隧洞塌方引起的TBM刀盘被卡事故风险评估

2014-08-16 09:03:48，

长江科学院院报 2014年4期

，

(河南大学土木建筑学院，河南开封 475004)

1 研究背景

TBM是一种快捷、安全、环保的施工方法。同时，TBM施工需要的人员较少，可以节省大量的劳动力，是非常经济的。当然，同D&B(钻爆)法相比，TBM也有不少劣势，如没有D & B法灵活，地质适应性较差等。目前国内外有不少水工隧洞的开挖均采用了TBM施工，由于隧洞的开挖呈现超长深埋的趋势，因此TBM也面临高地应力、高地温、岩爆、大断裂带、高压引起的涌突水等带来的风险问题。如，在软弱岩体中掘进时产生的塌方或变形过大可能将TBM卡住。目前世界上已经有很多TBM被卡的事故，表1列出了几个采用TBM施工被卡事故的工程实例[1-5]。

表1 TBM卡机事故的工程实例

TBM被卡事故通常分为护盾被卡和刀盘被卡2种。目前关于护盾被卡事故已有不少研究，如E. Farrokh将收敛-约束法应用于TBM护盾卡机计算，温森等[6]采用风险分析方法研究卡机事故等。引起TBM刀盘被困原因较为复杂，如，存在较大的塌方；在工作面分布有一定节理或遇到上下盘岩性差异很大的断层；此外还与TBM的姿态以及司机操作有直接的关系。本文主要针对塌方引起的TBM事故进行研究。赵第厚[7]曾采用确定性方法对塌方引起的事故进行了研究。由于洞室地质条件的不确定性，而岩土工程材料包含了很复杂的不确定性影响因素，它们的取值随时间或空间随机变化。因此确定性分析所得出的结果往往不能反映真实情况，必须引入概率分析的手段[8]，因此很有必要采用风险分析理论分析刀盘被卡事故。

2 刀盘被困理论分析

TBM刀盘被困事故中，由隧洞塌方引起的占有较大的比例，原因是TBM刀盘对塌方比较敏感。刀盘临近掌子面，由于掌子面效应，洞室径向变形很小，因此下面的推导忽略了挤压变形产生的阻力矩。图1为隧洞压力的计算图[7]。图中的ht为围岩的塌方高度，关于它的取值问题，后面将详细介绍；T为TBM主机的质量；φ为岩体的内摩擦角；γ为塌方岩体的重度；D为洞室的直径；L为护盾长度。

图1 松动压力计算示意图[7]

TBM刀盘旋转时，需要克服3个方面的力矩，即：刀盘边缘摩擦力矩Fr1、刀盘前方的摩擦力矩Fr2和滚刀旋转阻力矩Fr3。下面分别介绍这3个阻力力矩的计算方法。

设刀盘边缘与围岩的摩擦因数为μ1，刀盘宽度为d。首先计算Fr1，假设4个方向的应力分别作用在刀盘的1/4周长上面，则有

(1)

式中:q1,q2分别为刀盘顶部、底部的平均应力；e1，e2分别为刀盘最小、最大侧压应力。

设刀盘前面与破碎岩体的摩擦因数为μ2，为了计算方便，取e1与e2的平均值作为侧向应力的等效应力，则有

(2)

Fr3[9]可以表示为

(3)

式中：n为刀盘上滚刀的总数；ξ为滚刀的阻力系数，一般取0.15～0.20；Ri为每把滚刀在刀盘上的回转半径；Fi为滚刀的作用力，取值范围为210～310 kN，常选取240 kN[9]。

则总的阻力矩Fr为

Fr=Fr1+Fr2+Fr3。

(4)

计算阻力矩时，要充分考虑其中一些参数的随机性，如围岩的塌方高度ht，因此计算出的总阻力矩Fr也是一个随机量。设TBM刀盘额定扭矩为Tr，它通常是一个确定性量，则根据式(5)可以计算阻力矩大于或小于某一扭矩值的概率Pf为

Pf=P(Fr<λTr或Fr>λTr) 。

(5)

式中λ为参数。

从图1可以看出，计算阻力矩关键在于确定围岩的塌方高度ht。围岩的塌方高度目前主要是通过经验总结获取的。

蔡美峰等[10]给出了Ⅰ—Ⅴ级围岩的自稳能力，指出，小塌方、中塌方和大塌方的塌方高度分别为小于3 m，3～6 m和大于6 m。给出的塌方高度都是一个范围，因此在计算时可考虑塌方高度的不确定性。在计算时可以近似认为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级围岩不考虑塌方，计算围岩压力时只考虑变形压力而不考虑松动压力。Ⅴ级围岩无自稳能力，计算压力时可只考虑松动压力。对于Ⅳ级围岩计算支护压力时仍以变形压力为主，但是在计算刀盘阻力矩时只考虑松动压力，如此是可以接受的，因为刀盘附近掌子面效应显著，基本可以忽略变形压力对刀盘的影响。

3 刀盘风险评价矩阵的研究

第2节介绍了如何计算作用在刀盘上的阻力矩，采用式(5)可以计算阻力矩大于或小于某一扭矩值的概率。计算了这一概率值，如果要想判断塌方对刀盘造成的风险事故的后果等级，就要有相应的判断准则，这就需要结合TBM自身的情况研究合适的评价方法。

为了评价岩体塌方对刀盘旋转的影响，k为安全系数(TBM的额定扭矩通常是在一定的条件下才能发挥出来，在不同的条件下应根据具体的情况进行折减，同时为了具有一定的安全储备，因此这里取k>1)，阻力产生的扭矩为Fr，如果TBM的刀盘能够正常旋转，则需要满足下式：

Tr/k≥Fr。

(6)

根据塌方对刀盘的作用情况，将塌方引起的TBM刀盘被困后果划分为以下5个等级：

(1) 没有塌方，TBM的刀盘没有受到落石的干扰，刀盘的运行没有受到威胁，可以正常工作，因此对应的后果是不予考虑的，是“可以忽略的”；

(2) 存在塌方，但是Fr

(3)Fr≥Tr/k且Fr

(4)Fr≥Tr，此时刀盘完全不能旋转，TBM彻底被困，脱困非常麻烦，将导致较大的工期延误，损失将非常严重，因此可以规定后果为“非常严重的”；

(5) 设塌方作用在刀盘上的压力为Nd，刀盘能够承受的最大压力为λd，Nd≥λd时，刀盘被损毁，不仅会严重延误工期，也需要花费巨款更换新的部件，一般工程是难以接受的，所以后果为“灾难性的”。

塌方的判断是一个难点，对于断层区域的岩体，由于岩体破碎，质量等级较低，一般为Ⅳ级或Ⅴ级，因此，可以认为TBM经过该区域时即发生塌方；但是非断层破碎区域也可能发生塌方，比如节理化严重的岩体等，也就是说断层区域的存在是塌方产生的充分不必要条件。对于节理岩体也是根据岩体的质量等级判断在刀盘处是否发生塌方；对于Ⅴ级的岩体，由于岩体无自稳能力，因此认为发生塌方；Ⅳ级岩体，自稳能力较差，因此也可认为在掌子面发生塌方。其它等级的围岩不考虑塌方。关于塌方的高度可以根据岩体的质量等级进行定性判定。

根据概率等级，结合上面划分的5个后果等级，提出表2的刀盘风险评价矩阵，再结合已有的风险接受准则，即可确定风险等级。

表2 TBM施工刀盘单元风险评价矩阵

4 实例分析

选取伊朗的Ghomroud输水隧洞这一工程实例进行验证。隧洞开挖直径为4.5 m，主要采用双护盾TBM进行施工，当然在开挖过程中也出现过一些停机，如塌方导致的刀盘被困，大变形导致的护盾被卡等。这里首先验证刀盘被困事故。TBM在经过JⅢ区域时，曾经发生了刀盘被困事故。表3[11]为TBM使用的技术指标，图2为隧道开挖概况，表4给出了一些岩性基本描述。其中，σci为岩石单轴抗压强度，mi为组成岩体完整岩块的Hoek-Brown常数。

表3 双护盾TBM的技术指标[11]

注：刀盘的脱困扭矩是采用马尔黑隧道中ITS掘进机的数据。

图2 隧道开挖概况

发生刀盘被困事故的JⅢ区域为Ⅳ类围岩。隧洞跨度为4.5 m，隧洞在掘进过程中可能发生小塌方，塌方高度小于3 m，假设在0～2 m范围内，服从截尾正态分布，均值和均方差分别为1.0 m和0.5 m。内摩擦角取值为20°～30°，假设服从截尾正态分布，均值和均方差分别为25°和5°。岩体的密度为2 400 kg/m3，刀盘的宽度d取为0.91 m。摩擦因数μ1和μ2均取为0.2，安全储备系数k取1.5。

表4 岩性描述和特征

首先根据公式(3)计算Fr3，式中ξ取为0.15，Fi取为210 kN，则

2×0.106+2×0.159+13×2.034+8×1.284+

9×0.534)=1 327.9 (kN·m) 。

(7)

图3 阻力矩柱状图

Fr3是确定的，另外2个阻力矩为随机变量，根据前面确定的参数概率分布进行计算，采用Monte-Carlo进行模拟5 000次，则可以得到图3的总阻力矩柱状图。

TBM的脱困扭矩为2 600 kN·m，安全储备系数取1.5，因此，根据表2提出的风险评价矩阵进行计算可以得到表5的计算结果。表5给出了不同的后果等级发生的概率。

根据表5可知，刀盘发生损失后果等级为“严重的”的概率为30.58%，这一概率表示发生该后果等级是“非常可能的”。根据文献中的报道，该段在施工中的确发生了事故，说明计算结果符合实际情况。

表5 TBM单元刀盘风险事故计算结果

5 结语

(1) TBM刀盘被困可能是由于塌方所致，确定刀盘是否被困主要是比较阻力矩与扭矩的关系。阻力矩大小是由塌方高度决定，依据塌方高度的随机特性和概率理论，建立了计算刀盘被困概率的计算公式。

(2) 根据塌方产生的阻力矩的大小和TBM刀盘参数将刀盘被困的后果分为5个等级，并结合已有的概率等级提出了刀盘的风险评价矩阵。

(3) 通过工程实例计算，验证了刀盘被困风险计算公式以及刀盘风险评价矩阵的合理性。

参考文献：

[1] 刘波. 全断面双护盾掘进机在引黄工程断层破碎带的卡机处理[J]. 山西水利科技，2007，(2)：13-15.(LIU Bo. Treatment of Seizing Machine of Double Shield TBM in Cracked Faulted Zone of Tunnel of YRDP[J]. Shanxi Hydrotechnics, 2007，(2)：13-15.(in Chinese))

[2] 宋天田, 肖正学，苏华友，等. 上公山TBM施工2.22卡机事故工程地质分析[J]. 岩石力学与工程学报，2004，23(增1)：4544-4546.(SONG Tian-tian，XIAO Zheng-xue, SU Hua-you，etal．Engineering Geological Analysis on 2.22 Blockage Accident in TBM Construction of Shanggongshan Tunnel[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2004，23(Sup.1)：4544-4546.(in Chinese))

[3] 尚彦军，史永跃，曾庆利，等. 昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J]. 岩石力学与工程学报，2005，24(21)：3858-3863.(SHANG Yan-jun, SHI Yong-yue, ZENG Qing-li,etal. TBM Jamming and Deformation in Complicated Geological Condition and Engineering Measures[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005，24(21)：3858-3863.(in Chinese))

[4] HOEK E, BROWN E T. Practical Estimate of Rock Mass Strength[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 1997, 34(8)：1165-1186.

[5] FARROKH E, MORTAZAVI A, SHAMSI G. Evaluation of Ground Convergence and Squeezing Potential in the TBM Driven Ghomroud Tunnel Project[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21(5)：504-510.

[6] 温森，徐卫亚. 深埋隧洞TBM卡机事故风险分析[J]. 长江科学院院报，2008，25(5)：135-138.(WEN Sen, XU Wei-ya. Risk Analysis on TBM Jamming in Deep Buried Tunnel[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2008，25(5)：135-138.(in Chinese))

[7] 赵第厚. TBM卡机的原因和对策[J]. 山西水利科技，2008，(3)：46-48.(ZHAO Di-hou. The Causes of Seizing TBM and Countermeasures [J]. Shanxi Hydrotechnics, 2008，(3)：46-48.(in Chinese))

[8] 何海健，项彦勇，刘维宁. 地铁施工引起邻近桥梁桩基差异沉降的概率分析[J]. 岩石力学与工程学报，2007, 26(增1)：3257-3265.(HE Hai-jian，XIANG Yan-yong，LIU Wei-ning．Probabilistic Analysis of Tunneling- Induced Differential Settlement of a Pile-Supported Urban Overpass[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007, 26(Sup.1)：3257-3265.(in Chinese))

[9] 王梦恕. 岩石隧道掘进机(TBM)施工及工程实例[M]. 北京：中国铁道出版社，2004.(WANG Meng-shu. Rock Tunnel Boring Machine (TBM) Construction and Engineering Examples[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2004.(in Chinese))

[10] 蔡美峰，何满潮，刘东燕. 岩石力学与工程[M]. 北京：科学出版社，2002.(CAI Mei-feng, HE Man-chao, LIU Dong-yan. Rock Mechanics and Engineering[M]. Beijing: Science Press, 2002.(in Chinese))