中砂岩地层TBM掘进三维离散元研究*
王俊，胡瑞青，周晓军
（西南交通大学交通隧造工程教育部重点实验室，四川成都610031）
[摘要]以补连塔斜井施工为依托工程，采用离散元方法对TBM掘进过程进行三维数值模拟以研究TBM掘进参数进阶段若顶进速度过快施工参数会出现较大峰值，可能超过机器额定值影响其工作效率.地层受扰动程度则随着 和围岩变形规律.研究表明，一定范围内，中砂岩地层中刀盘扭矩与正面阻力随掘进速度基本呈线性增长，初始据开挖速度加快面不断减小.
[关键词]盾构全断面岩石掘进机（TBM）；颗粒流；数值模拟；施工参数
[中图分类号]U455.7 [文献标识码]A [文章编号]1002-8498(2016)22-0019-03
Study on theTBM Tunnelingin MediumSandstoneUsing3DDEM
( Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering Minitry of Education Wang Jun Hu Ruiqing Zhou XiaojunSouthues Jiaotong Unisersity Chengdu Sichaan 610031 China)
was used to model the tunnel boring machine ( TBM ) tunnelling proces and the variation of construction Abstract :Based on the Bulianta shaft construction three dimensional discrete element method ( DEM )parameters and surrounding rock deformation is revealed. Results show that within given range thetorque and thrust of cutterhead grow almost linearly with advancing speed. If the ardvancing speed is toohigh at the start of construction the torque and thrust may reach the peak with high value and exceed the administration value Besides the surrounding rock deformation decreases with increasing advancingspeed.
Key words: shields;tunnel boring machine (TBM ): particle flow code;simulation;construction parameters
近年来，全断面岩石掘进机（TBM）在水利、交律.冷先伦等以不同卸荷速率下的三轴加卸载工岩石巷道的要求.TBM由于具有机械化程度等以中天山隧道为依托工程研究了TBM掘进效 率与围岩特性关系.
通、城市轨道交通等工程领域得到广泛应用.我国室内试验成果为基础，以FLAC程序为手段，并在浅部煤炭资源枯竭，千米深井日益增多，传统矿山程序中引人加卸荷准则判断标准，研究了在不同法已无法满足高地压、高地温环境下安全、快速施TBM掘进速率下隧润围岩的开挖扰动特征.陈浩高、施工质量好以及掘进速度快等优点，已在深部矿井建设中得到了广泛运用.
既有研究取得了诸多成果，但关于TBM施工参数的研究较少见诸报端，需要进一步深人研究.此外，关于地层扰动的研究则没有考虑盾构动态掘进动程度.鉴于此，本文依托补连塔煤矿TBM矿井施 过程对其影响，或限于测试手段难以获取地层受扰工，采用颗粒流软件PFC3D开展TBM掘进过程模拟以探明TBM掘进过程中施工参数变化规律以及其对地层扰动特征.
目前采用多种手段研究了TBM施工力学行为.何发亮等结合秦岭隧道提出了TBM施工条件下 的隧道围岩分级方法.王兴文对TBM滚刀破岩模型进行数值模拟，得出刀具破碎岩体过程的动态效果、应力云图和滚刀受力曲线.龚秋明等分别在锦屏二级水电站引水隧润及施工排水润进行了掘进试验，分析了不同地应力条件下TBM破岩规
1TBM掘进颗粒流模型
颗粒流方法(particle flow code in 3 dimensions)作为离散元方法的一种，近年来在岩石力学领域得
表1地层物理力学参数
Table 1 Physico-mechanical parameters for medium sandstone
地层 密度/ 孔原率/ 弹性模量/ 黏聚力/ 内摩擦角/ 单铂抗压名称 ( _m>-8) % 12 GPs MPs 2.3 (°) 强度/MPa中砂岩 2. 41 4 35° 7.5
表2标定后细观力学参数
Table 2 Calibrated mesoscopic mechanies parameters
地层 密度p/ 颗粒粒径 用度/（GN-m~²)刚度/（GNm-) 法向接触 切向接触 摩擦 平行接触法向黏 平行接触切向黏中矽岩 名称 (kgm-2) 2900 0. 10 ~ 0. 14 分布/m 8 8 0.80 系数 结强度/MN 10 结强度/MN 10
到了越来越广泛的应用，PFC3D是专门用于模拟力学大变形及颗粒流动等问题的数值分析软件，可以模拟颗粒单元的连接和破坏引起颗粒的分离、大变形间题以及颗粒细观结构变化及其力学特性.
1.1PFC3D细观参数标定
数值模型以补连塔斜井施工过程中穿越的中砂岩为目标地层进行仿真分析.中砂岩的地层参数如表1所示.采用单轴与三轴压缩试验对其细观力学参数进行标定，标定后的细观参数如表2所示.
1.2颗粒流数值模型
图1TBM掘进离散元模型Fig. 1 TBM advancing model
综合考虑TBM直径与边界效应，模型尺寸选为25m×15mx30m.TBM穿越部分的颗粒半径设为10-14cm，其余区域内土体颗粒的半径为15-20cm，模型共生成244589个颗粒.
速度v=5×10- 8×10-，10×10-，15×10m/s
2.1刀盘扭矩
数值模型主要分以下几个步骤建立：①首先采用wall单元生成边界墙体.②采用膨胀法生成地层模型，并赋予其相应的细观力学参数.③在指定位置删除颗粒并生成TBM模型.为提高建模效率. 可先在CAD软件中建立目标TBM模型，再导入PFC3D.④赋予TBM指定的施工参数允许其在围岩中掘进，记录刀盘扭矩、千斤顶推力以及地层变形等参数.建立的TBM掘进模型如图1所示.
不同掘进速度下的刀盘扭矩时程曲线如图2a-2d所示.由图2可知，掘进速度对刀盘扭矩有明显影响，当v=5x10m/s时，刀盘扭矩最终稳定在1.98MNm附近，但波动范围较大；x=8×10m/s时，刀盘扭矩有所增加，但变化不明显，最终刀盘扭 矩稳定在2.05MNm：当掘进速度增长到10×10-m/s与15x10m/s时，扭矩时程曲线变化规律发生了变化，由于开挖速度较快，刀盘迅速接触掌子面岩体并对其进行挤压，扭矩首先从0开始增长，达到极值后开始下降，最后趋于稳定，最终平均值约 为3.0MNm与3.85MNm
2TBM施工参数变化规律
TBM掘进过程中选取合理的施工参数对工程顺利进行具有显著效应.鉴于此，本文以TBM穿越中砂岩为例开展参数研究，探讨了开挖速度对扭矩、推力以及地层扰动的影响.分析时共考虑了四种开挖
如图3所示，为了更好地研究掘进速度与刀盘推力之间的关系，对其进行了数值拟合.由该图可
图2不同掘进速度下扭矩时程曲线
万方数据
Fig. 2 Time-history of torque under various advancing speed
图4不同掘进速度下推力时程曲线
Fig. 4 Time-history of thrust under various advancing speed
知，在一定范围内，刀盘扭矩与掘进速度之间基本呈线性增长，因此在施工过程中掘进速度不宜过 快，否则可能造成刀盘扭矩过大、施工困难.
图5掘进速度与刀盘正面阻力关系曲线
Fig. 5 Relationship between advancing speed and thrust
图3据进速度与刀盘扭矩关系曲线
Fig. 3 Relationship between advancing speed and torque
2.2刀盘正面阻力
模拟过程中记录了刀盘正面阻力随掘进距离变化规律.图4给出了4种掘进速度下刀盘正面阻力时程曲线，由图4可知，刀盘阻力随掘进速度变化 规律与扭矩基本相似，呈现出速度越大、刀盘阻力越大的趋势.当掘进速度过大时，正面阻力时程曲线也会出现先增加到峰值再逐渐回落的过程，掘进速度越快对应的峰值越大，TBM施工过程中开挖速度不宜过快.
图6不同据进速度地层变形情况
Fig. 6 Ground deformation induced by TBM tunneling under various advancing speed
为了具体描述掘进速度与刀盘正面阻力的关系，采用数值分析软件对其进行了拟合.如图5所示，在一段范围内刀盘掘进速度与推力呈线性增长趋势，因此实际施工时应充分考虑TBM机器的额定最大推力与扭矩，避免掘进速度过大造成其超负荷 运转，影响开挖效率.
3结语
1）一定范围内，中砂岩地层中刀盘扭矩与掘进速度之间基本呈线性增长，实际工程中掘进速度不宜过快，否则可能造成刀盘扭矩过大掘进困难.
扭矩基本相同.当开挖速度较大时施工参数时程 2）刀盘正面阻力随开挖速度变化规律与刀盘曲线会出现明显的较大峰值，可能超过机器额定最大推力与扭矩，影响开挖效率.
2.3地层变形
如图6所示，地层扰动与掘进速度密切相关，基本呈现出据进速度越快地层扰动越小的趋势.=5x10-m/s时TBM施工引起的地层扰动范围集中在隧道两侧约0.5D与开挖面前方约0.8D范围内. 随着掘进速度加快，受扰动地层范围减小，当掘进速度增长至=10x10-（m/s），地层沉降很小，地层基本不方桐施工影响.
增大而减小.=5x10m/s时，扰动范围集中在隧 3）中砂岩地层受TBM施工扰动范围随掘进速度道两侧约0.5D与开挖面前方约0.8D范围内，≥10x10m/s中砂岩地层基本不受TBM施工影响.
（下转第48页）
根据空气动力学理论，改变通风机的转速是改变通风机性能最为合理的方法，在通风管网阻力与 流量平方成正比例的通风系统中，降低通风机的转速，通风机的功率由于流量与压力的降低而显著下降”，通过变调节通风机的转速是目前比较普遍、成熟的方式.
性能曲线，从而使风机运行工况点移动，风机风压 根据相似律，改变风机的转速，可改变风机的和风量均随之改变，可使通风机性能曲线更加宽广.结合对旋轴流式隧道通风机自身特点，当通风管网阻力系数R不变时，风机叶片角为0°的运行额 率与风机风压、风量关系曲线如图4所示.
图4对旋轴流式隧道通风机频率与风量、风压关系曲线
Fig. 4 Relationship curves of frequeney and wind amount and wind presure of counterrotating axial fan
结合图4，通风机运行频率、转速与风量、风压及轴功率关系如表1所示.
表1通风机运行频率、转速与风量、
Table 1 Relationship of running frequency rotate sped and wind amount wind pressure and power
频率/Hx 转速/% 风量/% 风压/% 功率/%35 40 80 70 49 64 39. 445 90 06 81 72.9 52. 450 100 100 100 0
由图4和表1可以看出，通过变频调速，可以实现通风机风量和风压的连续调节，并保证通风机的 运行工况点保持在高效率区域.结合对旋轴流式隧道通风机既可整机对旋使用，又可单级使用的特点，根据盾存邀据的不同距离，在采用单级运行、对
5结语
参考文献：
（上接第21页）
参考文献：
旋运行的基础上，通过调节风机叶片角度，再配合变频调速，即可以保障不同施工距离时的通风要 求，又可以使风机运行工况点处在特性曲线的高效率区域，在保障井简盾构施工通风安全的前提下，实现通风系统的高效节能运行.
煤矿新建斜井井筒盾构施工通风保障系统的实际 目前该项目已经完成施工，实践表明，补连塔使用效果达到预期，通风保障系统实际应用效果好，性能稳定，为盾构安全施工提供有力保障，有效保证了井简盾构施工的用风要求.因此，补连塔煤 矿斜井井筒盾构施工采用压人式通风方式是合理的；通风设备选用对旋轴流式隧道通风机，采用变频调速并配合风机级数调整和叶片角度调节，可以充分发挥对旋轴流式隧道通风机性能，实现通风参数的动态连续调节，使曲线覆盖范围更加宽广，适 应盾构施工的全过程通风要求.
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