王飛陽(yáng)，周凱歌，方 勇，徐公允，汪輝武，卓 彬

(1. 西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031)

0 引言

我國(guó)鐵路隧道正朝著長(zhǎng)距離、大埋深方向發(fā)展，伴隨著施工機(jī)械化水平的提高，TBM逐漸應(yīng)用于隧道建設(shè)中[1]。深埋隧道地應(yīng)力水平高，應(yīng)力場(chǎng)復(fù)雜多變。眾多學(xué)者對(duì)TBM深埋隧道掘進(jìn)過(guò)程中可能遇到的工程問(wèn)題進(jìn)行了研究。如: 錢(qián)七虎等[2]分析了TBM在深埋隧道掘進(jìn)中可能出現(xiàn)的工程難點(diǎn)及發(fā)展前景； 荊留杰等[3]闡述了TBM施工中可能遇到的地質(zhì)災(zāi)害及其處理措施。TBM在深埋隧道中掘進(jìn)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)巖爆、卡機(jī)等災(zāi)害，而要減少此類工程問(wèn)題產(chǎn)生的危害，需要對(duì)掘進(jìn)過(guò)程中圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。冷先倫等[4]采用FLAC 3D建立數(shù)值模型，針對(duì)不同TBM掘進(jìn)速率下的隧道圍巖擾動(dòng)區(qū)進(jìn)行了研究； 趙紅亮等[5]通過(guò)數(shù)值分析的方法，對(duì)深埋洞室開(kāi)挖過(guò)程中巖體的應(yīng)力變化特征進(jìn)行了研究； 吳文平等[6]依托實(shí)際工程，分析了圍巖的破壞特征及防治措施； 劉凱等[7]采用FLAC 3D對(duì)大伙房引水隧洞進(jìn)行了掘進(jìn)模擬，分析了TBM隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變形； 唐彬等[8]采用Abaqus模擬了TBM巷道施工過(guò)程，基于圍巖應(yīng)力分布及變形特點(diǎn)分析了TBM巷道圍巖的穩(wěn)定性。對(duì)于深埋硬巖隧道，相比于鉆爆法，由于TBM開(kāi)挖過(guò)程是準(zhǔn)靜態(tài)卸荷過(guò)程，TBM掘進(jìn)對(duì)圍巖的擾動(dòng)更小、更容易積聚彈性應(yīng)變能[9]。然而，現(xiàn)有研究多集中于圍巖應(yīng)力重分布的特征上，對(duì)TBM隧道掘進(jìn)過(guò)程中彈性應(yīng)變能的分布特征研究較少，而彈性應(yīng)變能的分布與硬巖隧道的巖爆發(fā)生息息相關(guān)。

鑒于此，本文依托實(shí)際鐵路隧道工程，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件，建立TBM隧道掘進(jìn)模型，對(duì)TBM掘進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，并基于力流理論解釋?xiě)?yīng)力集中的原因，最后結(jié)合彈性應(yīng)變能理論對(duì)TBM隧道最有可能發(fā)生巖爆的位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 工程概況

某鐵路隧道擬采用雙護(hù)盾TBM施工，該隧道最大埋深約1 480 m，隧道半徑為5.2 m，巖層以花崗巖為主，隧道構(gòu)造應(yīng)力顯著，易產(chǎn)生巖爆。水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，在測(cè)量深度范圍內(nèi)主應(yīng)力隨地層深度的增加而增加，最大水平主應(yīng)力隨測(cè)試深度增加的幅度大于垂直主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力增加速度最小。區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)受構(gòu)造影響較大，水平主應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，為σhmax>σv>σhmin構(gòu)造型應(yīng)力場(chǎng)。擬合主應(yīng)力隨深度變化的公式為：

σhmax=0.027H-2.400 0；

(1)

σhmin=0.015 7H+0.618 7；

(2)

σv=0.019 3H-0.090 0。

(3)

式(1)—(3)中：σhmax為最大水平主應(yīng)力，MPa；σhmin為最小水平主應(yīng)力，MPa；σv為垂直主應(yīng)力，MPa；H為隧道埋深，m。

2 數(shù)值模擬

2.1 初始模型

為了削弱模型邊界的影響，模型邊界考慮圣維南原理，隧道邊界取3～5倍洞徑為宜[10]。模型寬度取120 m、高度取120 m、長(zhǎng)度取60 m。為了提高計(jì)算精度，將隧道及隧道附近圍巖的網(wǎng)格適當(dāng)加密。FLAC 3D數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 數(shù)值計(jì)算模型(單位： m)

郭延輝等[11]通過(guò)采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件對(duì)不同邊界條件進(jìn)行模擬試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，位移邊界條件、應(yīng)力邊界條件及混合邊界條件均不能滿足初始水平構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的模擬要求，而基于初始應(yīng)變能理論的效果較好。在采用位移邊界條件的情況下，將模型所有單元應(yīng)力初始化。模擬埋深為1 000 m，根據(jù)式(1)—(3)計(jì)算得到洞身附近σhmax為24.60 MPa、σhmin為16.32 MPa、σv為19.21 MPa，為σhmax>σv>σhmin構(gòu)造型應(yīng)力場(chǎng)。模型底面采用固定邊界，側(cè)面采用位移邊界條件，初始地應(yīng)力通過(guò)initialize命令賦予模型。將圍巖視作均質(zhì)、各向同性的彈塑性材料，材料采用摩爾-庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料，隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 隧道圍巖物理力學(xué)參數(shù)

2.2 TBM模擬

TBM在實(shí)際開(kāi)挖中，隧道開(kāi)挖中心線、刀盤(pán)回轉(zhuǎn)中心線、護(hù)盾中心線不在同一直線上，圍巖與護(hù)盾之間的間隙為上大下小的偏心分布。依據(jù)雙護(hù)盾TBM自身的結(jié)構(gòu)構(gòu)造以及圍巖與護(hù)盾之間間隙的偏心分布，對(duì)TBM的主要部件進(jìn)行模擬，主要部件尺寸如表2所示，雙護(hù)盾TBM模擬及細(xì)部構(gòu)造如圖2和圖3所示。模型中刀頭、護(hù)盾、管片及盾尾注漿采用彈性模型。通過(guò)改變盾尾注漿材料的彈性模量來(lái)模擬注漿材料的不同階段，注漿前1 m為軟質(zhì)階段，其余為凝固硬化階段。管片、刀頭、護(hù)盾及盾尾注漿等材料物理參數(shù)見(jiàn)表3。

表2 雙護(hù)盾TBM主要部件尺寸

圖2 雙護(hù)盾TBM模擬

圖3 雙護(hù)盾TBM細(xì)部構(gòu)造

表3 雙護(hù)盾TBM材料物理參數(shù)

刀頭、護(hù)盾及盾尾注漿與圍巖的相互作用通過(guò)建立接觸面來(lái)模擬。TBM掘進(jìn)施工中，安裝在TBM刀盤(pán)上的盤(pán)形滾刀在推力和滾動(dòng)力的共同作用下滾壓掌子面，使掌子面處巖石產(chǎn)生裂紋并破碎，以達(dá)到破巖開(kāi)挖隧道的目的[12-13]。通過(guò)對(duì)掌子面單元節(jié)點(diǎn)同時(shí)施加法向力及切向力來(lái)模擬刀盤(pán)對(duì)掌子面的推力及滾動(dòng)力，從而實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)對(duì)掌子面的滾壓作用。

TBM掘進(jìn)施工中，機(jī)身質(zhì)量作用在隧道底部圍巖上，對(duì)底部圍巖的應(yīng)力釋放有一定的抑制作用，因此，TBM機(jī)身質(zhì)量在數(shù)值模擬中不可忽視。機(jī)身質(zhì)量的模擬是通過(guò)法向力的方式施加在隧道底部1/4圓周上[14]。

2.3 TBM連續(xù)掘進(jìn)模擬

對(duì)TBM連續(xù)掘進(jìn)施工過(guò)程進(jìn)行模擬，每次開(kāi)挖向前掘進(jìn)1 m。TBM掘進(jìn)施工步驟如圖4所示。掘進(jìn)施工步驟為： 1)施加初始應(yīng)力初始化模型； 2)刀盤(pán)進(jìn)洞； 3)前盾進(jìn)洞，在圍巖與護(hù)盾之間建立接觸面，每步開(kāi)挖進(jìn)尺為1 m，同時(shí)在掌子面上施加法向力及切向力； 4)后盾進(jìn)洞，與前盾模擬方法一致； 5)激活管片及注漿回填； 6)注漿回填材料凝固硬化。

(a) 模型初始化 (b) 刀盤(pán)進(jìn)洞

(c) 前盾進(jìn)洞 (d) 后盾進(jìn)洞

(e) 注漿未硬化階段 (f) 注漿凝固硬化階段

在FLAC 3D數(shù)值模型中，通常將隧道模型沿掘進(jìn)方向劃分成若干個(gè)小的開(kāi)挖步，然后逐步對(duì)每個(gè)開(kāi)挖步賦予null模型實(shí)現(xiàn)隧道的開(kāi)挖。然而，TBM掘進(jìn)開(kāi)挖是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，如果每2個(gè)開(kāi)挖步之間計(jì)算至平衡，即使將模型的網(wǎng)格尺寸劃分得足夠小，也無(wú)法有效地模擬TBM開(kāi)挖過(guò)程的連續(xù)性，而且會(huì)消耗太多的時(shí)間步。為了更真實(shí)有效地模擬TBM連續(xù)開(kāi)挖過(guò)程，采用逐步釋放不平衡力的方法，并以0.875作為應(yīng)力釋放系數(shù)[15]。具體做法為： 考慮模型計(jì)算時(shí)間步的消耗，將沿隧道開(kāi)挖方向的網(wǎng)格進(jìn)行適當(dāng)加密；每個(gè)開(kāi)挖循環(huán)完成后，計(jì)算1步； 提取當(dāng)前開(kāi)挖步周邊單元節(jié)點(diǎn)上的不平衡力，乘以1與應(yīng)力釋放系數(shù)0.875的差值； 將所得到的數(shù)值以反向荷載的形式施加于開(kāi)挖步周邊單元節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算至平衡。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 應(yīng)力分布

在拱頂、拱肩、拱腰、拱腳和拱底處分別設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)斷面Y方向坐標(biāo)為30 m。測(cè)點(diǎn)分布如圖5所示。

圖5 測(cè)點(diǎn)分布

初始地應(yīng)力狀態(tài)下，地層區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)受地質(zhì)構(gòu)造影響較大，水平主應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，隧道洞身附近最大主應(yīng)力方向?yàn)闄M向(x)，中間主應(yīng)力方向?yàn)樨Q向(z)，最小主應(yīng)力方向?yàn)榫蜻M(jìn)方向(y)。為了明確TBM掘進(jìn)施工中的圍巖應(yīng)力分布特征，研究了各測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1、中間主應(yīng)力σ2、最小主應(yīng)力σ3、豎向應(yīng)力σz、掘進(jìn)方向應(yīng)力σy以及橫向應(yīng)力σx隨掌子面推進(jìn)距離的變化規(guī)律，如圖6所示。

由圖6(a)可知： 當(dāng)掌子面距離監(jiān)測(cè)斷面較遠(yuǎn)時(shí)，σ1、σ2和σ3分別與σx、σz和σy的變化趨勢(shì)一致且數(shù)值相近，說(shuō)明此時(shí)TBM開(kāi)挖對(duì)監(jiān)測(cè)斷面處圍巖的擾動(dòng)極小，圍巖應(yīng)力狀態(tài)與初始地應(yīng)力狀態(tài)基本一致； 當(dāng)掌子面在監(jiān)測(cè)斷面前方10 m左右(約1倍洞徑)時(shí)，應(yīng)力變化明顯，σ1依然和σx數(shù)值相近且變化規(guī)律一致，但此時(shí)σ2與σy以及σ3與σz變化規(guī)律一致； 當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面且圍巖應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，σ1、σ2和σ3分別與σx、σy和σz數(shù)值接近； 由于各主應(yīng)力間方向兩兩垂直，且σx、σy和σz方向兩兩垂直，說(shuō)明在TBM開(kāi)挖后，σ1的方向大致為橫向，σ2的方向由豎向轉(zhuǎn)變?yōu)榫蜻M(jìn)方向，σ3的方向由掘進(jìn)方向轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向； 當(dāng)所有應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，σ1表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中，σ2、σ3則表現(xiàn)出一定的卸荷特性，其中σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.78倍、1.07倍和0.43倍。由圖6(e)可知，拱底各應(yīng)力變化規(guī)律與拱頂基本一致，拱底各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.80倍、1.06倍和0.43倍。

(a) 拱頂 (b) 拱肩 (c) 拱腰

由圖6(b)和圖6(d)可知： 當(dāng)掌子面通過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，只有σ2與σy的變化趨勢(shì)一致，且σx總體上呈下降趨勢(shì)，當(dāng)各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，只有σ2與σy數(shù)值接近，此時(shí)σ1與σx或σz，σ3與σx或σz應(yīng)力數(shù)值并不接近，σ2與σy雖然數(shù)值接近，但兩者方向不一定一致； 當(dāng)拱肩、拱腳各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，拱肩處σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.35倍、0.92倍和0.47倍，拱腳處σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.46倍、0.95倍和0.47倍。

由6(c)可知，當(dāng)拱腰各應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，σ1、σ2、σ3分別與σz、σy、σx數(shù)值相近，說(shuō)明此時(shí)σ1的方向大致為豎向，σ2的方向大致為掘進(jìn)方向，σ3的方向大致為橫向，σ1、σ2和σ3分別為初始地應(yīng)力狀態(tài)的1.10倍、0.80倍和0.42倍。

由以上分析可知，TBM開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)掌子面前方10 m左右(約1倍洞徑)的圍巖應(yīng)力造成顯著影響，在開(kāi)挖完成向前推進(jìn)10 m左右時(shí)，各應(yīng)力趨于穩(wěn)定水平。TBM開(kāi)挖后，各測(cè)點(diǎn)的σ2和σ3均表現(xiàn)出一定的卸荷特征，除拱腰外，其余測(cè)點(diǎn)的σ1均表現(xiàn)出明顯的應(yīng)力集中，其中拱頂和拱底最為明顯。TBM開(kāi)挖過(guò)程中，隨著掌子面的推進(jìn)，拱頂和拱底各應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，拱肩和拱腳各應(yīng)力變化規(guī)律基本一致，TBM隧道圍巖應(yīng)力大致呈上下對(duì)稱分布，TBM的質(zhì)量對(duì)隧道圍巖應(yīng)力的分布影響很小。

3.2 應(yīng)力集中力流解釋

為分析TBM隧道掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)力集中的原因，采用機(jī)械工程中統(tǒng)一強(qiáng)度理論的結(jié)構(gòu)力流優(yōu)化分析方法(即力流法)。力流法用于分析受力系統(tǒng)中力的傳遞，將力的傳遞擬作水的流動(dòng)，用力線表示力流路徑，力線的疏密反映應(yīng)力的大小[16]。

初始地應(yīng)力狀態(tài)下，隧道洞身附近最大主應(yīng)力方向?yàn)闄M向，中間主應(yīng)力方向?yàn)樨Q向，可將隧道附近圍巖視為其余巖體作用下的受力系統(tǒng)。依據(jù)力流的特點(diǎn)(力流傳遞遵循路徑最短原則，力流轉(zhuǎn)向遵循平緩原則)，繪制隧道力流路徑圖，如圖7所示。

圖7 隧道力流路徑圖

由圖7可知，隧道開(kāi)挖后豎向應(yīng)力力流主要在拱腰處形成力線密集區(qū)，橫向應(yīng)力力流主要在拱頂及拱底處形成力線密集區(qū)。由此可知： 在拱頂及拱底處，由于開(kāi)挖卸荷，橫向應(yīng)力會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，致使σ1數(shù)值與σx相近； 豎向應(yīng)力在拱頂及拱底處表現(xiàn)出應(yīng)力分散的特性，使得拱頂豎向應(yīng)力顯著下降，致使σ3數(shù)值與σz相近； 由于各主應(yīng)力間方向兩兩垂直，開(kāi)挖完成后，致使拱頂及拱底處σ2數(shù)值與σy相近，且σ1、σ2、σ3的大致方向分別為橫向(x)、掘進(jìn)方向(y)、豎向(z)。同理，拱腰處由于橫向應(yīng)力力流的轉(zhuǎn)向，使得σx大幅下降，從而致使σ3與σx方向基本一致，數(shù)值相近；σz在拱腰處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得拱腰處σz增大，從而致使σ1與σz方向基本一致，數(shù)值相近，σ2與σy方向基本一致，數(shù)值相近。當(dāng)拱腰處所有應(yīng)力趨于穩(wěn)定后，σ2、σ3呈現(xiàn)出一定的卸荷特征，σ1表現(xiàn)出一定的應(yīng)力集中，但不明顯，說(shuō)明橫向應(yīng)力的重分布對(duì)σ1的應(yīng)力集中程度影響顯著。

由圖6(b)和圖6(d)可知，TBM開(kāi)挖后，拱肩與拱腳處橫向應(yīng)力和豎向應(yīng)力均不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，且橫向應(yīng)力大幅下降，而拱肩與拱腳的最大主應(yīng)力卻依然表現(xiàn)出顯著的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要原因可能是在這種力流路徑下造成拱肩與拱腳處的徑向剪應(yīng)力增大。圖8為隧道開(kāi)挖后圍巖徑向剪應(yīng)力云圖。

圖8 隧道開(kāi)挖后圍巖徑向剪應(yīng)力云圖(單位： Pa)

由圖8可知，剪應(yīng)力主要在拱肩和拱腳處產(chǎn)生應(yīng)力集中，且在數(shù)值上呈上下對(duì)稱分布，拱頂、拱底和拱腰處剪應(yīng)力極小。由此說(shuō)明，拱肩與拱腳處σ1應(yīng)力集中主要是由于剪應(yīng)力大幅增加造成的，而拱頂、拱底與拱腰處σ1應(yīng)力集中主要是由于正應(yīng)力大幅增加造成的，這與上述拱頂、拱底與拱腰的應(yīng)力分析結(jié)果一致。

由以上分析可知，在TBM隧道中，力流路徑對(duì)應(yīng)力分布影響顯著，拱頂和拱底、拱肩和拱腳、拱腰處σ1應(yīng)力集中分別主要來(lái)自橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力和豎向應(yīng)力，在水平應(yīng)力構(gòu)造顯著的情況下，σx的重分布對(duì)σ1的應(yīng)力集中程度影響顯著。

3.3 彈性應(yīng)變能結(jié)果分析

隧道開(kāi)挖后，由于開(kāi)挖卸荷，巖石會(huì)釋放部分彈性應(yīng)變能，但是開(kāi)挖后應(yīng)力的重分布反而可能造成部分巖體彈性應(yīng)變能的積聚，當(dāng)彈性應(yīng)變能積聚到一定程度時(shí)極有可能發(fā)生巖爆。由此，要分析隧道開(kāi)挖后圍巖的穩(wěn)定性，有必要對(duì)隧道開(kāi)挖后彈性應(yīng)變能的重新分布進(jìn)行研究。

彈性應(yīng)變能可用3個(gè)主應(yīng)力表示，為

σ2σ3)]。

(4)

式中：Ue為彈性應(yīng)變能，kJ/m3；E為彈性模量，MPa；σ1、σ2和σ3為圍巖的3個(gè)主應(yīng)力，MPa；ν為泊松比。

計(jì)算過(guò)程中，基于FLAC 3D內(nèi)置的fish語(yǔ)言，依據(jù)式(4)對(duì)各測(cè)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并繪制各測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力與彈性應(yīng)變能變化曲線，如圖9所示。

(a) 拱頂 (b) 拱肩 (c) 拱腰

由圖9可知： 各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變能均在距監(jiān)測(cè)斷面10 m左右時(shí)開(kāi)始躍升，且隨著掌子面的推進(jìn)，增長(zhǎng)幅度越來(lái)越大，在掌子面到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變能均達(dá)到最大； 當(dāng)掌子面推過(guò)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變能在出現(xiàn)突然的大幅度跌落后繼續(xù)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度越來(lái)越??； 當(dāng)掌子面推過(guò)監(jiān)測(cè)斷面10 m左右時(shí)，各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變能趨于穩(wěn)定。各測(cè)點(diǎn)的彈性應(yīng)變能均較開(kāi)挖前高，其中拱底和拱頂彈性應(yīng)變能增長(zhǎng)幅度最大，分別為開(kāi)挖前的2.842倍和2.807倍； 拱腳和拱肩其次，分別為開(kāi)挖前的1.859倍和1.592倍； 拱腰最小，為開(kāi)挖前的1.075倍。

文獻(xiàn)[17-18]的研究認(rèn)為花崗巖等硬質(zhì)巖彈性應(yīng)變能大于40 kJ/m3時(shí)即有可能發(fā)生巖爆，彈性應(yīng)變能大于100 kJ/m3時(shí)發(fā)生巖爆的可能性較大。隧道穿越巖層以花崗巖為主，TBM開(kāi)挖后，拱肩和拱腳的彈性應(yīng)變能大于40 kJ/m3，有發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)； 拱頂和拱底的彈性應(yīng)變能大于100 kJ/m3，發(fā)生巖爆的可能性較大； 拱腰處的彈性應(yīng)變能水平較低，發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)較小。由此可知，在穿越巖層以花崗巖為主的TBM隧道中，最有可能發(fā)生巖爆的位置為拱底和拱頂，其次為拱腳和拱肩。

由圖9分析可知，TBM隧道中各測(cè)點(diǎn)彈性應(yīng)變能變化趨勢(shì)與σ1變化趨勢(shì)一致，σ2及σ3對(duì)彈性應(yīng)變能的變化規(guī)律影響不明顯，且圍巖彈性應(yīng)變能大致呈上下對(duì)稱分布，與應(yīng)力的重分布規(guī)律一致，說(shuō)明TBM隧道開(kāi)挖中圍巖彈性應(yīng)變能躍升主要是由于σ1應(yīng)力集中引起的。由TBM隧道圍巖應(yīng)力分析可知，橫向應(yīng)力的重分布對(duì)最大主應(yīng)力的應(yīng)力集中程度影響顯著，σ1應(yīng)力集中程度從大到小依次為拱底、拱頂、拱腳、拱肩和拱腰。由以上分析可知，彈性應(yīng)變能躍升水平依次為拱底、拱頂、拱腳、拱肩和拱腰，與應(yīng)力集中程度排序一致。由此分析可知，TBM在橫向應(yīng)力顯著的水平構(gòu)造型應(yīng)力場(chǎng)中開(kāi)挖時(shí)，橫向應(yīng)力的重分布通過(guò)影響σ1的應(yīng)力集中程度從而使圍巖彈性應(yīng)變能躍升。橫向應(yīng)力重分布是TBM隧道圍巖彈性應(yīng)變能積聚的主要原因，σ1的應(yīng)力集中程度反映了彈性應(yīng)變能的躍升水平。

4 結(jié)論與討論

依托實(shí)際鐵路隧道工程，采用FLAC 3D數(shù)值模擬軟件建立TBM隧道掘進(jìn)模型，對(duì)隧道圍巖應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，并基于力流理論解釋了應(yīng)力集中的原因，最后結(jié)合彈性應(yīng)變能理論對(duì)隧道巖爆位置進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到以下結(jié)論。

1)TBM開(kāi)挖過(guò)程中會(huì)對(duì)掌子面前方10 m左右(約1倍洞徑)的圍巖應(yīng)力及彈性應(yīng)變能造成顯著影響，在開(kāi)挖完成向前推進(jìn)10 m左右時(shí)，各應(yīng)力及彈性應(yīng)變能趨于穩(wěn)定。

2)TBM隧道開(kāi)挖過(guò)程中，圍巖應(yīng)力及彈性應(yīng)變能變化規(guī)律大致呈上下對(duì)稱分布，TBM的質(zhì)量對(duì)圍巖應(yīng)力重分布影響極小。

3)在橫向應(yīng)力顯著的水平構(gòu)造型應(yīng)力場(chǎng)中，橫向應(yīng)力的重分布對(duì)最大主應(yīng)力的應(yīng)力集中程度影響顯著，拱頂和拱底、拱肩和拱腳、拱腰處最大主應(yīng)力集中分別主要是由橫向應(yīng)力、剪應(yīng)力、豎向應(yīng)力集中引起的。

4)TBM隧道開(kāi)挖過(guò)程中圍巖彈性應(yīng)變能躍升主要是由于σ1應(yīng)力集中引起的，σ1的應(yīng)力集中程度反映了彈性應(yīng)變能的躍升水平。在穿越巖層以花崗巖為主的TBM硬巖隧道中，拱頂和拱底的應(yīng)力集中程度最大，彈性應(yīng)變能躍升水平最高，發(fā)生巖爆的可能性最大，其次為拱肩和拱腳，拱腰處彈性應(yīng)變能水平較低，發(fā)生巖爆的風(fēng)險(xiǎn)較小。

5)機(jī)械工程中統(tǒng)一強(qiáng)度理論的結(jié)構(gòu)力流優(yōu)化分析方法可以用于解釋隧道開(kāi)挖應(yīng)力重分布的產(chǎn)生機(jī)制，可為此類研究工作提供參考。

本文僅研究了隧道沿與最大主應(yīng)力方向垂直開(kāi)挖時(shí)引起的圍巖擾動(dòng)，然而許多隧道的最大主應(yīng)力方向可能與隧道掘進(jìn)方向一致，也可能與隧道軸線方向存在一定夾角，因此，不同應(yīng)力場(chǎng)下圍巖的擾動(dòng)尚需研究。此外，本文僅以彈性應(yīng)變能大小為指標(biāo)預(yù)測(cè)了巖爆的發(fā)生位置，而巖爆的發(fā)生與諸多因素有關(guān)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也建立了許多關(guān)于巖爆的判據(jù)，下一步的研究應(yīng)當(dāng)考慮從不同的判據(jù)預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生位置。