中天山隧道TBM施工对围岩稳定性影响数值计算研究

中天山隧道ＴＢＭ施工对围岩稳定性影响数值计算研究　付型韬　（乌鲁木齐铁路局南疆吐库二线铁路建设指挥部，新疆库尔勒８４１００１）　【摘要】　针对南疆铁路吐库二线中天山特长隧道ＴＢＭ施工特点，ＴＢＭ施工对围岩稳定性影响进行　了数值模拟计算研究，选取４种围岩情况进行数值建模计算，并根据现场实际情况选取ＴＢＭ掘进相关参数，　通过研究得出ＴＢＭ工法围岩扰动区小于钻爆法，且围岩级别越低，条件越差，ＴＢＭ工法与钻爆法的围岩扰动　区相比就越小。　【关键词】　特长隧道；ＴＢＭ施工；　围岩稳定性；数值模拟计算　【中图分类号】Ｕ４５５．４１　２　【文献标志码】Ｂ　ｌ工程概况　中天山特长隧道位于托克逊、和硕间中天山东段的岭脊　地区，穿越中天山北支博尔托乌山中山山地，平均海拔１　１００　—２　ＴＢＭ施工对围岩稳定性影响计算工况　计算过程中，选取了４个与现场试验相对应的断面进行　分析，各工况对应的围岩基本情况如表１所示。　表１计算工况　２　９５０　ｍ，最高海拔为２　９５１．６　ｍ。隧道进口采用两台开敞　工况编号　１　２　３　４　式ＴＢＭ施工，出口采用钻爆法施工。ＴＢＭ施工段采用圆形　断面，直径为８．８　ｍ，底部设置仰拱预制块，上部采用复合式　衬砌。　断面里程　ＤＫｌ４２　４－９４６　ＤＫ１４２＋８８０　ＤＫ１４２　４－８６０　ＤＫ１４５＋５４０　围岩概况　变质砂岩夹板岩Ⅲ级　变质砂岩夹板岩Ⅳ级　变质砂岩夹板岩Ｖ级　角斑岩Ⅲ级　埋深（ｍ）　６７５　６５０　６４０　６７５　ＴＢＭ工法隧道围岩的稳定性与钻爆法存在较大的差异。　考虑到目前国内外对钻爆法隧道围岩的稳定性研究较多，而　对ＴＢＭ工法隧道围岩的稳定性研究相对较少，而围岩的稳　定性是隧道设计和施工过程中最为重要的基础性问题之一，　３　ＴＢＭ施工对围岩稳定性影响计算参数　围岩各参数取值以《中天山隧道设计说明》、《中天山隧　道地质勘察报告》为主，同时还参考了《铁路隧道设计规范》　（ＴＢ　１０００３—２００５）、《岩土工程勘察规范》（ＧＢ　５００２１—　因此有必要对ＴＢＭ工法隧道围岩的稳定性进行详细而深人　地研究。　为了了解ＴＢＭ施工对隧道围岩稳定性的影响，采用　ＡＮＳＹＳ软件模拟了中天山隧道敞开式ＴＢＭ的施工过程，据　此对中天山隧道洞身及掌子面围岩的位移、应力、塑性区等　进行了分析。　２００１）、《铁路工程岩土分类标准》（ＴＢ　１００７７—２００１）等规范，　具体如表２所示。计算过程中假定围岩遵循Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ　屈服准则。　表２各种围岩参数　围岩类别　变质砂岩夹板岩Ⅲ级　Ｅ（ＧＰａ）　４７．５　０．２２　（ｇ・ｃｍ　）　２．７９　ｃ（ＭＰａ）　９．０　（。）　５７　变质砂岩夹板岩Ⅳ级　变质砂岩夹板岩Ｖ级　角斑岩Ⅲ级　４６．０　４４．Ｏ　３９．０　Ｏ．２２　０　２２　Ｏ．２４　２．７９　２．７９　２．６７　９．０　８．０　８．Ｏ　５４　５２．５　５１．５　中天山隧道采用了德国沃尔特公司生产的ＴＢ８８０Ｅ型全　断面硬岩ＴＢＭ，主要技术参数为：主机长度（包括刀盘）：２２　ｍ；刀盘直径：８　７００　ｍｍ；刀盘厚度：２　１００　ｍｍ；刀盘重量：约　１４０　ｔ；额定推力：１７　２５０　ｋＮ；最大扭矩：１０　５００　ｋＮ・ｍ。　ＴＢＭ掘进相关参数按照实际施工取值，如表３所示。　大于３倍洞径，从隧道中心向上、下各取４０　ｍ左右；ＴＢＭ前　进方向上，刀盘后方取１０　ｍ，刀盘前方取７０　ｍ。最终的计算　模型沿隧道纵轴线方向、垂直隧道的水平方向及竖直方向的　三个方向均为８０　ｍ（图１、图２）。　４　ＴＢＭ施工对围岩稳定性影响计算模型　ＴＢＭ刀盘直径为８．７　ｍ，依据圣维南原理计算模型横向　边界到隧道边界的距离约３～５倍洞径，从隧道中心向上取　４０　ｌｒｎ左右；垂直方向上，模型下边界到隧道底部边界的距离　［定稿曰期］２０１３—１２—１９　［基金项目］国家自然科学基金资助（５１１０８３８４）；自治区　科技支疆项目计划（引导性）项目（２００９９１２１４）　［作者简介］付型韬（１９５８一），男，工程师，从事交通运　输工程研究。　四川建筑第３４卷１期２０１４。０２　１５３　表３　ＴＢＭ掘进参数　围岩级别　Ⅲ级　Ⅳ级　Ｖ级　刀刃切入深度（ｃｍ・ｒ　）　掘进速度（ｍ・ｈ　Ｉ１）　０．９—１．２　Ｏ．６一Ｏ．９　Ｏ．３一Ｏ．６　１．４　１．４５　１．５７　油缸压力（ｂａｒ）　２１５　１５０　８０　掘进扭距（ｋＮ・ｍ）　６５％　５５％　３０％　转速（ｒｐｍ）　５．４　５．４　２．７　８０　８０　６模拟计算结果　计算过程中，四种工况均未发现出现塑性区，故以破坏　接近度进行分析。根据Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ屈服准则的破坏接　…．．．唾遭　…一　近度定义如下：　ｍｉｎ（　，　）　图１隧道计算模型　（１）　式中，参数ｄ　、Ｄ　、ｄ：、Ｄ：的意义如图３所示；ｄ２／Ｄ　２由　材料的抗拉强度决定。Ｒ越接近０，说明越接近破坏（图３）。　冀槲＿　／ｌ　／　—¨　　Ｄ　，　＿　蜂崔　¨　¨　　ｌ图３破坏接近度Ｒ的定义　以破坏接近度Ｒ≤０．３作为判定扰动区的标准，在相关　断面，沿左侧洞腰向内侧取一水平测线，测线上取１０个测　点，测点深度与超声波在此处的测点深度对应。以工况１掌　子面及掌子面后方未支护段的破坏接近度随测点深度变化　图２隧道有限元计算模型　规律为例（图４、图５）。　５模拟计算荷载及约束条件　围岩的自重应力场通过施加自重加速度在初始阶段计　算得到。正常施工掘进时，刀盘做匀速转动，ＴＢＭ施加给围　岩的作用力通过如下方法施加：　（１）刀盘对掌子面的推进压力，方向与ＴＢＭ前进方向同　向，假设掘进机以额定推力掘进，根据ＴＢ８８０Ｅ型ＴＢＭ的技　术参数，推进压力值取１７　２５０　ｋＮ；　（２）刀盘转动时，所有滚刀对掌子面围岩的剪切力，该力　■　ｎＯ　ｎ，　１ｍ　ｌ＇５　ＺＯ　掌子面所在断面不同深度处的破坏接近度（工况１）　方向与刀盘转动时的切线方向一致。剪切力是刀盘转动的　～　—●＿携强　扭矩产生，由表可知此时掘进机扭矩为最大扭矩的６５％，而　根据相关资料的研究，克服各种阻力后作用于掌子面围岩上　一。　■　一　一　—■＿拱蔗　的扭矩大约为此时掘进扭矩的２ｏ％～３０％，本次计算取　２５％，据此计算出此时每把滚刀对围岩的剪切力约为　２５０　ｋＮ；　—０，０　　ｎ５　Ｉ　Ｏ　ｌ，５　Ｏ　５　■直舜鹿　图５未支护段不同部位不同深度处的破坏接近度（工况１）　（３）刀盘上边缘滚刀对围岩的破碎力，该力方向与刀盘　转动时的切线方向一致，大小亦取２５０　ｋＮ。　模型在竖直方向产生的附加荷载通过均布压力形式施　从各工况掌子面及掌子面后方未支护段的破坏接近度　随测点深度变化规律可以得出各工况围岩扰动区范围如表４　所示。　加到模型顶面上。模型的约束条件：除顶面外，模型外侧的　其它五个方向均取法向位移约束。　、　（下转第１５８页）　１５４　四川建筑第３４卷１期２１３１４．０２　图６计算模型实例　４．３计算结果分析　５结束语　牵索挂篮的设计是一个系统工程，涉及知识面广。其整　体结构需布置合理，传力路径明确，易于加工、装拆与施工操　（１）在空载工况，根据中后吊挂的反力确定挂篮的整体　重量，检查其是否与设计重量一致。然后根据力矩平衡确定　挂篮重心距离中吊挂的距离，用于复核挂篮升降和走行时的　反力。　作方便，尽量减少现场的焊接作业，以提高可靠度。整体设　计必须保证挂篮的各工况的构件强度和稳定性，以及挂篮纵　横向刚度。对主要构件和重要受力部位设定必要的加工工　（２）根据实体模型，复核每次混凝土的加载数量与实际　浇筑的数量是否一致。　（３）通过简化杆系单元模型和实体模型的计算结果，对　比每个工况的支点反力、位移、应力和中间索力，然后根据实　体模型调整杆系单元模型，用于节点设计等。　（４）当混凝土主梁上下缘拉压应力不满足要求时，可增　加张拉次数，以减小主梁受力。　（５）当混凝土横梁上下缘拉压应力不满足要求时，可改　变中内吊挂的横桥向位置，或者设置拱架直接把混凝土荷载　艺，如制孔要求、焊缝形式、焊接顺序、精度要求等。　参考文献　［１］姜竹生，孙胜江，冷雪浩．五河口斜拉桥施工控制中间索力的　确定方法［Ｊ］．公路，２００６（５）　［２］李宗长，唐宏路，张志长．牵索式挂篮设计及施工若干问题的　探讨［Ｊ］．交通科技，２００５（５）　传递到挂篮主纵梁，即可减小横梁的受力。　‘　‘　ｋ　、、　‘　驰　‘、、　、、　、、　、、　ｋ　、’ｋ　ｋ　、、　、、　、、　‘　ｋ‘　‘、、　‘　ｋ　、’　ｋ　‘、、　ｃ　（上接第１５４页）　表４　围岩扰动范围计算结果　围岩类型　掌子面处（掌子面后方　ｍ）　未支护段（Ｏ．５　Ｏ．５　１．Ｏ５　１．０５　参考文献　ｍ）　郑颖人，阿比尔的，向钰周．隧道稳定性分析与设计方法讲座　工况１（变质砂岩夹板岩Ⅲ级）　工况２（变质砂岩夹板岩Ⅳ级）　之三：隧道设计理念与方法［Ｊ］．隧道建设，２０１３（８）：６１９—６２５　毕昌嫒．隧道下穿铁路桥段围岩稳定性分析［Ｊ］．公路交通科　技：应用技术版，２０１２（６）：２９０—２９３　工况３（变质砂岩夹板岩Ｖ级）　工况４（角斑岩Ⅲ级）　Ｏ．５　０．８　１．Ｏ５　１．１　李文华，李吴，古银城，等．断层对隧道围岩稳定性影响的有限　元分析［Ｊ］．施工技术，２０１３（７）：９３—９６　７结论　通过研究得到，ＴＢＭ工法的数值计算结果与实测结果比　卢波，丁秀丽，邬爱清，等．高应力硬岩地区岩体结构对地下洞　室围岩稳定的控制效应研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０１２　（Ａ０２）：３８３１—３８４６　较接近，与理论分析结果差距较大，数值计算结果和实测结　果是代表中天山隧道ＴＢＭ工法围岩扰动区的可信结果。　ＴＢＭ工法与钻爆法相比，围岩扰动区小很多，而且围岩级别　越低，条件越差，ＴＢＭ工法与钻爆法的围岩扰动区相比就　越小。　秦二涛，李夕兵，何忠国，等．深部高应力下不同巷道掘进速率　对围岩稳定性的影响［Ｊ］．矿冶工程，２０１１（６）：１７—２０　马小伟，王航，韩佳明．新安岭软岩隧道围岩稳定性有限元分　析［Ｊ］．公路交通科技：应用技术版，２０１２（９）：３５６—３５８　１５８　四川建筑第３４卷１期２１３１４．０２