深埋隧道兩級(jí)螺旋式刀盤掘進(jìn)地應(yīng)力釋放機(jī)理研究*

靳心雨 ，耿 麒 ，張俊杰

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)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(jìn)機(jī)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(jì)了一種適應(yīng)于EPB和TBM兩種模式的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)。李建芳等[3]設(shè)計(jì)了三種不同肋板厚度的TBM刀盤，對(duì)三種TBM刀盤進(jìn)行了位移與應(yīng)力的對(duì)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(xué)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(duì)隧道開挖誘發(fā)地表沉降的三維理論解進(jìn)行了修正，驗(yàn)證了三維地表沉降修正理論解的可行性。鄧立營等[6]對(duì)刀盤的工作載荷工況和結(jié)構(gòu)形式進(jìn)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(fù)合盾構(gòu)刀盤的受力特性，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高了刀盤的安全性和經(jīng)濟(jì)性。閆利鵬等[8]針對(duì)高強(qiáng)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(jì)的效率。袁帥等[9]建立了考慮孔隙水壓力影響的隨機(jī)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(hù)力。以上研究主要針對(duì)平面式刀盤本身結(jié)構(gòu)和平面式刀盤隧道掘進(jìn)對(duì)地層的影響，但在掘進(jìn)大埋深山嶺隧道時(shí)，平面式刀盤直接掘進(jìn)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)較高，為了克服這個(gè)問題，本研究采用兩級(jí)刀盤掘進(jìn)，通過ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究兩級(jí)刀盤掘進(jìn)下，不同盤面間距、不同一級(jí)刀盤直徑對(duì)隧道形變和隧道掘進(jìn)過程中地應(yīng)力釋放機(jī)理與內(nèi)能量率的影響，并得到較好的合理取值。

1 兩級(jí)刀盤掘進(jìn)模型構(gòu)建

1.1 兩級(jí)螺旋式TBM刀盤結(jié)構(gòu)方案

耿麒等[10-12]提出了兩級(jí)刀盤的基本結(jié)構(gòu)形式，即兩級(jí)刀盤為同軸的前小后大階錐式結(jié)構(gòu)，前后兩級(jí)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(dòng)力和推進(jìn)通過法蘭傳遞到二級(jí)刀盤。這種結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有考慮出碴方案的設(shè)計(jì)，導(dǎo)致一級(jí)刀盤腔體內(nèi)的巖碴無法轉(zhuǎn)運(yùn)到皮帶輸送機(jī)上，皮帶輸送機(jī)僅能輸送二級(jí)刀盤腔體內(nèi)的巖碴。鑒于此，耿麒等[13]對(duì)現(xiàn)有的兩級(jí)刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并采用顆粒離散元方法構(gòu)建數(shù)值模型，模擬TBM兩級(jí)刀盤出渣過程，并進(jìn)行出渣縮比試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模型的可靠性。本研究所采用的兩級(jí)螺旋式TBM刀盤結(jié)構(gòu)如圖1所示，于一級(jí)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(jí)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(jí)刀盤的內(nèi)腔均設(shè)置溜碴板；一級(jí)刀盤的掘進(jìn)直徑為D1，二級(jí)刀盤的掘進(jìn)直徑為D2，盤面間距即連接鋼筒的長度。

圖1 兩級(jí)螺旋式刀盤幾何結(jié)構(gòu)

1.2 兩級(jí)刀盤掘進(jìn)三維實(shí)體建模

本研究采用生死單元法來進(jìn)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(duì)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(shí)體單元，有利于模型的計(jì)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(xué)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(jí)刀盤掘進(jìn)與襯砌支護(hù)示意圖如圖3所示。

圖3 掘進(jìn)與支護(hù)示意圖

1.3 兩級(jí)刀盤掘進(jìn)模型工況

二級(jí)刀盤掘進(jìn)的三維實(shí)體計(jì)算工況如下：山體和襯砌支護(hù)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(jí)掘進(jìn)直徑為8 m，隧道埋深深度為50 m，掘進(jìn)長度為30 m，襯砌支護(hù)與二級(jí)刀盤間距為3 m；掘進(jìn)一級(jí)支護(hù)一級(jí)，支護(hù)厚度為0.4 m，支護(hù)材料為C35。

不同盤面間距設(shè)置五組模型，其一級(jí)刀盤直徑D1統(tǒng)一為4 m，如表3所示。不同一級(jí)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(gè)平面式刀盤掘進(jìn)作為對(duì)照組，研究平面式刀盤和兩級(jí)刀盤掘進(jìn)的區(qū)別。

表3 不同盤面間距模型組

表4 不同一級(jí)刀盤直徑模型組

2 兩級(jí)刀盤掘進(jìn)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(duì)兩級(jí)刀盤的每一步掘進(jìn)，均求得其能量率。能量率=能量/體積，能量為隧道掘進(jìn)時(shí)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(jìn)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(duì)應(yīng)的分析步，縱軸為能量率，其中，ea對(duì)應(yīng)的分析步為一級(jí)掘進(jìn)部分，eb對(duì)應(yīng)的是二級(jí)掘進(jìn)部分，e對(duì)應(yīng)的是一、二級(jí)掘進(jìn)同步進(jìn)行。模型一是一級(jí)掘進(jìn)完成后，再進(jìn)行二級(jí)掘進(jìn)，由圖4可知，在一級(jí)掘進(jìn)階段，模型一的能量率明顯高于其他模型；在二級(jí)掘進(jìn)過程中，地應(yīng)力穩(wěn)定釋放，二級(jí)掘進(jìn)初始階段能量率較高，在eb3步達(dá)到峰值37.04 J/m3。在整個(gè)掘進(jìn)階段，只有一級(jí)掘進(jìn)時(shí)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(jìn)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(jí)掘進(jìn)時(shí)地應(yīng)力釋放少，能量率最低；在隧道一、二級(jí)同時(shí)掘進(jìn)時(shí)，能量率迅速增大，在e4分析步達(dá)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(duì)應(yīng)處，但還是存在一定的應(yīng)力交匯，另外，一級(jí)掘進(jìn)與二級(jí)掘進(jìn)過程中的能量率之和基本與一、二級(jí)同時(shí)掘進(jìn)過程中的能量率相等。分級(jí)掘進(jìn)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(gè)掘進(jìn)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(jí)刀盤的數(shù)值模擬分析

在七組模型中，取隧道掘進(jìn)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(diǎn)處，只有一級(jí)刀盤起掘進(jìn)作用，其中模型Ⅰ的能量率最小，為22.775 J/m3，接近一、二級(jí)同時(shí)掘進(jìn)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(dá)到了30.27 J/m3。在其余節(jié)點(diǎn)處，兩級(jí)刀盤同時(shí)掘進(jìn)，所以七組模型的能量釋放率規(guī)律基本相同。隧道掘進(jìn)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(duì)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(jí)掘進(jìn)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(diǎn)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(jìn)后剩余體積的能量率變化曲線如圖6所示。平面刀盤掘進(jìn)與五組模型中的兩級(jí)刀盤同時(shí)掘進(jìn)的能量率峰值相近，說明隧道掘進(jìn)工程中，掘進(jìn)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(gè)刀盤，而兩級(jí)掘進(jìn)式刀盤釋放的地應(yīng)力作用于兩個(gè)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(jìn)過程中，一級(jí)掘進(jìn)與二級(jí)掘進(jìn)對(duì)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(duì)護(hù)盾式全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）掘進(jìn)大埋深山嶺隧道時(shí)，平面式刀盤直接掘進(jìn)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)高等問題，本研究進(jìn)行了兩級(jí)螺旋式刀盤掘進(jìn)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(jí)刀盤直徑對(duì)圍巖變形和應(yīng)力釋放的影響規(guī)律，對(duì)于8 m直徑隧道的掘進(jìn)結(jié)果表明：

1）當(dāng)盤面間距為30 m時(shí)，即一級(jí)掘進(jìn)完成后再進(jìn)行二級(jí)掘進(jìn)，可以避免兩級(jí)刀盤同時(shí)掘進(jìn)過程中所引起的地應(yīng)力交匯現(xiàn)象。

2）一級(jí)刀盤直徑為2 m時(shí)，兩級(jí)螺旋式刀盤在隧道掘進(jìn)中兩刀盤釋放的應(yīng)力值都約為平面式刀盤的50%。可保證地應(yīng)力的峰值達(dá)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(jí)刀盤的盤面間距對(duì)隧道形變的位移量影響不明顯，一級(jí)刀盤直徑對(duì)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(shí)，一級(jí)刀盤直徑為2 m時(shí)隧道變形量在X方向僅為0.7 mm，Y方向?yàn)?.7 mm；一級(jí)刀盤直徑為5 m時(shí)隧道變形量在X方向?yàn)?.9 mm，Y方向?yàn)?.7 mm。