深埋隧道两级螺旋式刀盘掘进地应力释放机理研究*

靳心雨 ，耿 麒 ，张俊杰

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

近年来，我国在交通领域迅速发展，盾构隧道工程大量开展并投入使用。张照煌等[1]研究了全断面岩石掘进机刀盘体结构的发展，发现刀盘体经历了单板、双板和三板结构的演化。刘伟等[2]设计了一种适应于EPB和TBM两种模式的盾构机刀盘结构。李建芳等[3]设计了三种不同肋板厚度的TBM刀盘，对三种TBM刀盘进行了位移与应力的对比分析。杨治军等[4]基于沟谷地形地貌、隧道分布情况、黄土地层及隧道结构物理力学参数研究了不同施工方案下隧道衬砌结构受力特性。孙伟[5]基于地层损失原理，对隧道开挖诱发地表沉降的三维理论解进行了修正，验证了三维地表沉降修正理论解的可行性。邓立营等[6]对刀盘的工作载荷工况和结构形式进行了分析研究，发现箱式结构副梁的结构性能优于竖板式的。罗丹[7]通过有限元法分析了复合盾构刀盘的受力特性，并进行了结构优化，提高了刀盘的安全性和经济性。闫利鹏等[8]针对高强钢盾构刀盘的结构优化提出一种基于近似模型技术的优化方法，提高了优化设计的效率。袁帅等[9]建立了考虑孔隙水压力影响的随机数值极限分析方法，发现渗透系数、变异系数及竖向水平向渗透系数比的增加提高了维持开挖面稳定所需的支护力。以上研究主要针对平面式刀盘本身结构和平面式刀盘隧道掘进对地层的影响，但在掘进大埋深山岭隧道时，平面式刀盘直接掘进的岩爆风险较高，为了克服这个问题，本研究采用两级刀盘掘进，通过ABAQUS软件进行数值模拟分析，研究两级刀盘掘进下，不同盘面间距、不同一级刀盘直径对隧道形变和隧道掘进过程中地应力释放机理与内能量率的影响，并得到较好的合理取值。

1 两级刀盘掘进模型构建

1.1 两级螺旋式TBM刀盘结构方案

耿麒等[10-12]提出了两级刀盘的基本结构形式，即两级刀盘为同轴的前小后大阶锥式结构，前后两级刀盘通过钢筒固连，且均为传统的平面式刀盘，刀盘的驱动力和推进通过法兰传递到二级刀盘。这种结构形式没有考虑出碴方案的设计，导致一级刀盘腔体内的岩碴无法转运到皮带输送机上，皮带输送机仅能输送二级刀盘腔体内的岩碴。鉴于此，耿麒等[13]对现有的两级刀盘结构进行了改进，并采用颗粒离散元方法构建数值模型，模拟TBM两级刀盘出渣过程，并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。本研究所采用的两级螺旋式TBM刀盘结构如图1所示，于一级刀盘后锥环部排设与面部出碴口相同的背部出碴口，长为L，宽为W；一级刀盘后锥环加设前螺旋，连接钢筒加设后螺旋，前、后螺旋均为右旋单螺旋，后螺旋的螺距为S；两级刀盘的内腔均设置溜碴板；一级刀盘的掘进直径为D1，二级刀盘的掘进直径为D2，盘面间距即连接钢筒的长度。

图1 两级螺旋式刀盘几何结构

1.2 两级刀盘掘进三维实体建模

本研究采用生死单元法来进行数值模拟，使用ABAQUS软件建立山体与衬砌的几何结构模型，如图2所示。山体为长100 m、宽60 m、高100 m的中心对称模型，隧道衬砌外径为8 m、内径为7.2 m、厚度为0.4 m，网格划分为C3D8R实体单元，有利于模型的计算收敛。

图2 几何结构模型

山体材料用Drucker-Prager本构模型表征，岩石材料参数如表1所示。衬砌所用的材料为C35混凝土，基本力学参数如表2所示。

表1 岩石材料参数

表2 衬砌材料参数

山体与衬砌之间的相互作用设置为TIE连接，两级刀盘掘进与衬砌支护示意图如图3所示。

图3 掘进与支护示意图

1.3 两级刀盘掘进模型工况

二级刀盘掘进的三维实体计算工况如下：山体和衬砌支护的重力加速度为9.8 m/s2，山体左右两侧、前后两侧施加围压25 MPa，山体上侧施加围压50 MPa，侧压力系数Px/Py=0.5；二级掘进直径为8 m，隧道埋深深度为50 m，掘进长度为30 m，衬砌支护与二级刀盘间距为3 m；掘进一级支护一级，支护厚度为0.4 m，支护材料为C35。

不同盘面间距设置五组模型，其一级刀盘直径D1统一为4 m，如表3所示。不同一级刀盘直径设置七组模型，其盘面间距统一为3 m，如表4所示。另外设置一个平面式刀盘掘进作为对照组，研究平面式刀盘和两级刀盘掘进的区别。

表3 不同盘面间距模型组

表4 不同一级刀盘直径模型组

2 两级刀盘掘进数值模拟分析

基于能量率研究地应力在不同体积范围内的释放规律，对两级刀盘的每一步掘进，均求得其能量率。能量率=能量/体积，能量为隧道掘进时山体体积范围每次变化的应力差值，体积为山体残余体积。山体设置四种初始体积，体积一为20 m×20 m×60 m（宽×高×长），体积二为30 m×30 m×60 m，体积三为40 m×40 m×60 m，体积四为50 m×50 m×60 m，另外研究隧道在X、Y方向的形变。

2.1 不同盘面间距的数值模拟分析

模型一和模型二的4种不同原始体积和每次掘进后剩余体积的能量率变化曲线如图4所示。横轴为每次开挖所对应的分析步，纵轴为能量率，其中，ea对应的分析步为一级掘进部分，eb对应的是二级掘进部分，e对应的是一、二级掘进同步进行。模型一是一级掘进完成后，再进行二级掘进，由图4可知，在一级掘进阶段，模型一的能量率明显高于其他模型；在二级掘进过程中，地应力稳定释放，二级掘进初始阶段能量率较高，在eb3步达到峰值37.04 J/m3。在整个掘进阶段，只有一级掘进时模型一的能量率高于其他四组模型，其余阶段模型一的能量率均低于其他四组模型。模型二、三、四、五在隧道掘进过程中的能量率走势基本相同，以图4（b）所示的模型二为例，在隧道一级掘进时地应力释放少，能量率最低；在隧道一、二级同时掘进时，能量率迅速增大，在e4分析步达到峰值45.88 J/m3。盘面间距使地应力的释放集中于两刀盘面对应处，但还是存在一定的应力交汇，另外，一级掘进与二级掘进过程中的能量率之和基本与一、二级同时掘进过程中的能量率相等。分级掘进可以逐步释放地应力，降低一次性释放地应力的峰值，降低了岩爆发生的可能性，提高了隧道的安全性与稳定性。在整个掘进过程中，隧道在X方向的变形量从1.74 mm稳定减小到0.6 mm，Y方向的变形量由8.5 mm稳定减小到2.2 mm。

图4 能量率变化曲线

2.2 不同直径一级刀盘的数值模拟分析

在七组模型中，取隧道掘进长度1 m、5 m、10 m、15 m、20 m和25 m处的能量率，做出曲线如图5所示，七组模型在1 m节点处，只有一级刀盘起掘进作用，其中模型Ⅰ的能量率最小，为22.775 J/m3，接近一、二级同时掘进的能量率45.88 J/m3的一半，刀盘释放的应力值约为平面式刀盘的50%；模型Ⅶ的能量率最大，达到了30.27 J/m3。在其余节点处，两级刀盘同时掘进，所以七组模型的能量释放率规律基本相同。隧道掘进过程中，模型I的隧道变形量最小，X方向从1.9 mm减少到了0.7 mm，Y方向从8.8 mm减少到2.7 mm，对比说明模型I是七组模型中最优的，可以使地应力在一、二级掘进过程中均匀释放，提高隧道稳定性，减少隧道变形，降低岩爆发生的可能性。

图5 七组模型不同节点处能量率

2.3 平面式刀盘的数值模拟分析

平面式刀盘的四种不同原始体积和每次掘进后剩余体积的能量率变化曲线如图6所示。平面刀盘掘进与五组模型中的两级刀盘同时掘进的能量率峰值相近，说明隧道掘进工程中，掘进相同体积释放的地应力相近，但是平面式刀盘的地应力作用于一个刀盘，而两级掘进式刀盘释放的地应力作用于两个刀盘，因此双刀盘结构更为安全，可靠性高。另外，隧道掘进过程中，一级掘进与二级掘进对于隧道的位移变形量影响较小。

图6 平面式刀盘能量率变化曲线

3 结论

针对护盾式全断面岩石隧道掘进机（TBM）掘进大埋深山岭隧道时，平面式刀盘直接掘进的岩爆风险高等问题，本研究进行了两级螺旋式刀盘掘进围岩过程的大型三维有限元数值模拟，研究盘面间距和一级刀盘直径对围岩变形和应力释放的影响规律，对于8 m直径隧道的掘进结果表明：

1）当盘面间距为30 m时，即一级掘进完成后再进行二级掘进，可以避免两级刀盘同时掘进过程中所引起的地应力交汇现象。

2）一级刀盘直径为2 m时，两级螺旋式刀盘在隧道掘进中两刀盘释放的应力值都约为平面式刀盘的50%。可保证地应力的峰值达到最小，获得良好的隧道稳定性和较小的隧道位移变形。

3）螺旋式两级刀盘的盘面间距对隧道形变的位移量影响不明显，一级刀盘直径对隧道形变的位移量影响明显。在隧道末端，盘面间距统一为3 m时，一级刀盘直径为2 m时隧道变形量在X方向仅为0.7 mm，Y方向为2.7 mm；一级刀盘直径为5 m时隧道变形量在X方向为0.9 mm，Y方向为4.7 mm。