江永旺， 曹 攀， 张 帅， 陈 强， 章慧健

(1.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031；2.中铁二局集团有限公司城通分公司，四川成都 610036))

随着城市地下工程及轨道交通的快速发展，与传统钻爆法相比，盾构法具有开挖速度快、施工安全、环保等优点，已经隧道工程中得到了广泛运用[1]。但地质情况的多变性以及盾构机对地质的敏感性使得对盾构机掘进参数预测一直难以有效解决，因此针对在复杂地层中对盾构掘进参数预测、控制从而对盾构掘进姿态控制具有重要意义。

近年来，国内外学者对盾构机掘进参数的预测进行了一定的探索和研究，预测方法主要有经验公式法、理论推导法、数值模拟法等；李明阳等[2]依托广州地铁3号线为背景，基于Terzaghi松动土压力和CSM模型对不同风化程度混合岩地层中土压平衡盾构掘进参数进行了模拟分析，揭示了掘进参数变化规律与地层变形存在一定的关系；宋克志等[3]基于施工现场盾构掘进试验，运用模糊数学原理分析和研究了掘进参数内在规律；王健等[4]基于吉林供松引水工程建立TBM数据库，提出应用RMR岩体分级系统对TBM的掘进性能参数进行了预测；于云龙等[5]基于现场盾构掘进试验通过对盾构原始掘进参数的二次转换，建立标准推力—标准扭矩特征空间，并对传统模型进行了修正；沈翔等[6]通过对现场实测数据的总结分析，给出了相应的掘进参数优化建议，引入了灰色系统理论下的GM(1,1)预测模型，对掘进总推力进行了实例预测。

以上研究主要集中于TBM掘进参数的预测，但研究的方法主要是经验公式和理论推导法，需要在现场有一定的掘进参数支撑后才能完成，本文采用离散元方法在现场施工前对掘进参数进行预测。

1 工程概况

依托青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间平行导洞隧道，隧道顶最小埋深29.49 m，最大覆土埋深52.49 m(海面以下57.94 m)，经过的主要地层有微风化凝灰岩和微风化安山岩。洞身总体地质条件较好、围岩透水性较差，其穿越F7、F6、F5共3条断层破碎带，破碎带影响范围近1 km。依托工程地质纵断面如图1所示。

图1 依托工程地质纵断面

2 数值模拟

2.1 模型的建立

本工程掘进机刀盘主要由滚刀和刮刀相结合的刀具组合构成。滚刀分为单刃滚刀和双刃滚刀，其中单刃滚刀38把，双刃滚刀6把。平均刀间距为43 mm，刀盘直径6 885 mm。颗粒流模型由圆盘和圆球颗粒组成，通过刚性介质墙体(wall)进行约束，PFC 中的颗粒为刚性体，用来模拟颗粒之间的接触力，颗粒之间的力学关系遵循牛顿第二定律。由于通过 PFC 内置语言建立形状不规则的Wall 模型比较麻烦，本文采用CAD三维建立闭合面，然后导出stl文件，在PFC3D里面通过Geometry Import命令。将stl格式的文件导入到PFC中，本文采用刚性墙体wall模拟滚刀刀圈和刀盘面板，32248个Ball球体模拟岩层，刀盘转速设定为3 r/min，贯入度10 mm，刀盘实物图和PFC模型图如图2所示。

图2 工程刀盘实物图和离散元模拟计算模型

2.2 参数的确定

采用离散元法进行力学计算，首先要进行参数的标定，根据岩石的宏观力学参数采用离散元 PFC3D 进行参数标定，得到与之相对应的细观力学参数，因此，从施工现场分别采取安山岩和凝灰岩两类岩石，在室内加工成标准试件，进行单轴压缩试验，得到两类岩石的力学参数。然后经过反复的数值模拟试验标定，调整颗粒流模型的细观参数，得到了与本工程岩石力学相匹配的颗粒流模型细观参数，如表1所示。

3 计算结果与分析

本文通过提取离散元模型破岩过程中每把滚刀的垂直力，相加总和即为所需提供的刀盘总推力；通过提取每把滚刀的滚动力，然后乘以各自相对中心的力臂，相加总和即为刀盘扭矩，3种地层条件下的掘进机的总推力和扭矩换算结果分别如图3～图5所示。

从图3～图5可以看出：在掘进过程中，刀盘推力和扭矩均表现出持续波动。就刀盘总推力而言，穿越凝灰岩破碎带的刀盘总推力波动较大，呈明显锯齿形状；穿越微风化凝灰岩地层的刀盘总推力波动相对较小；就刀盘扭矩而言，也是在穿越凝灰岩破碎带地层时刀盘扭矩波动最为显著。

表1 三维颗粒流模型的细观参数

图3 TBM穿越凝灰岩破碎带的掘进参数预测

图4 TBM穿越微风化凝灰岩的掘进参数预测

图5 TBM穿越微风化安山岩的掘进参数预测

尽管2个参数持续动态变化，但仍表现出较明显的中心线(平均值)，穿越凝灰岩破碎带、微风化凝灰岩、微风化安山岩时的刀盘推力均值分别为8 700 kN、8 200 kN、7 500 kN；刀盘扭矩均值分别为1 640 kN·m、1 700 kN·m、1 750 kN·m；

4 结论

本文依托青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间平行导洞隧道工程，基于颗粒离散元数值模拟进行掘进参数预测，得到结论：

(1)穿越凝灰岩破碎带刀盘总推力和刀盘扭矩在3种地层中波动均最大(呈明显锯齿状)，因此在穿越破碎带地层中应加强对掘进参数的控制。

(2)穿越微风化安山岩过程中，掘进机刀盘总推力和刀盘扭矩波动范围较小，说明在均匀硬质地层中，掘进参数起伏不大。

(3)在刀盘转速为3 r/min和贯入度为10 mm的条件下，预测了掘进机刀盘总推力、扭矩等参数；在凝灰岩破碎带、微风化凝灰岩、微风化安山岩刀盘推力均值分别为8 700 kN、8 200 kN、7 500 kN；刀盘扭矩均值分别为1 640 kN·m、1 700 kN·m、1 750 kN·m。

(4)通过数值模拟，得出一套在3种地层条件下的初始掘进参数，减少了调整参数和纠偏的次数，提高了掘进的效率和施工安全性。