双护盾TBM隧道开挖管片跟进安全距离分析

洪闰林 张志强

【摘要】在双护盾工作模式下，双护盾TBM可靠支撑靴紧撑洞壁为主推进油缸提供反力，因此管片的安装可与掌子面的掘进同时进行，大大提高施工效率。文章以尼泊尔巴瑞巴贝引水隧道工程为背景，基于双护盾TBM的双护盾开挖模式，在考虑了护盾与围岩之间的不均匀间隙、TBM推进参数（扭矩和推力）、豆砾石层和管片、撑靴盾提供的支撑力、护盾的阶梯式结构等因素的基础上，建立双护盾TBM全动态掘进数值模型，研究了不同管片跟进距离下的施工力学响应。研究结果表明：①随着管片跟进距离的增大，围岩的最大位移值逐渐增大，位置均为未支护段最靠近管片处;②随管片跟进距离的增加，管片内力分布不变、内力值逐渐增大;③管片安全系数在拱顶和墙脚处较大，在拱腰、仰拱和拱顶处较小，管片极限跟进距离为10 m。

【关键词】双护盾TBM; 掘进模式; 力学响应; 安全距离

【中国分类号】U455.43【文献标志码】A

当双护盾TBM采用双护盾掘进模式进行施工开挖时，隧道支护结构可以与开挖掌子面拉开一定距离，以此提高TBM的开挖效率。但由于未支护段的存在，支护结构与围岩的力学响应显得尤为复杂。王明友等通过多雄拉隧道的数值仿真计算，得到了TBM双护盾掘进模式下不同豆砾石回填密度对支护效果的影响，并对回填灌浆的密实度进行了分级。程建龙采用Flac3D建立了完整的TBM模型，分析了双护盾TBM掘进时围岩变形及护盾所受的接触力和摩擦阻力。国内外众多学者还对双护盾TBM卡机脱困技术、地层适应性和刀盘磨损等进行了深入研究，但对双护盾掘进模式下，支护管片与掌子面间未支护段长度的研究仍然不足。

本文以尼泊尔巴瑞巴贝TBM引水隧道项目为研究对象，对管片跟进距离对施工力学响应的影响进行研究，以此分析合适的跟进距离，并对施工效率、安全性进行合理的评判，以实现TBM的安全快速掘进。

1 工程背景

巴瑞巴贝引水隧道长约12.2 km，掘进方向为N26.84°E，坡度3 ‰，断面型式为圆形，隧道设计开挖洞径为5.06 m，设备采用罗宾斯双护盾TBM。隧道最大埋深820 m，除洞口外最小埋深约78 m，隧道除始发段有一个R=700 m，长度368.87 m的曲线外，其余部分均为直线掘进。

2 建立数值模拟模型

2.1 模型概况

为了尽可能的反映双护盾TBM的施工动态，模拟TBM与围岩之间的相互接触从而了解其作用机制，有必要弄清楚TBM各组成部分的空间位置关系。如图1所示。

图1中：Lc为刀盘长度，Lf为前护盾长度，Lr为后护盾长度，L1为管片长度，Δ为刀盘与前护盾之间半径尺寸差值，在实际掘进时刀盘上部滚刀外缘要稍高于刀盘外边缘，有利于减少刀盘磨损;Δr为扩挖量，t为护盾厚度;δ1为后盾盾尾下表面与管片上表面之间的间隙，δ1=ξ1+ξ2+ξ3，其中，ξ1为管片厚度方向制作偏差值，ξ2为管片环安装不圆度偏差值，ξ3为管片间接缝宽度超差值，因管片安装精度极高，这些间隙应当严格控制，否则会出现渗水错台等缺陷;h为管片厚度;D1管片内径（成洞直径）;δ2为后盾盾尾上表面与管片下表面之间间隙。

采用Abaqus数值分析软件建立双护盾TBM掘进开挖模型，由于模型中涉及大量的接触对，整体模型又为对称模型，故取半模型以减少不必要的单元数量，加快计算速度。计算模型如图2所示。

2.2 工况设置

尼泊尔引水隧洞（BBDMP）工程采用如图3的施工方案，未支护段的长度为两个掘进循环的距离，即第一环管片与后护盾尾部间距为2 m。现研究盾尾后第一環管片跟进距离（既未支护段长度）对计算结果的影响，结合双护盾TBM掘进数值模拟，设置未支护段长度为1 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m的工况。

在计算模型中简化考虑为一环整体吹填。此外，由于豆砾石与泥浆均具有时效性，所以计算中将其弹性模量考虑为软硬两个阶段。当处于软阶段时，其弹性模量为0.5 GPa，经过TBM推进一环的时间，其弹性模量变为1.0 GPa。岩体、管片、豆砾石具体力学性能参数如表1所示。

3 结果分析

3.1 围岩位移分析

在整个模型中，由于TBM相关结构（不包括豆砾石和管片单元）刚度相比于围岩很大，在整个计算中近似等于刚体，所以TBM相关结构之间发生的相对位移极小，大约为10-6 m量级，所以不对TBM相关结构位移展开分析。

提取各工况下TBM最终贯穿时地层的竖向位移云图如图4所示。

提取不同跟进距离下的最大拱顶沉降和仰拱隆起值如表2所示。

由图4及表2可以看出：

（1）各工况开挖支护后整体位移均呈上沉下隆趋势，在TBM掘进过程中，围岩的位移场都表现了较强的三维空间效应，由于掌子面的“支护”作用，在掌子面处位移较小，离掌子面越远，位移越大。

（2）跟进距离越大，开挖后盾尾未支护段距离越长，盾构及掌子面的“支护”作用越小，故位移有明显的增大趋势。跟进距离从1 m到10 m变化时，贯通后拱顶沉降值从4.554 cm增长至8.123 cm，仰拱隆起值从3.989 cm增长至6.566 cm，总增幅明显。在跟进距离为1 m、2 m、3 m时，由于距盾尾不远，盾构及掌子面的“支护”作用还较为明显，位移增幅不大。跟进距离变化至5 m、7 m、10 m时，竖向位移的变化幅度较1 m、2 m、3 m时明显增大。

3.2 管片内力分析

由于不同工况下，最新施作的管片与掌子面之间距离不一致，现统一选取管片施作至30 m时，不同工况下该位置处最新施作管片的轴力、弯矩和安全系数如表3所示。

不同跟进距离工况下，管片各部位内力及安全系数变化趋势如图5、图6所示。

由图5～图6、表3可知：

（1）对于双护盾工作模式，盾尾管片不同跟进距离工况下，管片内力沿截面分布规律一致。TBM开挖掘进后，紧跟盾尾的一环管片断面轴力均呈受压状态，拱肩和拱脚位置处的轴力较小，拱腰处的轴力值最大;管片在拱顶、拱腰、仰拱部位呈负弯矩，仰拱处负弯矩值最大，拱肩和墙脚位置处呈正弯矩，墙脚处正弯矩值最大。

（2）管片安全系数在拱顶和墙脚处较大，在拱腰、仰拱和拱顶处较小。随着管片跟进距离不断增大（1 m、2 m、3 m、5 m、7 m、10 m），管片各部位安全系数明显减小，其中，10 m跟进距离工况下，仰拱和拱腰位置分别减小至2.73、2.65，接近规范要求，存在安全隐患。

4 结论

（1）随着管片跟进距离的增大，管片内力分布不变、数值不断增大，管片的安全系数不断减小。当跟进距离增大至10 m，管片安全系数最小值减小至2.65，已不满足规范要求，故管片跟进极限距离为10 m。

（2）在跟进距离较小时，由于TBM盾壳支撑作用，盾尾围岩稳定性较好，更利于管片受力，故在跟进距离为1 m、2 m、3 m时，盾壳支撑作用下，内力及围岩位移变化幅度均不大;但跟进距离增大至5 m、7 m、10 m时，未支护段距离越来越长，盾壳支撑效应逐渐减小，围岩变形量更大，此时施作管片并且填充豆砾石，若按照设计厚度填充太满对围岩变形约束太大不利于管片受力，在实际工程中应考虑填充豆砾石的厚度或填充时机。

参考文献

[1] 陈叔，王春明.川藏铁路TBM施工适应性探讨及选型[J].建设机械技术与管理，2020，33（4）：38-47.

[2] 余国军.双护盾TBM在杭州第二水源输水工程的应用与挑战[J].科技和产业，2020，20（7）：176-180.

[3] 吴圣智，王明年，李磊，等.双护盾TBM施工隧道豆砾石回填层对地表沉降影响机理[J].中国铁道科学，2020，41（4）：82-90.

[4] 王明友，潘长城，金峰.雙护盾TBM自密实回填快速支护施工技术及应用[J].水利建设与管理，2020，40（6）：30-33.

[5] 罗长征.城市地铁双护盾TBM穿越不良地质技术[J].价值工程，2020，39（11）：209-210.

[6] 王明友，侯少康，刘耀儒，等.TBM豆砾石回填灌浆密实度对支护效果的影响研究[J].隧道建设：中英文，2020，40（3）：326-336.

[7] 王明友，侯少康，刘耀儒，等.TBM豆砾石回填灌浆密实度对支护效果的影响研究[J/OL].隧道建设：中英文：1-11[2020-08-20].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/44.1745.U.20200409.1803.032.html.

[8] 刘松明，李跃.模袋灌浆技术在双护盾TBM施工中的应用[J].云南水力发电，2020，36（1）：174-177+182.

[9] 王万仁.DSUC型双护盾TBM小净距段掘进技术研究[J].铁道建筑技术，2020（1）：88-92.

[10] 庞杰.TBM在施工过程中存在的问题及改进建议[J].建筑机械，2020（1）：97-99.

[11] 陈雷.双护盾TBM穿越断层破碎带地铁隧道施工技术[J].建材与装饰，2020（3）：270-271.