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)

1 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1 100～2 950 m，最高海拔为2 951.6 m。隧道进口采用两台开敞式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。

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，因此有必要对TBM工法隧道围岩的稳定性进行详细而深入地研究。

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。

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

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 50021-2001)、《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

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。

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 m左右；垂直方向上，模型下边界到隧道底部边界的距离大于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)。

表3 TBM掘进参数

图1 隧道计算模型

图2 隧道有限元计算模型

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，该力方向与刀盘转动时的切线方向一致。剪切力是刀盘转动的扭矩产生，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的扭矩大约为此时掘进扭矩的20%～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；

(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。

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屈服准则的破坏接近度定义如下：

(1)

式中，参数d1、D1、d2、D2的意义如图3所示；d2/D2由材料的抗拉强度决定。R越接近0，说明越接近破坏(图3)。

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规律为例(图4、图5)。

图4 掌子面所在断面不同深度处的破坏接近度(工况1)

图5 未支护段不同部位不同深度处的破坏接近度(工况1)

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。

表4 围岩扰动范围计算结果

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。

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