双盾TBM掘进中超挖对盾构与地层的影响

杨 涵

(重庆交通大学，重庆 400041)

0 前 言

双盾TBM(DS-TBM)是运用于隧道技术上最领先的挖掘机。在TBM周围范围内允许机械通过软弱地层及不良地质条件。但是DS-TBM在运用于地面情况下其适用性预计会出现较大的变化。盾构的存在限制了进入隧道的墙壁地面观察情况。这意味着观察和分析地面情况以避免某些问题的可能性有限。同样，TBM可能会在复杂的地质结构中卡住(包括盾构堵塞和刀盘堵塞)，特别是在岩土覆盖或弱岩层中，预计会出现大的收敛。在隧道施工中，这可能会导致重大的延误并给工程带来巨大的费用。有几个性能参数在设计阶段应以高精度计算是为了防止TBM陷入停滞。根据需要，确定挖掘隧道直径的大小，因此可以增加盾构上方的间隙，其预计会出现较大收敛。此外，近年来制造的双盾TBM，在机器设计中逐步增加或者减小其尾部的直径的圆形断面距离与盾构机的前盾以另一种解决方案整合。

为了选择合适的超挖量，在双盾TBM设计阶段分析地面情况需要更全面详细的三维数值。这是由于地面实际收敛和施加在盾构的压力还有推进盾构所需的动力是围岩之间复杂相互作用的功能函数，关于掘进机其子系统与组件和最后的隧道支持盾构TBM。因此，三维模型的所有这些组件对建模都是必不可少的，假定正确的平面应变条件或轴对称类型之间相互关联是为了避免由此产生的错误。本文采用大应变假设的有限差分分析进行数值计算。此外，分析结果以简单的三维和几何形状正确的形状呈现，这些形状对于工程应用是实用的，该模型估算挖掘过程中的隧道收敛值，并预测不同时间区段的盾构载荷，对应于地面的短期效应。另外，为了避免由于弱地面的大位移而导致的分析误差，控制位移的方法已经运用于围岩和盾构之间的接触表面。为此，在FLAC3D软件的FISH程序，该程序在数值分析的每个求解步骤中控制所有相对于非均匀超挖量的位移。在模型的几何设置和接触检测代码中也考虑了由于盾构的圆锥形状引起的间隙增加。将本研究中使用的模拟模型的这些性质运用于数值模拟盾构TBM的其他3D模型区分开。

随后进行了对超挖量变化影响的数值研究，以便观察超挖对机械挤压地面堵塞的可能性影响。结果表明，当较大的超挖时，盾构上的接触力相当低。但是，在挤压地面时，会导致塑性区域在盾构和衬砌上方的不稳定性增加，并且产生较高的自重载荷，可能导致备用系统保护或混凝土节段衬砌失效。另一方面，较小的超挖将导致较高的接触力，导致较小的塑性区域; 然而，盾构可能由于高摩擦力而被滞留。考虑到上述现象，应该进行超挖量的设计。本文讨论了岩体和TBM构件的三维数值模拟结果。建模的输出值包括纵向位移和接触力以及盾构机上的接触面压力与不同超挖量之间的关系。此外，还研究了四种不同超挖值的塑性区大小以及克服盾构与岩体接触时的摩擦力所需的推力。

1 数值模拟

本文提出的研究基于三维数值模拟和使用双盾构TBM时的地层反应模拟，并预计会出现大的地面收敛。目前的研究建立在以前使用的3D模型上，通过改变过超挖量来评估超挖量对盾构与围岩之间接触力的影响。

不同的开挖阶段被编程分为数值模型中的几个步骤。这些阶段是根据设计和挖掘机直径施工的刀盘，给定双盾TBM的前后盾的直径，并包含时间区域。在这项研究中，共模拟了41个挖掘步骤，其中包括初始化步骤1和40个挖掘步骤(每个挖掘步骤通过推进面1 m建模)。

TBM主盾构与岩体之间的接触是通过界面元素模拟的，并考虑到地面与盾构之间的间隙，在保护TBM中有不均匀的过度超挖。这样就可以精确地模拟在顶盖处最大的超挖部分，以及在TBM防护罩所在的翻转部分处的临界状态，通过自身重量在翻转器上滑动。抗弯和剪切刚度值(kn，ks)被分配给用于模拟相互作用现象的界面元素。盾牌的kn和ks值选择为软区域的等效刚度的10倍：

{K+(4/3)G}/△Z min

式中，K和G分别为地面的体积和剪切模量；△Zmin为法线方向上相邻区域的最小宽度，等于1 cm(FLAC3D手册2006)。根据上述关系计算kn和ks为2.7×1013Pa/m。

通过控制在面部前进的每个挖掘步骤之后产生的不平衡力来考虑机器的提前率。为此目的，为了正确反映盾构TBM的连续开挖情况，并考虑到机器进行逐步分析的前进速率，对每一步分析采用87%的不平衡力松弛。

2 数值模拟结果

通过给出隧道顶部和侧壁处的线位移、力和压力，以下说明建模结果。超挖量是定义为地面和前部护罩之间的间隙。由于护罩直径的逐步减小，地层和后部护罩之间的过度超挖更高。盾的厚度被认为是3 cm。 过度超挖时，岩体和刀盘之间的间隙略小于前部保护端是20 cm。对于其他的超挖设置，这个大小是不同的，并且相对于前护罩中的超挖进行调整。考虑到隧道横截面上地面和盾构之间的过度超挖是不均匀的，在隧道断面边界处存在不同的超挖值。这意味着过度超挖在表面处具有最大值，并且在倒置处逐渐减小到等于零的最小值。

2.1 盾构与地层的相互作用

DS-TBM设计中的一个重要参数是盾构直径的逐步减小，从而基于由刀盘定义的初始挖掘直径定义沿着盾构的径向间隙的变化△R。阶梯式结构的积极作用是减小作用在防护罩上的接触力(控制所需的推力)。模拟结果为该分布与沿隧道拱顶和侧壁的隧道圆周上的纵向位移分布(LDP)成正比。如预期的那样，当提供更大的超挖时，接触力相当低(对于前部和后部护罩)。在里面一个非常大的超切△R=20 cm的情况下，地面和盾构之间的间隙关闭并且盾构受到较低的接触力。表1总结了盾构直径的超挖和逐步减小对减少作用于盾构的总地面压力的影响。结果表明，对于后盾而言，较大的间隙更重要，因为地面的收敛随着面后的距离而增加。例如，作用在前部护罩上的总地面压力从△R=1 cm时的23.3 MPa减少到△R=20 cm时的4.2 MPa，相当于减少了约81.9%.对于地面压力从19.6 MPa降至2.7 MPa的后盾，这个百分比约为86.3%。

表1 作用于机械部件的接触压力

2.2 不同深度超挖塑性区比较

为了评估超挖深度对塑性区尺寸的影响，对隧道周围的塑性区进行了不同尺寸的过切的比较。不同过切的塑性区的大小随着径向间隙△R(△R=1、5、10、20 cm)的大小线性增加。较大的过切需要更多时间来关闭间隙，但是导致纵向上的较大塑性区域。因此，如果△R=20 cm的超挖缝隙保持较长的时间并且需要盾构长度L以用于岩石与盾构之间的初始接触，则塑性区域的范围将由于额外的扩张空间而增加并且涉及的岩石相关量增加地面变形。

尽管较大的超挖在盾构上产生较低的载荷并且随后在机器推进期间较低的摩擦力，但是，较大的超挖会导致隧道周围的较大变形，并因此形成延伸的拉应力区域。因此，由于大的变形，地面松动并软化。这会在隧道顶部盾构上方产生较高的荷载，并可能导致回填问题。隧道地面松动和软化有关的问题尤为重要，因为强度损失和主要的松动都要求支撑系统产出较高的压力。应该指出的是，正确布置回填和灌浆对于节段内衬周围压力的重新均匀分布至关重要。这个问题直接关系到衬砌系统的设计，并优化了部分回填与灌浆量。施加较大的超挖间隙以减轻盾构载荷并减小推进TBM所需的推力可以被认为是一个合理的解决方案。但是，在可能导致需要更多量的情况下，过度掘进量应该减少。

2.3 推力计算

克服护罩表面摩擦所需的推力可以通过基于护罩表面上的接触压力并将结果乘以表面摩擦系数来计算。截面接触压力分布，在地面和前面盾构之间以及后面盾构，显示了克服摩擦力所需的推力两个运营阶段的盾牌与超挖，包括正在进行的挖掘和停工后重新启动。表面摩擦系数被假定为对于正在进行的挖掘，μ=0.15-0.30，μ=0.25-0.45在静止后重启，其中较低的摩擦系数缺乏价值的目的是为了说明正面影响盾构外壳的润滑，如膨润土或其他润滑油。

3 结 论

通过DS-TBM对机械化开挖进行全面的三维建模研究，以便评估各种地面盾构的相互作用沿着盾牌指向各种超挖间隙尺寸。在模拟中使用数值分析来评估盾构上的地面载荷的大小以及可能TBM干扰。研究了盾构的变形形状在降低作用于其上的地压力时对不同超挖值的影响。结果表明，较大的超挖间隙减少了盾的载荷，因此，在盾前进时会导致较低的摩擦阻力。确定克服摩擦力所需的推力低于增加的超挖深度。对于正在进行的挖掘和长时间延迟或停顿后重新启动的两个操作案例而言，情况属实。

结果还表明，较高的超挖可导致较大的塑性区域，并增加了在盾构上方发生不稳定的可能性，并通过施加较高的自重加载在盾构上。这可能会导致节段环失效。另一方面，较小的过度超挖导致较高的接触力，导致较小的塑性区域。但是，由于高摩擦力导致高接触力，盾构可能会被滞留。

结果表明一个更大量超挖本身不是一个应对挤压条件和避免盾构滞留的解决方案。在特殊情况下，可以考虑增加超挖值以防止挤压场地中的机械干扰，但应仔细优化。本文描述了可用于评估过度超挖对盾构荷载和塑料延伸的影响的参数研究的类型区。一个程序可用于优化特定地面条件和保护几何形状中的超挖大小。

为了优化超挖量，应该以高精度确定沿隧道的地面特性。这对选择用于模拟保护机器的输入参数非常重要。应进行盾构TBM隧道掘进的全面三维数值模拟，以评估盾构加载过程中不同的超挖量以及隧道周围的塑性区域。在隧道周围可以根据过度超挖的灵敏度分析和在盾构上产生的地面载荷(包括塑性区的范围)选择合适的超挖值。

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