適用于模擬復雜地質條件的微型TBM試驗系統研制及應用

趙海雷, 曾垂剛， 王利明， *， 潘東江， 楊振興， 趙自記, 李宏波

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 3. 鄭州貞觀電子科技有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

作為目前最先進的巖石隧道施工設備，全斷面硬巖隧道掘進機(tunnel boring machine)集掘進、支護、出渣等施工工序為一體，是機、電、液、光、氣等系統集成的工廠化流水線隧道施工裝備，具有掘進速度快、環保、綜合效益高等優點[1-3]。隨著西部大開發的進一步發展，中國有關水利水電和道路的修建重心正在向地形、地質條件更加復雜的西部山區轉移，且大部分隧道的修建將采用TBM施工，如高地應力、高富水、強巖溶、極破碎等復雜的地質條件會給隧道施工帶來極大挑戰[4-7]。因此，在采用TBM施工之前，掌握復雜地質條件下開挖過程中隧道場的變化規律，并提出相應的施工預案，是有效預防復雜地質條件產生不良影響的關鍵。但是，由于施工條件和環境的限制，現場試驗幾乎很難完成。

目前，針對復雜地質條件下TBM開挖隧道場變化規律的研究，主要方法包括理論分析、數值模擬和模型試驗等。理論分析在處理隧道場變化規律時，對于復雜圍巖的處理有很多局限性，分析結果往往不太理想； 數值模擬則在本構模型和邊界條件選取等方面無法準確表征圍巖的力學特性，在模擬復雜地質條件下的工程問題方面存在先天不足[8]； 而地質力學模型試驗能以現場復雜地質探勘數據為原型，通過相似比例的方法，準確模擬隧道開挖過程，直觀反映復雜地質條件內部的隧道場變化規律，能夠彌補理論分析和數值模擬的不足之處，得到業內廣泛推廣應用。

開展室內地質力學模型試驗，需要設計性能可靠、功能先進的模型試驗系統。目前，國內外針對地質力學模型試驗系統的研究主要有： 朱維申等[9-10]研制了高地應力條件下洞群穩定性地質力學模型，并以大渡河上雙江口水電站為工程背景，綜合介紹了高地應力條件下洞群穩定性地質力學模型試驗； 張慶松等[11]研制了斷層破碎帶突水突泥模型試驗系統，研究了揭露斷層后的隧道圍巖滲流壓力、應力應變、位移以及涌出物等特征參數的變化規律； 李術才等[12-13]研制了海底隧道新型可拓展突水模型試驗系統，該模型可揭示開挖及突水災變演化過程中斷層及普通圍巖多物理場信息演化規律； 李浪等[14]研制了深長隧道突水地質災害三維模型試驗系統，該試驗系統已在成蘭鐵路線龍門山隧道的突水三維模型試驗中應用，獲得了突水災害發生時最小隔水安全厚度；為模擬深部巖體在高地應力條件下的非線性變形破壞特征，張強勇等[15]研制出一種高地應力真三維加載地質力學模型試驗系統，揭示了深部巷道圍巖分區破裂的非線性變形破壞現象； 李瀚源等[16]基于盾構隧道縱向等效連續化模型，開展了隱伏斷層錯動對盾構隧道影響的模型試驗，獲得了相應的影響規律； 宋偉濤等[17]利用φ280 mm 模型盾構試驗平臺開展盾構掘進模型試驗，揭示了砂卵石地層盾構掘進過程中地表沉降規律及開挖面失穩破壞機理。

但是，以上研究并沒有針對大埋深、長大山嶺TBM掘進隧道進行設計，而是模擬鉆爆法開挖的方式，通過人工開挖的方法對隧道圍巖的應力應變進行研究，對于TBM掘進隧道場的變化規律不能開展相應的試驗。本文以滇中引水工程香爐山隧洞工程為依托，研制了一種能模擬高地應力、高水壓、斷層破碎帶、可溶巖以及其他復雜地質條件的微型TBM掘進系統。該掘進系統主要由微型掘進裝置、多功能巖箱、微型掘進機工位平移裝置、四聯液壓系統、多功能監測系統以及微型掘進機掘進控制系統等組成。該系統可以進行半斷面可視化掘進和全斷面高地應力模擬掘進，為現場高地應力大埋深復雜地質下TBM掘進提供可靠的參考資料； 同時，也可為各大科研院所及高校的研究，提供專業的平臺支持。

1 微型TBM模擬掘進系統的總體設計

定量模型的相似比一般取10～50。在本次試驗中，以云南滇中引水香爐山隧洞用TBM為原型，其開挖直徑為9.83 m，取幾何相似比28為基準，確定模型系統的相關參數。為滿足試驗要求，結合現場情況，在反復論證和充分調研的基礎上，確定微型TBM模擬掘進系統的總體設計要求如下。

1)掘進系統尺寸及功能： 長4 300 mm、高866 mm、寬1 200 mm，動力裝置采用80 t液壓油缸，最大行程可達1 300 mm； 80 t輪輻式傳感器可實時采集液壓油缸前進推力數據；采用規格為5.5 kW伺服電機，控制刀盤轉速在0～10 r/min可調，刀盤最大轉矩可達1 000 N·m； 連接固定架采用強度高、剛性大的鋼材，保證刀盤不栽頭； L1及L2區由PE管和有機玻璃組合而成，外徑350 mm、內徑300 mm，同時在管壁預留盲孔以便安裝壓力傳感器；盾體材質為有機玻璃，內徑310 mm、外徑350 mm。

2)多功能巖箱尺寸及功能： 巖箱外型尺寸為1 900 mm ×1 600 mm × 2 300 mm(長×寬×高)，巖箱內容積尺寸為1 500 mm × 1 200 mm ×1 600 mm(長×寬×高)，可以實現有壓力時TBM的全斷面掘進與無壓力時的TBM半斷面可視化掘進。

3)微型掘進機掘進控制系統功能： 可實現對油缸推進速度、刀盤轉速的實時控制，并將油缸總位移、掘進速度、轉矩和刀盤轉速實時記錄保存，可將數據結果保存為Excel格式。

研制該模型系統的主要目的是可以實現高地應力、高水壓、斷層破碎帶、可溶巖以及其他復雜地質條件的掘進模擬。掘進系統的設計與實物見圖1。

(a) 掘進系統設計圖

2 分系統詳細設計方案

2.1 掘進系統

掘進系統主要包括刀盤、盾體及支護分區、螺旋出土器、支撐底架與工位平移裝置。

2.1.1 刀盤設計

刀盤采用Q345結構鋼加工而成，刀盤凈直徑為350 mm，刀盤中心配備1把中心刀，中心刀周邊按照非線性布置了18把刮刀，最外層邊刮刀可實現擴挖直徑為354 mm，刀盤的掘進動力采用80 t液壓油缸，并配備80 t輪輻式傳感器，可實時采集液壓油缸前進推力數據，最大行程可達1 300 mm。該刀盤對單軸抗壓強度10 MPa以下相似材料的掘進都有很好的適應性。另外，為了應對更加復雜的工況或更加堅硬的材料，刀盤可以根據需要隨時更換。刀盤設計如圖2所示。

圖2 刀盤設計圖

2.1.2 盾體及支護分區

基于相似比計算，結合滇中引水香爐山隧道TBM護盾用材質的彈性模量，確定微型掘進裝置的護盾采用亞克力，并在護盾拱頂、拱肩和拱腰位置打設盲孔，便于安裝微型土壓力盒，監測掘進過程中圍巖壓力的變化。L1區及L2區由亞克力和PE管嵌套組成，外徑為350 mm，通過相似計算，L1及L2分區的嵌套組合可以模擬現場初噴混凝土的工況。同時，在分區相應位置打設盲孔，安裝微型土壓力盒，確保掘進過程中對支護區圍巖壓力的實時監測。掘進裝置盾體裝配及實物見圖3。

(a) 掘進裝置盾體裝配圖

2.1.3 出渣系統設計

微型TBM盾體內部空間有限，導致使用人工和皮帶機出渣均不方便。經過BIM仿真驗證，設備最終采用螺旋出土器出渣設計方案，見圖4，其安裝位置見圖中綠色部分，位于盾體底部。螺旋出土器的外管直徑為60 mm，葉片直徑為55 mm，允許渣土的最大粒徑為15 mm。螺旋出土器的速度可通過掘進控制系統面板在0～60 r/min切換調節。

圖4 出渣系統設計圖

2.1.4 支撐底架設計與作用

支撐底架具有雙重作用，在支撐底架上表面前側安裝微型掘進裝置，在其下方中間固定安裝有用來平移微型掘進裝置的升降架，保證掘進過程和工位平移的順利進行，其具體設計及實物見圖5。

(a) 支撐底架設計圖(單位： mm)

2.1.5 工位平移裝置

工位平移裝置肩負著掘進工況更換的重任，主要包括固定架、底座、外撐、內撐、起升液壓油缸、托架和平移液壓缸，如圖6所示。固定架左右兩側邊沿設置為導軌，導軌上滑動設置有底座，底座和固定架之間固定安裝有平移液壓油缸。同時底座左、右兩側分別連接有外撐和內撐，外撐中間和內撐中間采用轉動方式連接，外撐上端轉動連接有托架，內撐上端轉動連接有起升液壓油缸，起升液壓油缸下端轉動連接在固定架上，內撐上端支撐在支撐底架的底面上。該工位平移裝置可以實現掘進裝置半斷面掘進和全斷面掘進2種工況的自由切換。

圖6 工位平移裝置設計圖

2.2 多功能巖箱設計

為達到高地應力作用下隧道開挖的試驗目的，要求試驗發生裝置即主箱體具有強度高、承壓能力強等功能。主箱體為Q345結構鋼焊接而成，結構面采用高強螺栓拼裝而成，方便拆卸，內部尺寸為1 200 mm×1 500 mm×1 600 mm。巖箱用來盛裝相似土層，巖箱頂部固定安裝有四聯液壓系統，由4個70 t液壓油缸組成，可用來模擬地應力加載。四聯液壓系統下端固定安裝加載板，每個油缸加載板面積為600 mm×750 mm。加載板可以實現單點加載，也可以實現多點協同加載。四聯液壓系統通過四周螺栓與多功能巖箱相連接，最大可以模擬1.1 MPa的地應力，可以實現軟弱破碎地層均勻或局部高地應力的模擬。巖箱前側設置為透明的可視面，可視面對應微型掘進系統位置設置有滑窗，滑窗可用來滑動密封，可視面對應滑窗上下邊沿固定安裝有導輪，微型掘進系統前側卡設有與導輪配合的導向架，導向架用來支撐導向，以便順利完成半斷面掘進；巖箱前側的透明可視面可以更換為高強度鋼板面，以便完成不同工況下的掘進。巖箱左側側面設置有全斷面開口和半斷面開口。通過更換巖箱前側的工作面，可以分別實現半斷面可視化掘進和高應力下全斷面掘進。另外，與傳統反力架加載裝置相比，巖箱和液壓加載系統的一體化設計，大大減小了設備布置的空間。多功能巖箱實物見圖7。

(a) 半斷面可視化掘進

2.3 多功能監測系統

作為模型試驗的主要數據來源，監測系統發揮著相當重要的作用。該系統主要包括監測元件和數據采集裝置。監測元件主要有微型土壓力盒、位移計以及滲壓計等。另外，該系統在設計時充分考慮了監測儀器的布設通道以及監測內容。在掘進系統的盾體及支護分區，安裝了量程為1.5 MPa的土壓力盒，可以用來實時監測掘進過程中護盾及支護分區周邊的壓力變化。在多功能巖箱周邊和四聯液壓系統頂部均設置了傳感器布設通道，可供土壓力盒、位移傳感器以及滲壓計等監測設備的安裝，為試驗過程提供全方位的數據參數，實現多元信息數據的實時同步采集。多功能監測系統實物見圖8。

(a) 微型土壓力盒 (b) 多點位移計

2.4 微型掘進機掘進控制系統

掘進控制系統作為中樞大腦關鍵核心，具有控制掘進、加載和掘進工位平移的3大功能。掘進控制系統可實時監測和顯示掘進過程中的總位移、掘進速度、刀盤轉矩、刀盤轉速、刀盤推力、加載壓力等。為了對試驗過程進行安全保護和參數調整，開發了保護參數與工況參數設置的功能。報警一覽表的設置，可以對試驗過程中的報警時間、變量描述、報警類型等情況記錄備查，給試驗過程中的故障排查節省大量時間。另外，針對四聯液壓油缸的豎向加載控制，可實現1#～4#油缸的任意組合控制，以滿足不同試驗加載的個性化需求。所有的監測數據均以Excel輸出，方便后期數據處理。掘進控制系統界面如圖9所示。

圖9 掘進控制系統界面

3 微型TBM試驗系統的應用

3.1 試驗依托工程概況

應用效果驗證依托工程為滇中引水香爐山隧洞。該項目工程地質和水文地質條件復雜，堪稱“地質博物館”，幾乎涵蓋所有地下工程的不良地質，穿越褶皺構造2處、斷層12條(876 m)、活動大斷裂帶1條(156 m)、巖爆段4段(1 539 m)，軟巖大變形段8段(3 676 m)，淺埋暗挖長2 342 m(埋深30～80 m)，可溶巖段2段(12 km)，全隧最大涌水段涌水量3 600 m3/h，Ⅳ、Ⅴ類圍巖占標段長度的60%，且圍巖變化頻繁、施工連續性差、工程技術難度和施工地質風險超高，工程項目線路如圖10所示。

圖10 工程項目線路圖

3.2 復雜地質模擬及試驗方案

3.2.1 高地應力斷層破碎帶

基于依托工程復雜的地質概況，F12斷層為區域性大斷層，為室內試驗模擬的重點區域。TBM在高應力水平斷裂破碎帶中掘進，由于破碎圍巖和裂隙發育組合切割，隧洞開挖后極易形成不穩定塊體，產生頂拱掉塊、坍頂及彎折內鼓等變形破壞，TBM極易受困卡機，導致無法正常施工。

根據相似理論模擬隧洞圍巖及斷層破碎帶物理力學參數，相似比為28。根據香爐山隧洞地質勘察報告，確定隧洞普通圍巖模型按照Ⅲ2類圍巖配置相似材料，F12斷層按照Ⅴ類圍巖配置相似材料。經過實驗室內多組配比試驗，確定試驗隧洞圍巖選擇河砂作為骨料，水泥和石膏混合料作為膠結料。斷層破碎帶選擇重晶石粉、鐵粉和石英砂作為骨料配置成散體材料，重晶石粉質量∶鐵粉質量∶石英砂質量=1∶2∶1.333，其容重為20.6 kN/m3，內摩擦角為28°。基于多功能巖箱上部的四聯液壓系統，通過油缸加載，可以模擬高地應力的工況。當選擇4個油缸同時工作時，可以模擬均勻地應力加載工況； 當4個油缸不同時加載時，可以模擬偏壓地應力的工況。該模擬地質條件在巖箱中的布置及監測斷面如圖11所示。

(a) 斷層破碎帶布置方式 (b) 監測斷面

3.2.2 高水壓巖溶富水地層

香爐山隧洞巖溶水量大、隱伏溶洞不明，造成局部構造應力場異常問題，給現場TBM施工帶來了極大風險和挑戰，就此開展高水壓巖溶富水地層的固液耦合試驗。

為了能夠準確反映TBM掘進擾動誘發可溶巖突泥涌水區應力場重構規律，相似材料的選取與掘進方式的選擇至關重要。首先，基于多功能巖箱的設計，本次試驗采用可視化半斷面掘進方式，以便于直觀地感受TBM掘進至高水壓巖溶地層時突泥涌水的現象，同時便于監測圍巖應力場的重構規律。半斷面掘進的具體操作是先將微型TBM調整到半斷面掘進孔，然后安裝微型TBM與移動玻璃窗的連接架； 當TBM向前掘進時，移動玻璃窗以同樣的速度向前滑移，保證同掘同推的過程，見圖12。其次，本試驗中圍巖相似材料采用流固耦合相似材料，選擇砂、碳酸鈣、鐵粉、水泥、氯化石蠟、硅油為原材料。根據流固耦合相似理論，計算各參數相似比尺，經過多組配比試驗，測得本文相似材料的容重、強度、變形特征及水理特性均滿足試驗要求。溶洞布置方式及監測斷面如圖13所示。

圖12 半斷面掘進示意圖

(a) (b)

3.3 應用效果

基于研發的微型TBM試驗系統平臺及依托工程滇中引水香爐山隧洞的特殊地質情況，在現場開展試驗艱難和生產不允許的情況下，分別進行了室內模擬高地應力斷層破碎帶全斷面掘進和高水壓巖溶富水地層的半斷面可視化掘進試驗。試驗過程中分別對成洞效果、掘進參數設置、掘進參數波動情況以及設備運行情況等進行了記錄，分別得出如下結果： 1)成洞效果良好，設備運行平穩，參數按照設置目標波動幅度小且可輕松導出； 2)工位平移裝置使用流暢，加載系統保壓時間長，整體系統達到了預期效果。可根據現場地質條件，針對性地設計室內模擬試驗和數據分析，為現場TBM不良地質掘進提供可靠參數參考。同時，該試驗裝置的研發可為隧道掘進研究提供可靠的試驗平臺。圖14為不同掘進工況下的成洞效果。由圖可知，無論是半斷面掘進還是全斷面掘進，都具有較好的成洞效果。

(a) 半斷面可視化掘進

圖15示出了微型TBM進行全斷面高地應力斷層破碎地層掘進時的轉矩和推力曲線。刀盤的最大轉矩設計值為1 kN·m，隨著TBM掘進至硬巖與斷層破碎帶交界面，斷層破碎帶坍塌，大量渣土涌進刀盤，導致螺旋出土器不能及時排出渣土。隨著時間的推移，刀盤推力和轉矩逐漸增大，當轉矩達到1.2 kN·m，超過額定轉矩20%時，設備啟動了保護程序，刀盤轉矩和推力迅速降低，驗證了該設備具有復雜地層施工的實用性和較高的安全性。

(a) 轉矩曲線

4 結論與建議

1)研制的微型掘進裝置，實現了模擬現場掘進機的多項功能。開挖直徑達354 mm，轉速在0～10 r/min可調，最大轉矩可達1 300 N·m，最大推力可達800 kN，掘進行程可達1 400 mm。

2)研發的多功能巖箱可實現半斷面可視化和全斷面高應力模擬掘進。當巖箱的正側面更換為可視面時，可以實現半斷面的可視化掘進，同時可結合高速攝像機或者數字散斑等監測手段，展現掘進過程中巖土的破壞路徑和規律；當巖箱的正側面更換為高強度鋼板面時，可以模擬高地應力工況下多種復雜地質條件的開挖。

3)研發的多功能監測系統和掘進控制系統可為試驗過程提供全方位的數據參數，實現對多元信息實時同步數據采集。監測系統可完成對試驗過程中的圍巖壓力、位移、水壓等數據的實時采集； 掘進控制系統可對掘進過程中的總位移、掘進速度、刀盤轉矩、刀盤轉速、刀盤推力、加載壓力等實時監測和顯示。

研制的微型TBM試驗系統將通過針對重大工程項目地勘資料的提前試驗，為現場掘進提供可靠的參數指導。因此，建議重大工程在開工前或施工中，能夠針對復雜地質段提前開展室內模擬試驗。