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【摘要】文章依托尼泊尔巴瑞巴贝引水隧洞工程，通过ABAQUS有限元分析软件，建立穿越断层破碎带双护盾TBM掘进模型，基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层与护盾的相互作用机制，得到掘进过程中护盾与围岩接触规律，进而分析卡机的产生与判据，结果显示依托工程掘进过程中卡机的发生是必然的。
【關键词】双护盾TBM; 断层破碎带; LDP曲线; 卡机分析
【中国分类号】U455.49【文献标志码】A
对于TBM隧道，尤其是双护盾TBM隧道，在通过软岩地层、挤压性地层、断层破碎带时，最容易发生的事故便是卡机[1-4]。卡机的核心问题就是地层（围岩）与TBM的相互作用，对其开展研究具有重要的工程应用价值。
黄兴[5]基于挤压大变形本构模型，提出了相应的计算方法，以引大济湟工程为依托，进行了TBM掘进围岩挤压大变形的计算;王江[6]归纳和分析了不良地质条件下双护盾TBM施工中三种常见的卡机类型：卡刀盘、卡护盾和掘进机姿态偏差造成的卡机，并给出了5种卡机脱困技术;温森[7]考虑了围岩流变效应，对TBM连续掘进及停机两种不同工况下的卡机机理分别进行分析，对预留变形和超前支护两种卡机控制措施进行了定量化研究。通过文献调研发现，相关研究对数值模拟结果分析仅停留在规律分析层面，鲜有研究提出具体计算方法对盾构卡机进行判断。
本文依托尼泊尔（BBDMP）引水隧洞工程，通过ABAQUS建立穿越断层破碎带双护盾TBM掘进模型，基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层与护盾的相互作用机制，得到掘进过程中护盾与围岩接触规律，进而分析卡机的产生与判据。
1 双护盾TBM穿越断层破碎带数值模型
1.1 节理破碎情况模拟
尼泊尔（BBDMP）引水隧洞工程区主要发育节理包括三组，如图1所示，其产状：N0°～10°W，SW∠70°～80°和EW，S（N）∠80°～90°，隧道纵向为N26.84°E。建模时将隧道纵向确定为Y轴，节理的产状及材料性质通过设置Abaqus中遍布节理模型的关键字*Joint Direction和*Joint Material进行设置。
1.2 模型建立及参数选取
依托工程断层破碎带区域，围岩条件极差，必须采用单护盾模式掘进，由于节理方向的不对称性，必须建立完整的地层-TBM结构模型，模型尺寸x×y×z=40 m×60 m×40 m，图2为模型半剖面图。
计算模型中设置护盾外侧为Master面，围岩为Slave面，由于护盾与围岩之间存在初始间隙，为了避免收敛困难，在接触对中设置一定的adjustment zone，使接触检测能正常运行。
该区域围岩资料显示巴瑞断裂带围岩为V级围岩，围岩和节理的力学参数如表1所示，掘进参数采取：推力3 000 kN，扭矩389 kN·m。
TBM各组成部位的重量如表2所示，其中刀盘和盾体直接按照实际重量施加。后配套的结构较为复杂，并且对掘进过程中的力学响应影响不大，所以将其质量进行等效过程通过增大管片的重度来体现。
2 计算结果分析
如前所述，护盾与围岩之间存在不均匀间隙，围岩在开挖后会产生应力释放，产生的结果就是护盾的某些位置会与围岩产生接触。本文基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层（围岩）与护盾的相互作用机制，并对双护盾TBM在断层破碎带中掘进时做出卡机判断。
2.1 TBM掘进过程围岩LDP曲线分析
LDP（Longitudinal Displacement Profile）曲线反映的是隧洞纵断面围岩收敛变形曲线，结合该曲线可以合理地对洞周围岩收敛变形进行相应的预测，通常LDP曲线可通过理论分析、现场实测、数值模拟等手段得到，本文提取分析步取掘进至30 m时的荷载步结果，LDP曲线如图3所示。
图中两条虚线辅助线，从左至右分别为后护盾和前护盾所在的位置。受护盾锥度的影响，前护盾和后护盾的连接位置附近的LDP曲线发生一定的波动，拱顶处发生接触的区域最大，前护盾和后护盾的连接位置附近的约4 m宽度范围内与围岩发生了接触，相对的与后护盾接触区域较少;拱肩和仰拱处与护盾的接触范围小于拱顶;拱腰和墙脚处只与前护盾尾部有少量接触;同样，在后护盾的区域内，曲线也有一定的斜率变化，表明测点与后护盾也有一定的接触。
2.2 TBM卡机的产生及判据
2.2.1 护盾与围岩接触状态分析
TBM护盾是否与围岩接触，这是卡机事故出现的必要条件。由于在数值计算中考虑了接触面的动摩擦效应，所以接触状态分为Closed（Slip）、Closed（Stick）、Open三种情况：分别表示接触面正在接触滑动，即掘进过程中产生的护盾与围岩接触、接触面无滑动且正在接触中、当前护盾与围岩无接触。
分析TBM由29 m掘进至30 m这一循环内接触状态变化，如图4所示。
由图4可知，阶段1：前护盾的尾部全截面均与围岩接触，后护盾尾部仅有左侧拱肩有部分区域与围岩接触;阶段2：后护盾接触区域范围明显增大，前护盾左侧拱肩位置接触范围最大;阶段3～6：接触范围持续增大，增速渐缓;阶段7：除前护盾右侧拱肩、左侧墙脚部分区域没有与围岩产生接触外，护盾其他区域均处于与围岩接触的状态;阶段8：护盾所有区域与围岩接触。
2.2.2 基于TBM护盾与围岩相互作用的卡机情况判断
为了判断TBM是否可以提供足够的推进力，还需要计算护盾与围岩的摩擦阻力。法向力的计算仅需考虑法向接触应力引起的力，整个护盾所受摩擦阻力可以通过式（1）计算：
式1中：f为摩擦阻力，L为护盾长度，n为发生接触的节点的总数，μ为动摩擦系数，取数值计算中设置的0.24，Fi为法向力，通过提取单元法向接触应力与面积计算得到。 在破碎带中采用单护盾掘进模式时，油缸推力必须要满足：
式中：ffront为前护盾受到的摩擦力，frear为后护盾受到的摩擦力，Ft为滚刀破岩所需要的推力，Fe为后配套设备跟进时所需要的推力，F2为油缸推力，包括主、辅助推进系统推力。
尼泊尔（BBDMP）引水隧洞采用的双护盾TBM的主推进系统的最大推力为20 826 kN，輔助推进系统的最大推力为27 654 kN，再根据式（1）计算出由于法向接触应力导致的摩擦阻力，计算结果如图5所示。
可以明显看出前护盾所受阻力27.081 MN大于主推进油缸所能提供的最大推力20.826 MN，后护盾所受阻力30.538 MN大于辅助推进油缸所能提供的最大推力27.654 MN，前后护盾均会产生被卡现象，从而判断卡机发生的必然性。
3 结论
基于依托工程，通过ABAQUS有限元分析软件，建立穿越断层破碎带双护盾TBM掘进模型，基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层（围岩）与护盾的相互作用机制，得到以下结论：
（1）分析LDP曲线可知，拱顶处发生接触的区域最大，前护盾和后护盾的连接位置附近的约4 m宽度范围内与围岩发生了接触，拱顶测点与后护盾也有一定的接触;拱肩和仰拱处与护盾的接触范围小于拱顶;拱腰和墙脚处只与前护盾尾部有少量接触;同样，在后护盾的区域内，曲线也有一定的斜率变化，表明测点与后护盾也有一定的接触。
（2）通过分析接触面的接触状态，可以得出在掘进过程，一般是拱顶和仰拱附近先产生接触区域，随后逐渐扩大，最终护盾与围岩几乎全部产生接触。
（3）在断层破碎带中掘进时，前护盾所受阻力大于主推进油缸所能提供的最大推力，后护盾所受阻力大于辅助推进油缸所能提供的最大推力，前后护盾均会产生被卡现象，从而判断卡机发生的必然性。
参考文献
[1] 刘泉声，黄兴，时凯，等. 煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题[J]. 煤炭学报， 2012， 37（12）： 2006-2013.
[2] 程建龙，杨圣奇，杜立坤，等. 复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2016， 35（3）： 511-523.
[3] 徐虎城. 断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析[J]. 隧道建设：中英文， 2018， 38（S1）：156-160.
[4] 尚彦军，史永跃，曾庆利，等. 昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J]. 岩石力学与工程学报， 2005，（21）： 60-65.
[5] 黄兴，刘泉声，彭星新，等. 引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控[J]. 岩土力学， 2017， 38（10）：2962-2972.
[6] 王江. 引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术[J]. 隧道建设， 2011， 31（3）：364-368.
[7] 温森，杨圣奇，董正方，等. 深埋隧道TBM卡机机理及控制措施研究[J]. 岩土工程学报， 2015， 37（7）：1271-1277.
【關键词】双护盾TBM; 断层破碎带; LDP曲线; 卡机分析
【中国分类号】U455.49【文献标志码】A
对于TBM隧道，尤其是双护盾TBM隧道，在通过软岩地层、挤压性地层、断层破碎带时，最容易发生的事故便是卡机[1-4]。卡机的核心问题就是地层（围岩）与TBM的相互作用，对其开展研究具有重要的工程应用价值。
黄兴[5]基于挤压大变形本构模型，提出了相应的计算方法，以引大济湟工程为依托，进行了TBM掘进围岩挤压大变形的计算;王江[6]归纳和分析了不良地质条件下双护盾TBM施工中三种常见的卡机类型：卡刀盘、卡护盾和掘进机姿态偏差造成的卡机，并给出了5种卡机脱困技术;温森[7]考虑了围岩流变效应，对TBM连续掘进及停机两种不同工况下的卡机机理分别进行分析，对预留变形和超前支护两种卡机控制措施进行了定量化研究。通过文献调研发现，相关研究对数值模拟结果分析仅停留在规律分析层面，鲜有研究提出具体计算方法对盾构卡机进行判断。
本文依托尼泊尔（BBDMP）引水隧洞工程，通过ABAQUS建立穿越断层破碎带双护盾TBM掘进模型，基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层与护盾的相互作用机制，得到掘进过程中护盾与围岩接触规律，进而分析卡机的产生与判据。
1 双护盾TBM穿越断层破碎带数值模型
1.1 节理破碎情况模拟
尼泊尔（BBDMP）引水隧洞工程区主要发育节理包括三组，如图1所示，其产状：N0°～10°W，SW∠70°～80°和EW，S（N）∠80°～90°，隧道纵向为N26.84°E。建模时将隧道纵向确定为Y轴，节理的产状及材料性质通过设置Abaqus中遍布节理模型的关键字*Joint Direction和*Joint Material进行设置。
1.2 模型建立及参数选取
依托工程断层破碎带区域，围岩条件极差，必须采用单护盾模式掘进，由于节理方向的不对称性，必须建立完整的地层-TBM结构模型，模型尺寸x×y×z=40 m×60 m×40 m，图2为模型半剖面图。
计算模型中设置护盾外侧为Master面，围岩为Slave面，由于护盾与围岩之间存在初始间隙，为了避免收敛困难，在接触对中设置一定的adjustment zone，使接触检测能正常运行。
该区域围岩资料显示巴瑞断裂带围岩为V级围岩，围岩和节理的力学参数如表1所示，掘进参数采取：推力3 000 kN，扭矩389 kN·m。
TBM各组成部位的重量如表2所示，其中刀盘和盾体直接按照实际重量施加。后配套的结构较为复杂，并且对掘进过程中的力学响应影响不大，所以将其质量进行等效过程通过增大管片的重度来体现。
2 计算结果分析
如前所述，护盾与围岩之间存在不均匀间隙，围岩在开挖后会产生应力释放，产生的结果就是护盾的某些位置会与围岩产生接触。本文基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层（围岩）与护盾的相互作用机制，并对双护盾TBM在断层破碎带中掘进时做出卡机判断。
2.1 TBM掘进过程围岩LDP曲线分析
LDP（Longitudinal Displacement Profile）曲线反映的是隧洞纵断面围岩收敛变形曲线，结合该曲线可以合理地对洞周围岩收敛变形进行相应的预测，通常LDP曲线可通过理论分析、现场实测、数值模拟等手段得到，本文提取分析步取掘进至30 m时的荷载步结果，LDP曲线如图3所示。
图中两条虚线辅助线，从左至右分别为后护盾和前护盾所在的位置。受护盾锥度的影响，前护盾和后护盾的连接位置附近的LDP曲线发生一定的波动，拱顶处发生接触的区域最大，前护盾和后护盾的连接位置附近的约4 m宽度范围内与围岩发生了接触，相对的与后护盾接触区域较少;拱肩和仰拱处与护盾的接触范围小于拱顶;拱腰和墙脚处只与前护盾尾部有少量接触;同样，在后护盾的区域内，曲线也有一定的斜率变化，表明测点与后护盾也有一定的接触。
2.2 TBM卡机的产生及判据
2.2.1 护盾与围岩接触状态分析
TBM护盾是否与围岩接触，这是卡机事故出现的必要条件。由于在数值计算中考虑了接触面的动摩擦效应，所以接触状态分为Closed（Slip）、Closed（Stick）、Open三种情况：分别表示接触面正在接触滑动，即掘进过程中产生的护盾与围岩接触、接触面无滑动且正在接触中、当前护盾与围岩无接触。
分析TBM由29 m掘进至30 m这一循环内接触状态变化，如图4所示。
由图4可知，阶段1：前护盾的尾部全截面均与围岩接触，后护盾尾部仅有左侧拱肩有部分区域与围岩接触;阶段2：后护盾接触区域范围明显增大，前护盾左侧拱肩位置接触范围最大;阶段3～6：接触范围持续增大，增速渐缓;阶段7：除前护盾右侧拱肩、左侧墙脚部分区域没有与围岩产生接触外，护盾其他区域均处于与围岩接触的状态;阶段8：护盾所有区域与围岩接触。
2.2.2 基于TBM护盾与围岩相互作用的卡机情况判断
为了判断TBM是否可以提供足够的推进力，还需要计算护盾与围岩的摩擦阻力。法向力的计算仅需考虑法向接触应力引起的力，整个护盾所受摩擦阻力可以通过式（1）计算：
式1中：f为摩擦阻力，L为护盾长度，n为发生接触的节点的总数，μ为动摩擦系数，取数值计算中设置的0.24，Fi为法向力，通过提取单元法向接触应力与面积计算得到。 在破碎带中采用单护盾掘进模式时，油缸推力必须要满足：
式中：ffront为前护盾受到的摩擦力，frear为后护盾受到的摩擦力，Ft为滚刀破岩所需要的推力，Fe为后配套设备跟进时所需要的推力，F2为油缸推力，包括主、辅助推进系统推力。
尼泊尔（BBDMP）引水隧洞采用的双护盾TBM的主推进系统的最大推力为20 826 kN，輔助推进系统的最大推力为27 654 kN，再根据式（1）计算出由于法向接触应力导致的摩擦阻力，计算结果如图5所示。
可以明显看出前护盾所受阻力27.081 MN大于主推进油缸所能提供的最大推力20.826 MN，后护盾所受阻力30.538 MN大于辅助推进油缸所能提供的最大推力27.654 MN，前后护盾均会产生被卡现象，从而判断卡机发生的必然性。
3 结论
基于依托工程，通过ABAQUS有限元分析软件，建立穿越断层破碎带双护盾TBM掘进模型，基于围岩LDP曲线、接触面状态、接触应力三个指标分析地层（围岩）与护盾的相互作用机制，得到以下结论：
（1）分析LDP曲线可知，拱顶处发生接触的区域最大，前护盾和后护盾的连接位置附近的约4 m宽度范围内与围岩发生了接触，拱顶测点与后护盾也有一定的接触;拱肩和仰拱处与护盾的接触范围小于拱顶;拱腰和墙脚处只与前护盾尾部有少量接触;同样，在后护盾的区域内，曲线也有一定的斜率变化，表明测点与后护盾也有一定的接触。
（2）通过分析接触面的接触状态，可以得出在掘进过程，一般是拱顶和仰拱附近先产生接触区域，随后逐渐扩大，最终护盾与围岩几乎全部产生接触。
（3）在断层破碎带中掘进时，前护盾所受阻力大于主推进油缸所能提供的最大推力，后护盾所受阻力大于辅助推进油缸所能提供的最大推力，前后护盾均会产生被卡现象，从而判断卡机发生的必然性。
参考文献
[1] 刘泉声，黄兴，时凯，等. 煤矿超千米深部全断面岩石巷道掘进机的提出及关键岩石力学问题[J]. 煤炭学报， 2012， 37（12）： 2006-2013.
[2] 程建龙，杨圣奇，杜立坤，等. 复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2016， 35（3）： 511-523.
[3] 徐虎城. 断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析[J]. 隧道建设：中英文， 2018， 38（S1）：156-160.
[4] 尚彦军，史永跃，曾庆利，等. 昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J]. 岩石力学与工程学报， 2005，（21）： 60-65.
[5] 黄兴，刘泉声，彭星新，等. 引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控[J]. 岩土力学， 2017， 38（10）：2962-2972.
[6] 王江. 引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术[J]. 隧道建设， 2011， 31（3）：364-368.
[7] 温森，杨圣奇，董正方，等. 深埋隧道TBM卡机机理及控制措施研究[J]. 岩土工程学报， 2015， 37（7）：1271-1277.