的改進，可使圍巖變形及塑性損傷區等結果更符合雙護盾TBM施工掘進的實測成果;

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

3 實例分析

基于現有研究成果，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。根據這三個目的，且考慮計算的簡化，計算模型應包含的對象有圍巖、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，可根據計算分析的內容、規模及計算軟件確定。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，計算模型的尺寸應不小于隧洞洞徑的20倍。在實際應用時，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，可根據初始地應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)初始地應力平衡。在進行初始地應力平衡之前，首先賦空非圍巖單元(刀盤、前護盾、尾盾、管片和豆礫石)，然后按照常規方法進行初始地應力平衡的計算。

(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。當圍巖的變形模量弱化完成后，賦空相應圍巖；同時前護盾和尾盾均前進一步，且相應的末端單元賦空，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力釋放率控制計算何時終止。

(3)豆礫石和管片支護。當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，還需根據圍巖是硬巖還是軟巖確定豆礫石如何考慮。當圍巖為硬巖時，豆礫石直接按硬化狀態考慮；當圍巖為軟巖時，豆礫石先按軟化狀態考慮，隨后按硬化狀態考慮。根據筆者的計算分析，建議當圍巖類別為Ⅱ、Ⅲ類時，豆礫石按硬化狀態考慮；當圍巖類別為Ⅳ、Ⅴ類時，豆礫石按軟化和硬化兩種狀態考慮。

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

3.3 結果分析內容

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

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

(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語言對接觸面節點法向應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。當分析完圍巖穩定性和雙護盾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定性。當雙護盾TBM卡機時，管片受力可不做分析；但當雙護盾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，對其施工掘進的結果進行分析。圖3～4分別為圍巖豎向位移云圖及其塑性區分布(圖中位移單位以m計；塑性區中深色區表示張拉-剪切屈服，淺色區表示剪切屈服)。從位移來看，頂拱沉降為-123.7 mm，底拱向上鼓起129.2 mm。從圍巖塑性區來看，洞周0.6 m范圍內為拉-剪破壞，向內2.8 m范圍內基本為剪切破壞。僅從圍巖位移和塑性區來看，圍巖可初步認為是穩定的。

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力云圖。

圖3 圍巖豎向位移云圖 圖4 圍巖塑性區分布

圖7 尾盾處圍巖水平向變形 圖8 尾盾接觸面法向應力

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生接觸。接觸面法向應力最大值為37.61 MPa，較大法向應力主要位于后部一環。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生了接觸。接觸面法向應力最大值為21.64 MPa，較大法向應力主要分布在兩腰。

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會發生卡機現象。

由于雙護盾TBM會發生卡機現象，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 管片第三主應力云圖

4 結 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力釋放率兩方面進行了改進。總體來看，現有程序還不完善，還無法考慮外水、超前處理措施及時間效應等因素的影響，在后續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用價值。

[1] 編纂委員會.巖石隧道掘進機(TBM)施工及工程實例[M].北京:中國鐵道出版社，2004.

[2] 山西省萬家寨引黃工程管理局.雙護盾TBM的應用與研究[M].北京:中國水利水電出版社,2011.

[3] 杜士斌.開敞式TBM的應用[M].北京:中國水利水電出版社，2011.

[4] 吳世勇，周濟芳，陳炳瑞，等.錦屏二級水電站引水隧洞TBM開挖方案對巖爆風險影響研究[J].巖石力學與工程學報,2015,34(4)：1-7.

[5] Q.M. GONG, L.J. YIN, S.Y. WU, et al. Rock burst and slabbing failure and its influence on TBM excavation at headrace tunnels in Jinping Ⅱ hydropower station[J]. Engineering Geology, 2012, 124(4): 98-108.

[6] 劉泉聲，黃興，時凱，等. 超千米深部全斷面巖石掘進機卡機機理[J]. 煤炭學報, 2013, 38(1)：78-84.

[7] 黃興. 深部軟弱地層TBM掘進圍巖擠壓大變形與卡機致災機制[D]. 武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2014.

[8] 劉泉聲，黃興，時凱，等. 深部擠壓性地層TBM掘進卡機孕育致災機理[J]. 煤炭學報，2014,39(增1)：75-82.

[9] 杜立杰，齊志沖，韓小亮，等. 基于現場數據的TBM可掘進性和掘進性能預測方法[J]. 煤炭學報，2015,40(6)：1248-1289.

[10]Kai Zhao, Michele Janutolo, Giovanni Barla. A completely 3D model for the simulation of mechanized tunnel excavation[J]. Rock Mech Rock Eng, 2012,45(4): 475-497.

[11]Rohola Hasanpour, Jamal Rostami, Bahtiyar Yunver. 3D finite difference model for simulation of double shield TBM tunneling in squeezing grounds[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014, 40(2): 109-126.

[12]Kai Zhao, Michele Janutolo, Giovanni Barla, et al. 3D simulation of TBM excavation in brittle rock associated with fault zones: the Brenner Exploratory Tunnel case[J]. Engineering Geology, 2014, 181: 93-111.

[13]程建龍，楊圣奇，杜立坤，等. 復合地層中雙護盾TBM與圍巖相互作用機制三維數值模擬研究[J]. 巖石力學與工程學報，2016,35(3)：511-523.

[14]Ramoni M, Anagnostou G. On the feasibility of TBM drives in squeezing rock conditions[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21(3-4): 262-268.

[15]Ramoni M, Anagnostou G. Tunnel boring machines under squeezing conditions[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(2): 139-157.

[16]Ramoni M, Anagnostou G. The interaction between shield, ground and tunnel support in TBM tunneling through squeezing conditions[J]. Rock Mech Rock Eng, 2011, 44(1): 37-61.

[17]Itasca Consulting Group. FLAC 3D, fast lagrangian analysis of continua in 3dimensions, version 5.0[M]. Itasca Consulting Group, Minneapolis, Minnesota, USA, 2012.

[18]Eberhardt E. Numerical modelling of three-dimension stress rotation ahead of an advancing tunnel face[J]. Int J Rock Mech Min Sci, 2001, 38(4):499-518.

[19]Graziani A, Ribacchi R, Capata A. 3D modelling of TBM excavation in squeezing rock masses[C]. Brenner Basistunnel und Zulaufstrecken, Internationales Symposium BBT 2007, Innsbruck, Austria. Innsbruck University Press, Innsbruck, 2007.

2017-01-12

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

TV554

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