摘 要：雙護(hù)盾TBM因其施工效率高、作業(yè)安全等優(yōu)點，如今在城市地鐵隧道開挖中得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而，由于雙護(hù)盾TBM的機(jī)械結(jié)構(gòu)和施工模式，要求對圍巖的強(qiáng)度和完整性較高，難以適應(yīng)局部含有強(qiáng)風(fēng)化巖石的地質(zhì)段開挖。針對雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化巖層中開挖所面臨的支撐不穩(wěn)定、姿態(tài)易偏差和圍巖穩(wěn)定性差等問題，以青島地鐵6號線中德工業(yè)園站—生態(tài)園站區(qū)間隧道工程為背景，首先提出強(qiáng)風(fēng)化巖石地層的注漿加固工藝，然后結(jié)合室內(nèi)試驗和顆粒離散元軟件PFC2D，模擬強(qiáng)風(fēng)化巖層破碎帶注漿加固前后撐靴與圍巖的相互作用情況。最后，將模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗證模型的可靠性。研究結(jié)果對于指導(dǎo)在類似地質(zhì)條件下使用雙護(hù)盾TBM進(jìn)行施工具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：雙護(hù)盾TBM；強(qiáng)風(fēng)化巖層；注漿加固；雙護(hù)盾模式；PFC2D

中圖分類號：U455.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0048-07

Abstract： Double shield TBM is more and more widely used in urban subway tunnel excavation because of its high construction efficiency and safe operation. However， due to the mechanical structure and construction mode of double shield TBM， the strength and integrity of surrounding rock are required to be high， so it is difficult to adapt to the local excavation of geological section containing strongly weathered rock. In view of the unstable support， easy attitude deviation and poor stability of surrounding rock faced by double shield TBM in the excavation of strongly weathered rock strata， taking the tunnel project between Zhongde Industrial Park Station and Ecological Park Station of Qingdao Metro Line 6 as the background， the grouting reinforcement technology of strongly weathered rock strata is put forward， and then the grouting reinforcement technology of strongly weathered rock strata is put forward， and then combined with laboratory tests and particle discrete element software PFC2D. The interaction between supporting boots and surrounding rock before and after grouting reinforcement in the broken zone of strongly weathY0uZN9Wl+jEOxtKpmKlcNUbfHy5n8B11a4cgNuNnMT0=ered rock is simulated. Finally， the simulation results are compared with the measured data to verify the reliability of the model. The research results can be used as a reference for guiding the construction of double shield TBM under similar geological conditions.

Keywords： double shield TBM; strongly weathered rock; grouting reinforcement; double shield model; PFC2D

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM（Tunnel Boring Machine）具有快速、高效、安全和經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點，已成功應(yīng)用于重慶、青島、深圳等城市地鐵隧道的建設(shè)中[1]，據(jù)統(tǒng)計，目前約40%的TBM法隧道分布于市政軌道交通領(lǐng)域[2-5]。由于雙護(hù)盾TBM采用雙護(hù)盾的工作模式，因此其對圍巖強(qiáng)度與完整性要求較高，在作業(yè)過程中撐靴需撐緊在圍巖上，固定盾體的同時平衡刀盤破巖時的推力和扭矩。若在施工中遇到強(qiáng)風(fēng)化巖層等穩(wěn)定性較差等地質(zhì)情況，圍巖無法為撐靴提供足夠而穩(wěn)定的支撐力，將影響刀盤正常開挖，甚至導(dǎo)致TBM姿態(tài)扭轉(zhuǎn)、偏差等嚴(yán)重問題。

針對TBM在復(fù)雜地質(zhì)條件下的掘進(jìn)問題，許多學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究。從地層預(yù)測和實時監(jiān)測的角度，一些學(xué)者提出了多種方法。齊夢學(xué)[6]對雙護(hù)盾TBM在多種不良地層中的掘進(jìn)進(jìn)行了簡要探討，提出了結(jié)合提前監(jiān)測、施工中監(jiān)測和特殊施工方法的策略，根據(jù)不同地段的地質(zhì)情況靈活制定施工方案，為類似條件下的掘進(jìn)方案提供了思路。劉卓[7]提出了結(jié)合提前預(yù)測、導(dǎo)洞施工和圍巖應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測的方法，針對性設(shè)計施工方案并及時監(jiān)測圍巖，降低了掘進(jìn)過程中掌子面坍塌的風(fēng)險，提高了TBM在不同地質(zhì)條件下的適應(yīng)能力。一些學(xué)者針對TBM卡機(jī)問題進(jìn)行了分析，趙力等[8]以引漢濟(jì)渭秦嶺隧道TBM卡機(jī)為研究對象，通過數(shù)值模擬和實地監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了脫困時圍巖變形和鋼架受力，得出了卡機(jī)時圍巖變形規(guī)律，為掘進(jìn)過程中支護(hù)的安裝提供了依據(jù)。此外，一些學(xué)者主要關(guān)注各種復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM的選型和改造。陳援[9]論述了TBM選型對于后續(xù)掘進(jìn)的重要性，并結(jié)合大量工程實例，得出了根據(jù)地質(zhì)情況選擇合適的機(jī)型，并輔以相應(yīng)施工技術(shù)可大大降低TBM在不良地層通過的難度。賀飛等[10]對引紅濟(jì)石工程中使用的雙護(hù)盾TBM進(jìn)行了改造，更換了更大的前盾和刀盤，增加了支撐盾油缸行程，有效防止了圍巖收斂導(dǎo)致的盾體抱死現(xiàn)象。部分學(xué)者對雙護(hù)盾TBM在軟弱地層作業(yè)時的風(fēng)險評估進(jìn)行了分析。

盡管目前已有一些研究關(guān)注TBM掘進(jìn)中的卡機(jī)問題和風(fēng)險評估模型[11]，但對于雙護(hù)盾TBM在穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層時所面臨的問題，目前的研究還相對較少，相關(guān)工程案例也較為有限。因此，本文以青島地鐵6號線中德工業(yè)園站至生態(tài)園站區(qū)間（以下簡稱“中—生區(qū)間”）隧道工程中的強(qiáng)風(fēng)化巖石地層段為背景，提出了針對該強(qiáng)風(fēng)化地層的加固技術(shù)。隨后，利用PFC2D模擬了圍巖與TBM撐靴的支撐效果，并得出了圍巖合理加固的范圍以及所需的加固效果。最后，通過結(jié)合現(xiàn)場施工和室內(nèi)試驗結(jié)果對強(qiáng)風(fēng)化巖石的加固效果進(jìn)行了驗證。本文的研究為雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化巖層中的加固技術(shù)和工藝提供了有效的參考。

1 工程背景

1.1 工程線路概況

青島地鐵6號線一期工程中—生區(qū)間右線隧道長1 298.593 m，左線隧道長1 309.764 m，線間距14～17 m，線路最大縱坡為25.856‰，區(qū)間隧道埋深15.1～30 m。區(qū)間隧道主要穿越Ⅱ～Ⅴ等級圍巖。隧道采用雙護(hù)盾TBM施工，開挖直徑6 300 mm，管片外徑6 000 mm，管片內(nèi)徑5 400 mm，管片壁后采用豆礫石回填與灌漿結(jié)合的方式進(jìn)行填充。區(qū)間地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 區(qū)間線路概況

1.2 地質(zhì)概況

本區(qū)間隧道主要穿過微風(fēng)化斜長片麻巖，巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度可達(dá)152.90 MPa?？拷械鹿I(yè)園站處圍巖等級Ⅳ（73）里程段，洞頂和洞身穿越強(qiáng)風(fēng)化帶。該段主要為強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖，節(jié)理、裂隙很發(fā)育，呈碎塊狀，夾雜砂土狀，手掰易碎，均勻性差，采取率75%，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，所取33份樣本標(biāo)貫實測擊數(shù)平均為85.8擊。

2 雙護(hù)盾TBM施工模式

雙護(hù)盾TBM具有伸縮式護(hù)盾，可以適應(yīng)不同地質(zhì)狀況下的掘進(jìn)，對不良地質(zhì)有較強(qiáng)的適應(yīng)性。針對不同工況可靈活選擇單護(hù)盾掘進(jìn)和雙護(hù)盾掘進(jìn)2種作業(yè)模式，具有安全、高效的特點。

2.1 單護(hù)盾模式

當(dāng)隧道穿越圍巖穩(wěn)定性較差的軟弱巖層時，圍巖無法提供足夠的支承反力。在這種情況下雙護(hù)盾TBM需要使用單護(hù)盾模式掘進(jìn)，即伸縮護(hù)盾收縮、撐靴支撐系統(tǒng)關(guān)閉，與單護(hù)盾TBM掘進(jìn)模式一樣，刀盤的推力由推進(jìn)油缸支撐在管片上提供。這意味著TBM無法同時進(jìn)行掘進(jìn)和安裝管片的工作。

2.2 雙護(hù)盾模式

雙護(hù)盾掘進(jìn)模式適用于圍巖穩(wěn)定性較好的硬巖地層。在雙護(hù)盾掘進(jìn)模式下，TBM的推進(jìn)油缸反力由撐靴緊撐洞壁來提供，不需要通過輔助推進(jìn)油缸傳遞力量給管片提供推力。同時，反力矩油缸（位于雙護(hù)盾TBM的2個支撐盾上）提供刀盤掘進(jìn)所需的反扭矩。因此，雙護(hù)盾TBM能夠同時進(jìn)行掘進(jìn)和安裝管片的作業(yè)，施工速度更快。

3 強(qiáng)風(fēng)化巖層注漿加固技術(shù)

3.1 加固位置

對所穿越強(qiáng)風(fēng)化巖層地段進(jìn)行鉆孔注漿超前加固，注漿區(qū)間左右線均采用地面探孔、注漿預(yù)加固措施。加固范圍為隧道初支輪廓外3 m，拱頂以上5.5 m，拱頂以下3 m，加固長度為70 m，注漿布孔間距為2.5 m×2.5 m，擴(kuò)散半徑為1.5 m，梅花形布設(shè)。地面注漿位置如圖2所示。

圖2 中—生區(qū)間注漿加固范圍斷面圖

3.2 注漿材料級配比

注漿材料采用水泥漿、水泥-水玻璃雙漿液。該種漿液具有材料來源廣泛，結(jié)石率高，同時還具備一定的止水效果的特點。漿液水泥∶水玻璃=1∶（0.6～1.0）、水泥漿水灰比0.8∶（1～1.1），水玻璃模數(shù)2.6～2.8、濃度30%～40%。設(shè)計注漿壓力（終壓值）按2 MPa進(jìn)行控制。注漿范圍最外側(cè)兩排注漿孔漿液采用雙漿液，其余注漿孔采用水泥漿，先行施工最外側(cè)注漿，再進(jìn)行內(nèi)測注漿，以減少跑漿。

3.3 鉆孔注漿及流程

當(dāng)裂隙不發(fā)育、水量小時可采取全孔一次性注漿；當(dāng)巖石裂隙發(fā)育、巖體很破碎且鉆孔涌水量較大或者出現(xiàn)涌泥、易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象時，采用分段前進(jìn)式注漿方式，分段長度由注漿時涌水量而定，涌水量為10～30 m3/h時分段長度為5 m，30～40 m3/h時為3 m。當(dāng)巖石裂隙不夠發(fā)育，涌水量較?。ㄐ∮?0 m3/h）時，可采用分段后退式注漿方式，鉆孔一次鉆進(jìn)直至設(shè)計深度，分段長度下入至漿塞，自內(nèi)向外逐段進(jìn)行注漿，分段長度1 m。注漿孔采用ZLJ注漿用坑道鉆機(jī)，巖層較硬時采用引孔鉆機(jī)輔助鉆孔。鉆孔具體實施步驟如圖3所示。

3.4 鉆孔取樣單軸抗壓強(qiáng)度測試

為更進(jìn)一步探究注漿加固對原巖層加固效果并為數(shù)值模擬提供參數(shù)，分別對加固前地層所取巖樣與加固后所取巖樣抗壓強(qiáng)度進(jìn)行測試。對工程現(xiàn)場的原裝強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖（試樣1～3）和注漿加固后的強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖進(jìn)行鉆孔，并進(jìn)行了單軸抗壓強(qiáng)度測試，單軸抗壓強(qiáng)度測試如圖4所示，取樣情況及測試結(jié)果見表1。單軸抗壓強(qiáng)度的測試結(jié)果如圖5所示，能夠發(fā)現(xiàn)，原狀強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖的抗壓強(qiáng)度較低，3個試樣平均單軸抗壓強(qiáng)度為1.9 MPa。注漿加固后的強(qiáng)風(fēng)化斜長片麻巖單軸抗壓強(qiáng)度為14.7 MPa。殘余強(qiáng)度為5.62 MPa。

4 撐靴與圍巖作用數(shù)值模擬

本次數(shù)值模擬目的為探究圍巖與撐靴相互接觸作用，為更直觀反映所研究問題并降低運算時間，故使用PFC2D對撐靴與周圍巖體相互作用過程進(jìn)行模擬。

4.1 參數(shù)標(biāo)定

依據(jù)宏觀實驗所得參數(shù)對數(shù)值模型中的細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，建立尺寸為φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模擬試樣，如圖6所示。采用線性平行黏結(jié)模型（Linear Parallel Bond Model），平行黏結(jié)模型可以有效地模擬力與力矩的傳遞，并且使顆?？梢猿惺芾瓚?yīng)力與壓應(yīng)力。對上下兩側(cè)加載板施加0.3 mm/s速度的同時對加載板與巖石之間應(yīng)力進(jìn)行記錄，加載過程持續(xù)至應(yīng)力達(dá)到峰值后降低至峰值0.7倍時停止。試樣單軸壓縮試驗破壞情況及參數(shù)標(biāo)定完成的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7所示，其中注漿加固前的模擬單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果為2.05 MPa，與實驗室測試結(jié)果平均抗壓強(qiáng)度1.9 MPa基本一致；注漿加固后的模擬單軸抗壓強(qiáng)度結(jié)果為15.1 MPa，與實驗室測試結(jié)果14.6 MPa一致。依照宏觀試驗，逐漸完成參數(shù)標(biāo)定，標(biāo)定后的細(xì)觀參數(shù)結(jié)果見表2。

4.2 模型的建立

圖8中虛線線框內(nèi)部所示為雙護(hù)盾TBM撐靴與圍巖作用的部分，也是本次數(shù)值模擬的主要計算模型。TBM在雙護(hù)盾模式推進(jìn)時，撐靴將起到提供推進(jìn)反作用力與保持機(jī)體姿態(tài)平衡的作用。TBM與巖體兩側(cè)結(jié)構(gòu)對稱，故僅需模擬單側(cè)撐靴即可。撐靴采用wall單元進(jìn)行模擬，巖石上部與左右兩側(cè)非自由端，同樣使用wall單元作為約束，僅內(nèi)側(cè)為開挖端自由面，不做約束。撐靴與圍巖接觸模型選用ball-facet。為盡量完整體現(xiàn)圍巖內(nèi)部裂隙的延伸過程，故將圍巖尺寸設(shè)置為20 m×12 m，撐靴寬度為1.7 m。圍巖顆粒流模型如圖9所示。

4.3 撐靴加載計算

本工程中所使用雙護(hù)盾TBM撐靴由4個油缸提供支撐力，如圖10所示，各個油缸提供支撐力大小相同，每個油缸內(nèi)部壓強(qiáng)P1為200 bar，直徑？準(zhǔn)為360 mm。如式（1）、（2）所示

式中：？準(zhǔn)為油缸直徑，P1為油缸壓強(qiáng)，P為撐靴與圍巖接觸應(yīng)力，S為單邊撐靴面積。

計算所得撐靴與圍巖的接觸應(yīng)力為1.7 MPa，考慮到撐靴與圍巖之間應(yīng)力分布不均，受到掘進(jìn)方向與機(jī)體姿態(tài)等因素的影響，為保證整個掘進(jìn)過程中的安全性，使接觸應(yīng)力P應(yīng)達(dá)到2.5 MPa。

4.4 模擬結(jié)果分析

根據(jù)模擬結(jié)果顯示，圖11展示了接觸應(yīng)力場的分布情況。深色網(wǎng)狀區(qū)域表示顆粒間的接觸力較大，形成較粗的力鏈網(wǎng)絡(luò)。力鏈網(wǎng)絡(luò)圖能夠很好地反映撐靴對圍巖施加的力在巖體內(nèi)的傳遞路徑和傳遞深度。荷載從撐靴中心開始，呈扇形分布，并傳遞至巖體內(nèi)部。當(dāng)撐靴接觸到巖石時，圍巖中的顆粒位移場如圖12所示，可以看出在施加荷載的過程中，圍巖向內(nèi)部發(fā)生位移。在隧道施工過程中，撐靴引起了圍巖的擾動，原始應(yīng)力場被破壞，隨著荷載的施加，土體顆粒發(fā)生位移。加載過程中的應(yīng)力-時間曲線如圖13所示，圍巖裂隙同時產(chǎn)生。裂隙的發(fā)展過程如圖14所示。根據(jù)應(yīng)力-時間曲線，荷載施加過程可分為2個階段：階段1的應(yīng)力曲線相對平滑，此階段只有在撐靴接觸部分產(chǎn)生少量裂隙；階段2曲線開始出現(xiàn)波動，此時裂隙進(jìn)一步發(fā)展，加載時步不斷向內(nèi)部延展。在這一階段，圍巖與撐靴接觸已不再穩(wěn)定，應(yīng)力發(fā)生小幅度波動。圖14（a）展示了階段1中圍巖內(nèi)部裂隙的分布情況。因此，可以推斷，當(dāng)圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)展到一定階段時，會影響與撐靴的接觸穩(wěn)定性。此時，圍巖無法滿足TBM的穩(wěn)定掘進(jìn)需求，無法保持機(jī)體的穩(wěn)定姿態(tài)和為刀盤提供推力。

對注漿加固后圍巖進(jìn)行模擬，圖15為注漿加固后巖體在持續(xù)受到2.5 MPa壓力情況下的內(nèi)部力鏈，加載板處壓力有效傳導(dǎo)至巖體內(nèi)部，同時并未出現(xiàn)裂隙。巖體此時具有繼續(xù)提供支撐力的能力。

5 TBM施工參數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，對注漿加固后的刀盤扭矩和推進(jìn)速度進(jìn)行分析。圖16顯示了注漿后連續(xù)施加恒定推力下，刀盤扭矩和推進(jìn)速度的變化情況。經(jīng)過注漿加固后，環(huán)平均扭矩主要集中在800 kN·m左右，最大扭矩之間僅相差30%。在10個環(huán)的作業(yè)過程中，刀盤平均推進(jìn)速度為20.4 mm/min，只在253～254環(huán)之間出現(xiàn)較大波動，而其他環(huán)的推進(jìn)速度相對較為穩(wěn)定。這表明圍巖在作業(yè)期間能夠穩(wěn)定地為撐靴提供支撐力，使刀盤能夠保持穩(wěn)定的姿態(tài)并持續(xù)工作。通過對軟弱地層提前進(jìn)行注漿加固驗證了其對提升雙護(hù)盾TBM掘進(jìn)的速度和安全性的有效性。

6 結(jié)論

本文結(jié)合青島地鐵6號線中德工業(yè)園站—生態(tài)園站區(qū)間TBM施工的案例，采用數(shù)值模擬結(jié)合室內(nèi)試驗的手段，驗證了預(yù)注漿加固方案可以為雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化段掘進(jìn)提供必要條件?？偨Y(jié)出主要結(jié)論如下：

1）雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化巖層中的開挖面臨支撐不穩(wěn)定、姿態(tài)易偏差和圍巖穩(wěn)定性差等問題，是由雙護(hù)盾TBM的機(jī)械結(jié)構(gòu)和施工模式所決定的。本文針對強(qiáng)風(fēng)化巖石地層開挖提出了將注漿加固工藝作為解決方案。注漿加固旨在提高圍巖的強(qiáng)度和完整性，以滿足雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化段的掘進(jìn)需求。

2）通過室內(nèi)試驗和顆粒離散元軟件PFC2D的模擬，研究了強(qiáng)風(fēng)化巖層破碎帶注漿加固前后撐靴與圍巖的相互作用情況。模擬結(jié)果顯示，注漿加固后，圍巖能夠為撐靴提供足夠的支撐力，有助于維持雙護(hù)盾TBM的穩(wěn)定姿態(tài)和持續(xù)工作。

3）通過與實測數(shù)據(jù)的對比，驗證了模型的可靠性。模擬結(jié)果直觀地展示了圍巖無法提供足夠支撐力時的內(nèi)部狀態(tài)，以及失去有效支撐力的過程。特別是當(dāng)圍巖內(nèi)部裂隙擴(kuò)展至巖體內(nèi)部時，接觸面應(yīng)力不再穩(wěn)定，這意味著圍巖無法提供足夠的反作用力來維持機(jī)體的穩(wěn)定性。

雙護(hù)盾TBM在強(qiáng)風(fēng)化帶的安全推進(jìn)中，防止裂隙向內(nèi)延伸是一個關(guān)鍵問題。提前預(yù)注漿加固可以有效防止裂隙的進(jìn)一步發(fā)展，從而確保TBM獲得足夠的支撐力和穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 《中國公路學(xué)報》編輯部.中國交通隧道工程學(xué)術(shù)研究綜述·2022[J].中國公路學(xué)報，2022，35（4）：1-40.

[2] 齊夢學(xué).我國TBM法隧道工程技術(shù)的發(fā)展、現(xiàn)狀及展望[J].隧道建設(shè)（中英文），2021，41（11）：1964-1979.

[3] 曹偉.復(fù)合式TBM在重慶地鐵的首次應(yīng)用[J].鐵道建筑，2014（7）：43-46.

[4] 王杜娟，寧向可.城市地鐵雙護(hù)盾TBM設(shè)計及應(yīng)用[J].隧道建設(shè)（中英文），2018，38（6）：1052-1059.

[5] 王志鵬.軌道交通雙模盾構(gòu)模式轉(zhuǎn)換施工技術(shù)應(yīng)用要點研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2024，14（6）：184-187.

[6] 齊夢學(xué).雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在不良地質(zhì)洞段的施工方法探討[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2007（4）：9-15.

[7] 劉卓.川藏鐵路全斷面掘進(jìn)機(jī)穿越斷層破碎帶隧道施工研究[J].中國工程機(jī)械學(xué)報，2019，17（3）：263-267.

[8] 趙力，王博，魏軍政.引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞TBM卡機(jī)脫困分析[J].水利建設(shè)與管理，2022，42（12）：1-6.

[9] 陳援.TBM選型及施工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[10] 賀飛，卓興建，葉蕾.引紅濟(jì)石工程雙護(hù)盾TBM技術(shù)改造[J].建筑機(jī)械，2012（13）：99-101，103.

[11] 楊壘.軟弱地質(zhì)條件下雙護(hù)盾TBM脫困技術(shù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2022，12（1）：159-161.