CN114692457A - 一种敞开式tbm法隧道卡机风险的评判方法及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法及处理方法，包括以下步骤：获取隧道围岩的物理力学参；构建地层—结构模型，提取得到隧道拱顶围岩沉降变形值u₀；当隧道拱顶围岩沉降变形值u₀小于预留变形量δ_R，判断敞开式TBM没有卡机风险；否则可能存在卡机风险；然后计算水平应力σ_x和竖向应力σ_z，并得出作用于TBM护盾上的径向应力σ_r，围岩压力P及TBM护盾与围岩的摩阻力Rp；计算TBM护盾与围岩的摩阻力Rp与TBM掘进推力FI的比值k；并根据P值和k值判断敞开式TBM存在卡机风险。利用现场围岩的物理力学参数建立隧道围岩‑护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，提出了一种定量化TBM法隧道卡机风险评判标准，准确度高，实用性强。

Description

一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法及处理方法

技术领域

本发明涉及了TBM法隧道卡机风险的评判方法技术领域，具体涉及了一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法及处理方法。

背景技术

目前，特长隧道广泛采用TBM施工。在施工时往往会遇到许多软弱破碎围岩、蚀变带或断层等不良地质。由于深部隧道存在高地应力，TBM掘进过程中若遭遇软弱围岩、蚀变带、节理密集带、断层破碎带等不良地质，护盾容易被卡住，从而严重影响掘进效率和施工安全。

为解决TBM隧道在深埋复杂地质条件下掘进时遇到的卡机问题，目前主要通过超前地质预报等物理探测手段对隧道掌子面前方围岩条件进行预测，根据前方围岩条件的好坏判断TBM掘进时的卡机风险。但由于超前地质预报实际操作过程中受作业面TBM装备以及前方围岩复杂条件等因素的影响，常常会出现误差较大的情况。

行业内一直未能有效建立超前地质预报与隧道掘进卡机风险的对应关系，缺乏超前评估TBM法隧道卡机风险的定量化标准，导致TBM盲目穿越隧道不良地质段出现受困，严重影响施工进度，并增加处理卡机费用。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的问题，提供一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法及处理方法，该评判方法利用隧道现场围岩的物理力学参数建立围岩—护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，提出了一种定量化的TBM法隧道卡机风险评判标准，准确度高，实用性强。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，包括以下步骤：

步骤1、获取围岩岩体的第一物理力学参数；其中，所述第一物理力学参数为弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；

步骤2、根据所述步骤1得到的第一物理力学参数，利用三维建模软件构建地层—结构模型；在未支护情况下按照实际开挖步距对地层—结构模型进行模拟开挖，取模型纵向中间断面作为监测断面，根据监测断面提取得到隧道拱顶围岩沉降变形值u₀；

当隧道拱顶围岩沉降变形值u₀小于预留变形量δ_R，判断敞开式TBM没有卡机风险；

当隧道拱顶围岩沉降变形值u₀大于或等于预留变形量δ_R，判断敞开式TBM可能存在卡机风险，则进行下一步的计算；

步骤3、当所述步骤2得到的隧道拱顶围岩沉降变形值u₀大于或等于预留变形量δ_R，取隧道拱顶围岩沉降变形值u₀等于预留变形量δ_R，输入有限元计算软件，计算得到平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元的水平应力σ_x和竖向应力σ_z；

步骤4、根据所述步骤3得到的水平应力σ_x和竖向应力σ_z，计算出作用于TBM护盾上的径向应力σ_r；然后，根据作用于TBM护盾上的径向应力σ_r，计算出围岩压力P及TBM护盾与围岩的摩阻力Rp；然后，计算TBM护盾与围岩的摩阻力Rp与TBM掘进推力FI的比值k；

步骤5、当所述步骤4得到的围岩压力P＝0或k＜0.8，判断敞开式TBM没有卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且k≥0.8时，判断敞开式TBM存在卡机风险。

本申请公开的一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，通过围岩岩体的第一物理力学参数，采用数值分析方法，首先提取隧道未支护情况的隧道拱顶围岩沉降变形值并与预留变形量进行大小比较，进行卡机风险的初步评估，若可能存在卡机风险则施加护盾进行平衡求解计算，并提取护盾周边的单元应力，进一步积分求解得到摩阻力，因护盾每个位置所受的压力有所差异，积分的方法可以准确的计算摩阻力；通过摩阻力与TBM推力的比值大小对卡机风险进行准确评估。本发明利用现场取样结合室内试验获得围岩力学参数，将围岩力学参数与卡机建立联系，建立隧道围岩—护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，提出了一种定量化的TBM法隧道卡机风险评判标准，准确度高，实用性强。

进一步的，所述步骤1中，获取围岩岩体的第一物理力学参数的具体方法为：对隧道掌子面前方进行钻芯获取岩样，对岩样进行三轴压缩强度及变形试验，获取岩样的第二物理力学参数；然后根据第二物理力学参数结合Hoek-Brown强度准则计算得到围岩岩体第一物理力学参数；其中，所述第二物理力学参数为弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角。

进一步的，所述步骤2中预留变形量是指隧道开挖的围岩轮廓与护盾之间的预留间隙值。

进一步的，所述步骤3中，因TBM护盾刚度大且对围岩变形具有抑制作用，取隧道拱顶围岩沉降变形值u₀等于预留变形量δ_R。

进一步的，所述步骤3中，所述有限计算软件是ANSYS软件或FLAC软件。

进一步的，所述步骤4中，作用于TBM护盾上的径向应力σ_r由公式一计算得到的；

公式一为：

σ_r＝σ_x·cos(θ)+σ_z·sin(θ)；

其中，σ_r为作用于TBM护盾上的径向应力，单位为Pa；σ_x为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元水平应力，单位为Pa；σ_z为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元竖向应力，单位为Pa；θ为护盾外侧的围岩单元与水平轴的夹角；

进一步的，所述步骤4中，围岩压力P由公式二计算得到的；TBM护盾与围岩的摩阻力Rp由公式三计算得到的；比值k是由公式四计算得到的；

公式二为：

公式三为：R_P＝μ_kP；

公式四为：

式中，P表示围岩作用于护盾上的围岩压力，单位为kN；Rp为TBM护盾与围岩的摩阻力，单位为kN；μk表示围岩与护盾的摩擦系数；σ_r(θ)表示角度为θ时的径向应力σ_r，单位为Pa；L表示护盾长度，单位为m；FI表示TBM推进力，单位为kN。

进一步的，所述步骤5中，当所述步骤4得到的P＞0且0.8≤k≤1时，判断敞开式TBM存在轻微卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且0.1＜k≤1.2时，判断敞开式TBM存在一般卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且k＞1.2时，判断敞开式TBM存在严重卡机风险。本发明利用现场围岩的物理力学参数建立隧道围岩-护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，从而得出TBM不同的卡机等级并给出对应的卡机处置措施的方法，针对卡机类型进行了细分并给出了对应的卡机处理方式，能够有针对性地解决卡机问题，避免了处理卡机问题一刀切的费时费钱的问题，节省了施工成本，加快了施工进度，并保障隧道施工和TBM装备的安全。

本发明的另一目的是为了给出上述敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法评判的结果的处理方法。

一种上述敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法评判的结果的处理方法，包括以下步骤：

当判断敞开式TBM存在轻微卡机风险时，处理方法为：通过在护盾与围岩之间注入润滑材料，降低护盾与围岩之间的摩擦系数，从而降低摩阻力Rp；

当判断敞开式TBM存在一般卡机风险时，处理方法为：采用超前注浆、小导管或超前管棚的方式进行超前加固；或，利用TBM的刀具扩挖5～10cm增加护盾与围岩之间的空间，释放护盾上的挤压力，从而减小摩阻力Rp，使k值降低至不卡机范围；

当判断敞开式TBM存在严重卡机风险时，处理方法为：结合人工扩挖、导洞法或迂回导坑法的脱困技术进行脱困。

采用本发明敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，当存在卡机风险时，会出现不同情况的风险等级，本发明又针对不同卡机风险等级提供了处理方法，为敞开式TBM施工极复杂地质条件隧道“保驾护航”，以保障TBM法隧道穿越不良地质地段的快速掘进和安全施工，提高施工效率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本申请公开的一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，通过围岩岩体的第一物理力学参数，采用数值分析方法，首先提取隧道未支护情况的隧道拱顶围岩沉降变形值并与预留变形量进行大小比较，进行卡机风险的初步评估，若可能存在卡机风险则施加护盾进行平衡求解计算，并提取护盾周边的单元应力，进一步积分求解得到摩阻力，因护盾每个位置所受的压力有所差异，积分的方法可以准确的计算摩阻力；通过摩阻力与TBM推力的比值大小对卡机风险进行准确评估。本发明利用现场取样结合室内试验获得围岩力学参数，将围岩力学参数与卡机建立联系，建立隧道围岩-护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，提出了一种定量化TBM法隧道卡机风险评判标准，准确度高，实用性强。

2、本发明利用现场围岩的物理力学参数建立隧道围岩-护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，从而得出TBM不同的卡机等级并给出对应的卡机处置措施的方法，针对卡机类型进行了细分并给出了对应的卡机处理方式，能够有针对性地解决卡机问题，避免了盲目处理卡机的费时费钱的问题，节省了施工成本，加快了施工进度，并保障隧道施工和TBM装备的安全。

3、利用掌子面附近的围岩物理力学参数作为基础数据支撑，采用岩体连续性原理，保证了TBM卡机分级的准确性。

4、本发明基于围岩压力和TBM推力提出的卡机分级及配套的卡机处理措施，能够适应复杂多变的围岩地质条件，具有很强的实用性。

附图说明

图1为本发明实施例1中的地层—结构模型。

图2为本发明实施例1中数值计算竖向位移云图。

图3为本发明实施例1中数值计算围岩应力云图。

图4为本发明实施例1中数值计算围岩压力时的单元应力坐标图。

图5为本发明实施例1中数值计算围岩径向压力时的径向应力σr图。

图6为本发明的实施流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

本实施例以某掘进机法隧道为例，IV级围岩，TBM开挖直径为9m，隧道埋深为450m，预留变形量为5cm，护盾与刀盘总推力为25133kN，护盾与刀盘的总长为6m。

一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，如图6所示，包括以下步骤：

1)对隧道掌子面前方进行钻芯获取岩样，对岩样进行三轴压缩强度及变形试验，获取岩样的物理力学参数：弹性模量E、泊松比μ、粘聚力c和内摩擦角

然后根据第二物理力学参数结合Hoek-Brown强度准则计算得到围岩岩体物理力学参数：弹性模量E₁、泊松比μ₁、粘聚力c₁和内摩擦角

2)利用上述岩体物理力学参数，利用三维建模软件构建地层—结构模型，如图1所示，其大小为长宽高分别为100×100×100m。模型前后左右侧面和底部为法向约束，顶部施加压力，将上覆多余岩层折算成面压力作用于模型顶部，围岩采用摩尔库伦破坏准则。

在未支护情况下按照实际开挖步距1.8m对地层—结构模型进行模拟开挖，取模型纵向中间断面作为监测断面，如图2所示，根据监测断面提取得到隧道拱顶围岩沉降变形值u₀；

当拱顶沉降小于预留变形量时，TBM则没有卡机风险；当拱顶沉降大于预留变形量时，TBM可能出现卡机风险；本实施例拱顶沉降大于预留变形量。

3)取隧道拱顶围岩沉降变形值u₀等于预留变形量δ_R，输入ANSYS有限计算软件，按照如图3，图3a为竖向应力云图；图3b为水平应力云图；开展隧道水平方向和竖直方向的围岩单元应力分析，根据围岩应力云图提取护盾周围的围岩竖向应力S-ZZ和水平应力S-XX(如表1所示)，计算得到平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元的水平应力σ_x和竖向应力σ_z；

根据护盾外侧单元示意图-图4的几何关系和径向应力σ_r计算示意图-图5所示计算所示的径向应力σ_r，

σ_r＝σ_x·cos(θ)+σ_z·sin(θ)；其中，σ_r为作用于TBM护盾上的径向应力，单位为Pa；σ_x为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元水平应力，单位为Pa；σ_z为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元竖向应力，单位为Pa；θ为护盾外侧的围岩单元与水平轴的夹角；

由得到的径向应力σ_r计算围岩压力P及TBM护盾与围岩的摩阻力Rp。

R_p＝μ_kP；式中，P表示围岩作用于护盾上的围岩压力，单位为kN；μk表示围岩与护盾的摩擦系数；σ_r(θ)表示角度为θ时的径向应力σ_r，单位为Pa；L表示护盾长度，单位为m；FI表示TBM推进力，单位为kN。

4)由摩阻力Rp，计算摩阻力Rp与TBM掘进推力FI的比值k，将TBM卡机状态分为4个等级，由k值大小判断TBM卡机状态。本实施例中P＝115439.81、Rp＝23087.96。

5)①当P＝0或k＜0.8，TBM掘进状态为不卡机，对应的级别为I级，正常掘进；②当P＞0且0.8≤k≤1，TBM掘进状态为轻微卡机，对应的级别为II级，提高推力，还可在护盾与围岩之间注入润滑材料，降低护盾与围岩之间的摩擦系数μk，从而降低摩阻力Rp；③当P＞0且0.1＜k≤1.2，TBM掘进状态为一般卡机，对应的级别为III级，采用超前注浆或是小导管、超前管棚等方式进行超前加固；进一步地，可利用TBM刀具扩挖5-10cm，增加护盾与围岩之间的空间，释放护盾上的挤压力；④当P＞0且k＞1.2，TBM掘进状态为严重卡机，对应的级别为IV级，然后结合人工扩挖或者导洞法、迂回导坑法的脱困技术进行脱困。

表1单元应力结果表

由摩阻力Rp，计算摩阻力Rp与TBM掘进推力FI的比值k，将TBM卡机状态分为4个等级，由k值大小判断TBM卡机状态。

本实施例利用现场围岩的物理力学参数建立隧道围岩-护盾摩阻力与TBM推力之间的对应关系，从而得出TBM不同的卡机等级并给出对应的卡机处置措施的方法，针对卡机类型进行了细分并给出了对应的卡机处理方式，特别适用于解决TBM隧道在深埋复杂地质条件下快速施工时遇到的卡机问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取隧道围岩的第一物理力学参数；其中，所述第一物理力学参数为弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角；

步骤2、根据所述步骤1得到的第一物理力学参数，利用三维建模软件构建地层—结构模型；在未支护情况下按照实际开挖步距对地层—结构模型进行模拟开挖，取模型纵向中间断面作为监测断面，根据监测断面提取得到隧道拱顶围岩沉降变形值u₀；

当隧道拱顶围岩沉降变形值u₀小于预留变形量δ_R，判断敞开式TBM没有卡机风险；

当隧道拱顶围岩沉降变形值u₀大于或等于预留变形量δ_R，判断敞开式TBM可能存在卡机风险，则进行下一步的计算；

步骤3、当所述步骤2得到的隧道拱顶围岩沉降变形值u₀大于或等于预留变形量δ_R，取隧道拱顶围岩沉降变形值u₀等于预留变形量δ_R，输入有限计算软件，计算得到平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元的水平应力σ_x和竖向应力σ_z；

步骤4、根据所述步骤3得到的水平应力σ_x和竖向应力σ_z，计算出作用于TBM护盾上的径向应力σ_r；然后，根据作用于TBM护盾上的径向应力σ_r，计算出围岩压力P及TBM护盾与围岩的摩阻力Rp；随后，计算TBM护盾与围岩的摩阻力Rp与TBM掘进推力FI的比值k；

步骤5、当所述步骤4得到的围岩压力P＝0或k＜0.8，判断敞开式TBM没有卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且k≥0.8时，判断敞开式TBM存在卡机风险。

2.根据权利要求1所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤1中，获取围岩岩体的第一物理力学参数的具体方法为：对隧道掌子面前方进行钻芯获取岩样，对岩样进行三轴压缩强度及变形试验，获取岩样的第二物理力学参数；然后根据第二物理力学参数结合Hoek-Brown强度准则计算得到围岩岩体第一物理力学参数；其中，所述第二物理力学参数为弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角。

3.根据权利要求1所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤2中预留变形量是指隧道开挖的围岩轮廓与护盾之间的预留间隙值。

4.根据权利要求1所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤3中，所述有限计算软件是ANSYS软件或FLAC软件。

5.根据权利要求1所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤4中，作用于TBM护盾上的径向应力σ_r由公式一计算得到的；

公式一为：

σ_r＝σ_x·cos(θ)+σ_z·sin(θ)；

其中，σ_r为作用于TBM护盾上的径向应力，单位为Pa；σ_x为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元水平应力，单位为Pa；σ_z为平衡状态下监测断面护盾外侧的围岩单元竖向应力，单位为Pa；θ为护盾外侧的围岩单元与水平轴的夹角。

6.根据权利要求1所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤4中，围岩压力P由公式二计算得到的；TBM护盾与围岩的摩阻力Rp由公式三计算得到的；比值k是由公式四计算得到的；

公式二为：

公式三为：R_P＝μ_kP；

公式四为：

式中，P表示围岩作用于护盾上的围岩压力，单位为kN；Rp为TBM护盾与围岩的摩阻力，单位为kN；μk表示围岩与护盾的摩擦系数；σ_r(θ)表示角度为θ时的径向应力σ_r，单位为Pa；L表示护盾长度，单位为m；FI表示TBM推进力，单位为kN。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法，其特征在于，所述步骤5中，当所述步骤4得到的P＞0且0.8≤k≤1时，判断敞开式TBM存在轻微卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且0.1＜k≤1.2时，判断敞开式TBM存在一般卡机风险；当所述步骤4得到的P＞0且k＞1.2时，判断敞开式TBM存在严重卡机风险。

8.一种利用权利要求1-7任意一项所述的敞开式TBM法隧道卡机风险的评判方法评判的结果的处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

当判断敞开式TBM存在轻微卡机风险时，处理方法为：通过在护盾与围岩之间注入润滑材料，降低护盾与围岩之间的摩擦系数，从而降低摩阻力Rp；

当判断敞开式TBM存在一般卡机风险时，处理方法为：采用超前注浆、小导管或超前管棚的方式进行超前加固；或，利用TBM的刀具扩挖5～10cm增加护盾与围岩之间的空间，释放护盾上的挤压力，从而减小摩阻力Rp，使k值降低至不卡机范围；

当判断敞开式TBM存在严重卡机风险时，处理方法为：结合人工扩挖、导洞法或迂回导坑法的脱困技术进行脱困。

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