摘要：在軟巖環(huán)境下使用TBM施工時，遇卡機等事故處理和設備檢修更換常需TBM停機，預留變形量和停機時間是TBM安全運行的關(guān)鍵。依托白龍江引水工程六盤山泥巖隧洞，根據(jù)實際地質(zhì)條件、隧道結(jié)構(gòu)和TBM施工流程，采用數(shù)值計算的方法研究了TBM停機狀態(tài)下圍巖的變形特征及其與護盾的相互作用，并分析了合理的預留變形量和停機時間。結(jié)果表明：① 該工程砂質(zhì)泥巖為極軟巖，流變性顯著且服從Cvisc和Burgers模型，預留足夠的變形量和快速掘進可保證TBM安全通過；② 在停機期間，圍巖變形具有顯著時空效應，變形先快后慢，垂直位移大于水平位移，護盾后部圍巖位移大于前部；③ 巖機相互作用的時空效應表現(xiàn)為，自下而上、由后至前，相繼經(jīng)歷無接觸-局部接觸-完全接觸-強烈擠壓的過程；④ 預留變形為10 cm時的TBM安全停機時間不宜超過7 d。研究成果對認識軟巖中TBM停機期間巖機相互作用具有理論參考意義。

關(guān) 鍵 詞：軟巖； TBM； 停機時間； 流變； 巖機相互作用； Cvisc模型； 六盤山隧洞

中圖法分類號： TU45；TU94 文獻標志碼： A DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.02.021

0 引 言

工程實踐表明，當隧洞的長徑比達到800時，TBM具有施工效率高、工程成本低、環(huán)保效果好、圍巖穩(wěn)定性控制佳等優(yōu)勢，是引水工程、交通工程、礦山巷道等長距離地下工程施工的首選方法［1-2］。另一方面，TBM對軟巖的適應性較差，經(jīng)常甚至反復出現(xiàn)卡機乃至埋機等重大工程事故［2-4］。因此，軟巖中TBM應用和適宜性研究受到廣泛關(guān)注［2，5-7］。

研究表明，針對軟巖地層中TBM的應用，尤其是TBM安全施工和工程事故中的解困和脫困［2］，除基于軟巖特性的TBM合理造型［4］和及時清潔刀具［5］等措施外，合理設置擴挖間隙、護盾和洞壁之間注入油脂、鉆爆法預處理、設置超前支護、加快掘進速度等措施［5，8-11］，也可降低軟巖中TBM施工卡機風險。軟巖地層中TBM卡機的原因主要是軟巖的大變形對TBM護盾的強烈擠壓［12］，經(jīng)統(tǒng)計，由軟巖擠壓變形導致的工程事故占TBM事故的37%［5］。無論是巖性軟弱的地質(zhì)軟巖、還是高地應力作用下的工程軟巖，開挖引起軟弱巖體損傷-膨脹、破碎-膨脹和蠕變等地層強烈擠壓是不可避免的［13-14］。當擠壓變形量超過TBM擴挖間隙時，圍巖將強烈擠壓護盾，若TBM推力不足以克服盾面摩擦阻力，護盾就會被卡死甚至損壞［3，5，8］。因此，學者們采用包括數(shù)值計算在內(nèi)的各種方法，研究不同類型軟巖中（如地質(zhì)軟巖［10-11，15-16］、高應力軟巖［9，12，17］等）TBM卡機的機理，以及軟巖地層中TBM護盾與圍巖相互作用機理、護盾與圍巖相互作用的摩擦阻力，并由相互作用機理和摩擦阻力建立TBM卡機判據(jù)［17］。

綜上所述，當前軟巖地層中TBM的適用性、安全施工以及卡機機理等方面已取得了豐富的成果。然而事實上，軟巖地層TBM施工過程中，班組交接、設備維保、刀具檢查與更換等短時間停機不可避免，設備故障的卡機處理等原因?qū)е碌拈L時間停機也時有發(fā)生。針對軟巖地層中因上述原因?qū)е碌腡BM停機狀態(tài)下，圍巖變形的發(fā)展演化以及合理的停機時間，目前尚缺乏深入研究。為此，本文以六盤山深埋輸水隧洞TBM施工為例，在軟巖流變特性研究的基礎上，結(jié)合軟巖的地質(zhì)條件和所處的地應力環(huán)境，根據(jù)實際的工程布局、結(jié)構(gòu)設計和TBM施工工序，采用FLAC3D研究軟巖中TBM停機狀態(tài)下圍巖變形的時間效應和空間效應，分析圍巖與護盾相互作用的時間和空間特征，據(jù)此確定軟巖地層中合理的停機時間，以期為軟巖地層中隧洞TBM的設計和施工提供參考。

1 工程概況

白龍江引水工程六盤山隧洞全長逾50 km，隧洞區(qū)共發(fā)育13套地層，共30余種巖性，進口段和出口段均為新近系砂質(zhì)泥巖，其中進口方向泥巖段長12.5 km。本文以進口段埋深最大的泥巖段為研究對象（見圖1）。

該段工程地質(zhì)條件較差，圍巖質(zhì)量以Ⅴ級為主，局部為Ⅳ級。根據(jù)鉆孔ZK03揭示和地面地質(zhì)調(diào)查，巖體為近水平層狀砂質(zhì)泥巖，產(chǎn)狀NW320°SW∠6°，單層厚度較大，一般大于2.0 m；巖體完整，除層面外，其他結(jié)構(gòu)面基本不發(fā)育。鉆孔ZK03的巖石室內(nèi)試驗結(jié)果（見表1）表明，巖石為軟巖-極軟巖，強度低，抗變形能力弱，具弱膨脹性。鉆孔ZK03揭露顯示，該段砂質(zhì)泥巖內(nèi)無地下水。另外根據(jù)鉆孔ZK03地應力實測成果，該段以自重應力場為主，最大埋深210 m處最大水平應力σH=2.71 MPa，豎向應力σV=5.02 MPa。

該工程所有引水隧洞的斷面形態(tài)均為圓形洞室，為縮短工期以使工程盡早投入運營，總體采用TBM施工（見圖2），同時為照顧全洞施工的便利性，進口砂質(zhì)泥巖段也擬采用TBM施工。該段預留開挖變形量為10 cm。

2 軟巖的流變特性與流變力學模型

2.1 砂質(zhì)泥巖的蠕變特性

鑒于巖層近水平，天然應力場為自重應力場，σV=5.02 MPa、σH=2.71 MPa，基于實際地應力場和巖體條件制訂試驗方案，對ZK03鉆孔所取泥巖樣進行常規(guī)三軸壓縮蠕變試驗，采用單試件分級增量加載方式，取固定圍壓σ2=σ3=2.7 MPa，軸壓σ1分4級施加，分別為3，4，5，6 MPa。

試驗歷時525 h，試驗結(jié)果見圖3。前3級恒定軸壓下，泥巖均表現(xiàn)為趁穩(wěn)蠕變，等速蠕變段曲線斜率隨恒定軸壓增大而增大；恒定軸壓為6.0 MPa時為非趁穩(wěn)蠕變，試件應變量大，出現(xiàn)明顯鼓脹。

2.2 流變模型及參數(shù)辨識

Cvisc模型由Burgers模型與M-C塑性體串聯(lián)而成，能較好地反映巖石三向壓縮蠕變過程中的衰減和穩(wěn)態(tài)蠕變特性，以及高應力水平下的塑性變形［16］。Cvisc模型的本構(gòu)方程為

式中：eij為偏應變張量；Sij為偏應力張量；G1，η1為Maxwell體的剪切模量和黏滯系數(shù)；G2，η2為Kelvin體的剪切模量和黏滯系數(shù)；t為蠕變時間。

3 TBM施工巖機相互作用規(guī)律

3.1 計算模型及計算參數(shù)

3.1.1 幾何模型

本文以隧洞進口埋深最大的砂質(zhì)泥巖段為研究對象，見圖1中框線位置。鑒于所處位置埋深大而洞室斷面較小，屬深埋洞室，可忽略地表局部起伏的影響，以隧洞中心為基準建立幾何模型。同時，為消除邊界效應的影響，模型橫向（x）的寬度取60 m（大于洞徑10倍），隧道軸向（y）的長度取60 m，豎向（z）高度取60 m。最終模型見圖5。

3.1.2 計算參數(shù)

砂質(zhì)泥巖段軟弱圍巖的本構(gòu)模型采用Cvisc蠕變模型，基本物理力學參數(shù)見表1，流變參數(shù)結(jié)合實際應力狀態(tài)選取表2中軸壓為5 MPa時的擬合值。因隧洞中上部有錨桿注漿超前支護，注漿可提高圍巖力學參數(shù)，因此參考已有研究成果［18］，注漿范圍內(nèi)巖體彈性模量提高50%，而黏聚力和內(nèi)摩擦角等參數(shù)保持不變。

TBM護盾、管片、回填層均采用線彈性實體單元，計算參數(shù)按設計值選?。ㄒ姳?）。管片背后回填層是豆礫石加現(xiàn)注漿而成，有逐漸硬化的過程。為方便計算，參考混凝土力學性質(zhì)發(fā)展規(guī)律［19］，并根據(jù)該工程設計的TBM施工速度，簡化回填層的硬化過程。本文主要涉及回填層變形，故用彈性模量變化來反映硬化的階段性變化。為此，假設隨著TBM向前推進，護盾后方0～10、10～20、20～30 m范圍內(nèi)回填層彈性模量分別取設計模量值的1/5，1/4，3/4，30 m以后的砂質(zhì)泥巖段選用設計模量值。

3.1.3 邊界條件

根據(jù)該段的賦存環(huán)境特征，天然地應力場按自重應力場考慮且忽略地下水，水平邊界均為位移約束，底邊界為z方向約束，頂面為應力邊界，量值大小為上覆巖體自重。鑒于該段隧道圍巖為軟巖，須考慮TBM的機械自重（約10 MN），本文按慣常做法，將其等效疊加到盾殼的重度之中。停機狀態(tài)下，掌子面圍巖也向凈空方向收斂，因而擠出與TBM刀盤接觸，產(chǎn)生相互作用力，刀盤對掌子面的支撐作用阻止掌子面圍巖內(nèi)擠。為此，在掌子面上施加推力（面力）。

3.2 數(shù)值計算方案

計算嚴格按照設計的TBM施工工序和掘進速度執(zhí)行，實時設置超前錨桿、掘進（開挖）、管片安裝、背后回填，采用FLAC3D模擬真實掘進過程。

為反映TBM停機狀態(tài)下圍巖變形和巖機相互作用及其時間效應和空間效應，模型中設置了若干計算監(jiān)測斷面、監(jiān)測線和監(jiān)測點，如圖6所示。在掘進至20 m處（斷面Ⅰ）設置1次TBM停機，掘進至40 m處（斷面Ⅱ）設置再次停機；整個隧道左側(cè)墻中點和洞頂中心各設置1條計算監(jiān)測線，分別為H和V；護盾頂部位置設置3個計算監(jiān)測點，前端、中部和尾端分別為A、B、C，與之對應的洞壁圍巖位置分別為A′、B′、C′。

3.3 TBM停機狀態(tài)下巖機相互作用特征

3.3.1 圍巖瞬時變形與TBM適宜性

計算結(jié)果（見圖7～8）表明，因圍巖為軟巖，圍巖變形具有強烈的時間效應，當TBM推進到某位置時，掌子面及其前方一定范圍內(nèi)的待開挖巖體已經(jīng)發(fā)生了一定的徑向變形。對比圖7（a）與圖8（a）或者圖7（b）與圖8（b），停機之初（停機時間td= 0）掌子面及前方圍巖頂部徑向變形（垂直向下變形）大于邊墻徑向變形（水平變形），掌子面上洞頂中心和邊墻中心的徑向位移分別為1.1 cm和0.2 cm。

護盾范圍內(nèi)前部的圍巖變形較小，后部圍巖變形逐漸增大，至盾尾附近達到最大（見圖7～8）。以斷面Ⅰ處停機為例，護盾范圍內(nèi)，尾端、中部和前部的洞頂圍巖垂直位移分別為4.5，3.6，2.3 cm（見圖8），邊墻中心水平位移分別為1.4，1.0，0.5 cm（見圖7）。

綜上所述，TBM停機之初，護盾范圍內(nèi)洞壁最大瞬時變形小于預留變形量（10 cm），故在快速通過的前提下，該段軟巖中采用TBM開挖是可行的。

3.3.2 停機期間圍巖變形的時間和空間效應

（1） 護盾后方圍巖的徑向變形。TBM停機狀態(tài)下，護盾后方圍巖可正常完成支護措施，管片背后回填層因逐漸硬化而強度提升，形成圍巖-回填-管片體系，圍巖變形得到有效控制。斷面Ⅰ處TBM停機的情況下，停機時間td為30 d時，側(cè)壁和洞頂?shù)淖畲髲较蛭灰品謩e為4.0 cm和12.1 cm（見圖7（a）和圖8（a）），若斷面Ⅱ處再次停機，停機30 d時側(cè)壁和洞頂徑向位移分別為5.0 cm和13.7 cm（見圖7（b）和圖8（b））。

（2） 護盾范圍內(nèi)圍巖的徑向變形。TBM停機狀態(tài)下，除后端管片接觸處和前端掌子面接觸處外，護盾范圍的圍巖在整個停機期間處于裸露狀態(tài)而不受約束，在圍巖應力作用下持續(xù)發(fā)生不受抑制的時效變形。

護盾范圍內(nèi)隧洞側(cè)壁水平位移隨停機時間td增加而增大，但量值較小（見圖7）。斷面Ⅰ處停機30 d，護盾尾部附近側(cè)壁最大水平位移為4.1 cm，接近后方已支護圍巖的變形，見圖7（a）。若在斷面Ⅱ處再次停機，停機30 d時盾尾附近側(cè)壁最大位移為4.9 cm，見圖7（b）。受TBM推力作用下掌子面及未開挖巖體的約束，護盾前部位置處的側(cè)壁位移相對較小，停機30 d后變形量為2.5～3.3 cm。

護盾范圍內(nèi)洞頂垂直位移隨停機時間td增加而顯著增大。以斷面Ⅰ處停機為例，停機0，7，13，15，30 d，盾尾對應處洞頂圍巖的垂直位移分別為4.50，8.15，10.07，10.23，11.04 cm，見圖9中曲線C′。中部和前部洞頂圍巖變形的演化規(guī)律基本相似。洞頂變形的總體特征表現(xiàn)是：相同時間時，變形從后向前逐漸遞減；從后向前達到預留變形量的時間依次滯后（后、中和前分別為13，23，30 d），如圖9所示。斷面Ⅱ處停機的變形特征與斷面Ⅰ相似，只是量值略大。

（3） 掌子面及前方圍巖的徑向變形。對于掌子面及前方圍巖，雖然掌子面受到TBM的推力而有支撐作用，但隨著停機的持續(xù)，圍巖也發(fā)生一定程度時效變形，斷面 Ⅰ 處停機30 d后，掌子面頂部和側(cè)壁的徑向位移分別為5.1 cm和0.7 cm，斷面 Ⅱ 處再次停機30 d后，掌子面頂部和側(cè)壁的徑向位移分別為6.3 cm和 0.5 cm。

3.3.3 停機期間護盾-圍巖的相互作用

（1） 護盾變形。當護盾范圍內(nèi)圍巖變形量達到預留變形量時，圍巖便與護盾開始接觸而相互作用。停機之初，護盾與圍巖不接觸，護盾基本無位移。

隨著停機的持續(xù)，由于護盾范圍內(nèi)裸露圍巖的流變效應，加之后方圍巖-回填層-管片體系的變形連帶影響，圍巖變形逐漸增大。尤其側(cè)壁位移逐漸增大（后部大于前部，見圖7和圖9）導致洞底和側(cè)壁下部逐漸與護盾接觸（后部先于前部），護盾從后向前、自下而上發(fā)生較小的變形，但頂部因未擠壓而幾乎無變形，見圖10（a）。至第7天，圍巖變形進一步發(fā)展導致護盾自下而上與圍巖接觸面積更大，護盾變形因之增大，尤其后部洞頂和側(cè)壁最大位移達到7.6 cm和2.8 cm（見圖7（a）和圖8（a）），導致護盾后部發(fā)生明顯變形，如圖10（b）所示。

停機第13 d，護盾范圍內(nèi)后部圍巖位移已達到預留變形量（圖9中曲線C′），護盾后部（C點）與圍巖完全接觸，從而發(fā)生明顯變形，并帶動中部發(fā)生變形，如圖10（c）所示。根據(jù)前述圍巖變形的時間效應和空間效應，護盾從后往前、自下而上逐漸與圍巖完全接觸，第23天中部完全接觸，大約第30天整體完全接觸，見圖9中曲線B′和A′。

（2） 護盾摩阻力。由文獻［17］可知，當圍巖與TBM護盾接觸時，圍巖-護盾間的摩擦阻力

TBM停機時處于靜摩擦狀態(tài)，參照文獻［17］，取靜摩擦系數(shù)f=0.32；盾殼所受圍巖的法向壓力P′s（y）由盾殼與圍巖的接觸面單元的數(shù)值計算結(jié)果提取。由式（4）計算護盾-圍巖間的摩阻力Fr及其隨時間的變化，結(jié)果見圖11。由圖11可知，剛停機時，護盾僅底部與圍巖接觸，所受摩阻力Fr很小，停機7 d以內(nèi)（td≤7 d），F(xiàn)r以小于5 MN/d的變化率緩慢增長至42.7 MN。停機第8天開始，曲線斜率變陡，表明圍巖與護盾完全接觸并開始明顯擠壓，F(xiàn)r增長迅速，第13天，F(xiàn)r達到138.7 MN；此后Fr持續(xù)增大，但變化率逐漸減小，第15，23，30天，F(xiàn)r分別為和183.3，293.0，304.6 MN。

4 結(jié) 論

（1） 工程砂質(zhì)泥質(zhì)為極軟巖-軟巖，力學性質(zhì)極差。注漿錨桿超前支護后，TBM護盾范圍內(nèi)的圍巖瞬時變形量最大為4.9 cm，小于預留變形量（10.0 cm），在注漿錨桿超前支護和快速通過的前提下，在該軟巖地層中使用TBM施工具有可行性。

（2） 該軟巖具有顯著的流變性，并服從Burgers模型。在開挖卸荷、重分布圍巖應力、TBM刀盤推力對掌子面的支撐、后方圍巖-管片-回填層體系的抑制以及圍巖流變等因素共同作用下，隧洞圍巖變形具有顯著的時間效應和空間效應。

（3） TBM停機狀態(tài)下，護盾范圍內(nèi)圍巖變形的時空效應表現(xiàn)為圍巖徑向位移隨停機時間增加而呈現(xiàn)出先快后慢的增加規(guī)律，垂直變形大于水平變形，后部變形大于前部變形，后部早于前部達到預留變形量，后部、中部和前部達到預留變形量的停機時間分別為13，23 d和30 d。

（4） TBM停機期間，護盾與圍巖間經(jīng)歷了無接觸-局部接觸（局部擠壓）-完全接觸（輕微擠壓）-強烈擠壓的相互作用過程。受控于護盾范圍內(nèi)圍巖變形的時空效應，護盾從后往前、自下而上相繼與圍巖接觸，護盾變形和盾面摩阻力不斷增大。停機7 d時洞頂和側(cè)壁最大位移達到7.6 cm和2.8 cm，雖未達到預留變形，但底部和側(cè)壁下部已有較大面積接觸，摩阻力達到42.7 MN并快速增加，據(jù)此，該軟巖中TBM停機時間不宜超過7 d。

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（編輯：胡旭東）

Interaction law between shield and rock under TBM shutdown in soft rockSI Cailong1，HOU Yapeng2，LIU Gao2

（1.Gansu Water Resources and Hydropower Survey Design Institute Co.，Ltd.，Lanzhou 730030，China； 2.College of Civil Engineering and Mechanics，Lanzhou University，Lanzhou 730000，China）

Abstract： When TBM is used for construction in soft rock environment，TBM shutdown is often required in case of accidents such as jamming or equipment maintenance and replacement.Reserved deformation and shutdown time are the key to the safe operation of TBM.Based on the Liupanshan mudstone tunnel of Bailong River diversion project，according to the actual geological conditions，tunnel structure and TBM construction process，the deformation characteristics of surrounding rock and its interaction with shield under TBM shutdown were studied by numerical calculation method，and the reasonable reserved deformation and shutdown time were analyzed.The results showed that：① The sandy mudstone in the project was extremely soft rock with significant rheology and conforms to the CVisc and Burgers models.Sufficient reserve margin and rapid excavation could ensure the safe passage of TBM.② During the shutdown period，the deformation of surrounding rock had a significant time-space effect.The deformation was fast at first and then slow.The vertical displacement was greater than the horizontal displacement，and the displacement of surrounding rock in the shield rear was greater than that in the front.③ The space-time effect of rock-shield interaction was manifested as a process of non contact-local contact-complete contact-strong extrusion from bottom to top and from back to front.④ The safe shutdown time of TBM with reserved deformation of 10 cm should not exceed 7 days.The research results have theoretical reference significance for understanding the rock-machine interaction during TBM shutdown in soft rock.

Key words： soft rock；TBM；shutdown time；rheology；rock-shield interaction；CVisc；Liupanshan mudstone tunnel

收稿日期：2023-05-30；接受日期：2023-08-31

作者簡介：司才龍，男，高級工程師，碩士，主要從事水利水電工程規(guī)劃設計工作。E-mail：442146759@qq.com

通信作者：劉 高，男，教授，博士，主要從事巖石力學與巖石工程、地質(zhì)工程、地質(zhì)災害的教學與科研工作。E-mail：liugaocf@lzu.edu.cn