孫偉，凌靜秀，霍軍周，鄧立營，巫思榮，黨軍鋒

(1..大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧大連030024;2.北方重工集團有限公司，遼寧沈陽110141)

全斷面巖石掘進機(full face rock tunnel boring machine，TBM)是一種隧道掘進的大型專用工程機械，目前國內(nèi)外學(xué)者從數(shù)值模擬和理論建模等多方面對其結(jié)構(gòu)進行研究，得出了一些有意義的結(jié)論［1-3］.支撐靴作為TBM的固定部分，掘進時靠其支撐整機重量，并將推力和扭矩反力傳遞給洞壁，借助球形鉸均勻地支撐在洞壁上，避免引起集中載荷對洞壁的破壞.敞開式硬巖掘進機支撐型式分為水平支撐和X型支撐.水平支撐結(jié)構(gòu)簡單，可連續(xù)調(diào)向，每個撐靴能獨立移動，針對不同工況的圍巖調(diào)整撐靴位置，市場應(yīng)用廣泛;X型支撐結(jié)構(gòu)復(fù)雜、液壓元件多、價格偏高，掘進過程中不能調(diào)向，市場應(yīng)用受到一定限制.然而水平支撐在不穩(wěn)定地質(zhì)條件下，由于巖體膠結(jié)性能差、圍巖破碎、開挖面自穩(wěn)時間短，圍巖不能為撐靴提供足夠的支撐反力來推進機器掘進 ［4-6］.

本文以遼西北供水工程項目為背景，實際地質(zhì)報告中2類典型圍巖為研究對象，應(yīng)用CAE技術(shù)對羅賓斯TBM水平支撐與圍巖動態(tài)接觸過程進行數(shù)值模擬和分析，開展水平支撐在不同撐靴接觸面積下的圍巖穩(wěn)定性及不同地質(zhì)條件下的適應(yīng)性研究，所作的研究對圍巖的穩(wěn)定性評價、支撐靴結(jié)構(gòu)設(shè)計具有借鑒意義.

1 水平支撐-圍巖數(shù)值仿真模型的建立

支撐靴與圍巖的接觸力學(xué)行為復(fù)雜，巖體的非線性、非連續(xù)材料本構(gòu)及復(fù)雜邊界條件等問題，使巖體力學(xué)問題通常無法用解析法求解.有限元法(finite element method，F(xiàn)EM)、有限差分法(fast lagrangian analysis of continua，F(xiàn)LAC)及離散元法(distinct element method，DEM)等數(shù)值方法能模擬巖體的復(fù)雜力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)特征，分析各類邊值問題和施工過程，進行工程預(yù)測，在研究圍巖變形破壞及穩(wěn)定性評價中應(yīng)用廣泛［7-10］.

有限元軟件ANSYS/LS-DYNA作為模擬動態(tài)支撐過程的程序，擁有豐富的材料模型庫、充足的接觸方式及算法等優(yōu)點，其可靠性多次在工程應(yīng)用中被證實［11-13］.用UG建立水平支撐-圍巖隧道的三維模型，導(dǎo)入到ANSYS中進行前處理，求解后提取支撐靴和圍巖的響應(yīng)變化規(guī)律，進而分析在不同接觸面積和地質(zhì)條件下的圍巖穩(wěn)定性，分析流程如圖1所示.

圖1 ANSYS/LS-DYNA分析流程Fig.1 Analysis process of ANSYS/LS-DYNA

1.1 實體建模

以羅賓斯TBM水平支撐為研究對象，圍巖洞壁直徑8 500 mm，根據(jù)支撐靴二維圖紙尺寸進行建模.由于模型的對稱性及研究重點，計算時選取一半模型，對液壓缸和內(nèi)部支撐筋板進行合理簡化，保留加載和接觸區(qū)域.通過TBM施工現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，由于圍巖不穩(wěn)定及表面形狀等原因(如圖2)，支撐靴與圍巖并不是完全接觸，接觸面積會隨著地層變化而降低.為建模簡便，采用改變支撐靴表面形狀等效模擬因?qū)嶋H圍巖形狀改變而引起的接觸面積下降，圖3為支撐靴和圍巖全面積接觸的三維模型.

圖2 錦屏電站水平支撐與巖壁Fig.2 Rock wall and gripper of Jinping hydropower plant

圖3 水平支撐-圍巖三維模型Fig.3 3-D model of gripper and surrounding rock

1.2 材料參數(shù)設(shè)置

將三維模型通過中間格式(Parasolid格式)導(dǎo)入到ANSYS前處理中，調(diào)用 LS-DYNA Explicit模塊，定義支撐靴和圍巖的材料本構(gòu)模型.

支撐靴材料是由堅硬、耐磨的高強度鋼材制造，其彈性模量比巖石大1個數(shù)量級，且研究重點是不同支撐接觸面積下圍巖的破碎與穩(wěn)定性，因此仿真時忽略其磨損與變形，將其設(shè)置為剛體.

巖石作為多孔、非均質(zhì)的無機非金屬材料，內(nèi)部含有大量缺陷和損傷，各種損傷的演化、發(fā)展和累積造成破壞，難以用經(jīng)典力學(xué)理論描述其復(fù)雜力學(xué)行為.表征巖石力學(xué)行為的材料模型，包括本構(gòu)關(guān)系、強度理論和破壞準則，是巖石結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析的基礎(chǔ).因此，采用損傷力學(xué)，引入損傷因子的巖石本構(gòu)關(guān)系描述巖石的擠壓斷裂過程是比較合適的［14］.

圍巖材料采用Holmquist-Johnson-Cook(HJC)動態(tài)損傷本構(gòu)模型，能模擬大形變、高應(yīng)變率和高壓下的巖石破碎，是目前模擬巖石材料應(yīng)用最廣泛的本構(gòu)模型.

參考工程地質(zhì)報告和巖體分級標(biāo)準GB 50218-84，選取遼西北地質(zhì)報告中2類典型圍巖作為研究對象，其主要力學(xué)參數(shù)如表1，HJC本構(gòu)模型參數(shù)取值［15-17］如表 2.

對于表1、2所示的巖石本構(gòu)，設(shè)置其失效準則為最大主應(yīng)變失效，失效閥值設(shè)置為0.006，即圍巖模型單元的應(yīng)變達到設(shè)定閥值時，程序自動令單元失效.這是基于斷裂力學(xué)描述損傷對材料破壞的影響而提出的，假設(shè)基于特定本構(gòu)關(guān)系的單元材料在達到強度極限以后，材料剛度按照一定的規(guī)律逐漸衰減到零，在以往模擬中被廣泛應(yīng)用［18-21］.

表1 圍巖主要物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Themain parameters of rock mechanics

表2 HJC本構(gòu)模型參數(shù)Table 2 Parameters of HJC constitutive model

1.3 單元網(wǎng)格劃分

選取SOLID164單元分別對支撐靴和圍巖劃分網(wǎng)格，剛體采用粗略的智能劃分即可，圍巖采用精細的掃略方法劃分網(wǎng)格，如圖4.

圖4 水平支撐-圍巖網(wǎng)格劃分Fig.4 Elementmesh about gripper and surrounding rock

1.4 加載和求解

1.4.1 位移邊界描述

隧道開挖面為自由邊界，中間對稱面采用固定約束，并在圍巖其他5個面上施加無限無反射邊界，以使所選擇的一小部分巖石能夠模擬無限延伸的巖體.

支撐靴僅沿TBM隧道掘進橫向(X向)和掘進方向(Z向)滑動，約束其他方向自由度.

1.4.2 圍巖外載的確定

圍巖分別受到垂直和斜向液壓缸的推力載荷，通過遼西北供水工程項目調(diào)研，垂直液壓缸載荷基本穩(wěn)定在21 000 kN，斜向液壓缸由于刀盤軸向載荷脈動，脈動率在30%左右，均值10 500 kN，受力簡化模型如圖5所示.

圖5 水平支撐受力簡化模型Fig.5 Simplified mechanical model of gripper

鑒于掘進機實際工作情況，垂直液壓缸在支撐穩(wěn)定后，斜向液壓缸開始工作，假定垂直液壓缸0.5 s后平穩(wěn)工作，圖6為斜向液壓缸推力的脈動載荷變化規(guī)律.

圍巖在一定埋深會由于重力等多種因素受到圍壓的作用，圍壓是隧道工程的重要的力學(xué)特征，對圍巖的破壞方式和穩(wěn)定性有很大影響［22-23］.在參考國內(nèi)外文獻、地質(zhì)報告及咨詢專家的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值仿真試驗的方法確定2類圍巖的初始圍壓.通過多次試驗?zāi)M，確定II類圍巖在水平圍壓10MPa和豎直圍壓20 MPa的工況下，能保持自穩(wěn)性，而V類圍巖相應(yīng)的圍壓值分別為1.5MPa和3MPa，除隧道對稱面外，圍巖其他各個面均施加圍壓.

1.4.3 定義接觸類型

支撐靴和圍巖定義通用的面面接觸，支撐靴為接觸面，圍巖為目標(biāo)面，同時定義靜摩擦系數(shù)為0.4，動摩擦系數(shù)為0.35.

1.4.4 后處理

通過后處理器LS-PREPOST讀入d3plot文件，在計算機中再現(xiàn)支撐靴與圍巖動態(tài)接觸過程，從支撐靴開始接觸圍巖到穩(wěn)定支撐，仿真時間為1.5 s.

2 數(shù)值計算結(jié)果及圍巖穩(wěn)定性分析

在后處理中通過提取2類圍巖等效應(yīng)力、支撐接觸反力變化規(guī)律及材料失效質(zhì)量來定性地分析和評價圍巖的穩(wěn)定性.

2.1 不同支撐靴接觸面積下II類圍巖模擬結(jié)果

提取II類圍巖在不同支撐靴接觸面積下的失效狀態(tài)圖如圖7.對于穩(wěn)定性較好的II類圍巖，在模擬試驗的時間內(nèi)，不同接觸面積的圍巖均未發(fā)生失效，撐靴能夠提供足夠的支撐反力，支撐方向(X)和掘進方向(Z)支撐力變化曲線如圖8所示.

圖7 不同接觸面積下II類圍巖失效狀態(tài)圖Fig.7 Failure states of type II surrounding rock with different contact areas

圖8 不同接觸面積下II類圍巖支撐力變化曲線Fig.8 Support force variation of type II surrounding rock with different contact areas

2.2 不同支撐靴接觸面積下V類圍巖模擬結(jié)果

提取V類圍巖在不同支撐靴接觸面積下的失效狀態(tài)圖如圖9所示.提取V類圍巖在不同支撐靴接觸面積下的支撐力和圍巖質(zhì)量變化曲線如圖10、11(m表示圍巖質(zhì)量)所示.

圖9 不同接觸面積下V類圍巖失效狀態(tài)圖Fig.9 Failure states of type V surrounding rock with different contact areas

圖10 不同接觸面積下V類圍巖支撐力變化曲線Fig.10 Support force variation of type V surrounding rock with different contact areas

通過V類圍巖的仿真結(jié)果可知，圍巖在沒有支撐靴作用的情況下，仿真試驗給定的圍壓能保持自穩(wěn)性，在支撐靴推力擾動作用下，圍巖失效的范圍隨著作用時間不斷擴大，后期可能會出現(xiàn)巖體坍塌現(xiàn)象，如圖12所示.

圖11 不同接觸面積下V類圍巖質(zhì)量變化曲線Fig.11 M ass variation of type V surrounding rock with different contact areas

圖12 V類圍巖巖體坍塌Fig.12 Collapse of type V surrounding rock

2.3 仿真結(jié)果統(tǒng)計與討論

對以上2類圍巖的結(jié)果統(tǒng)計如表3.由表3可以看出，在不同的接觸面積下，穩(wěn)定性較好的II類圍巖的在仿真試驗時間內(nèi)沒有發(fā)生失效，等效應(yīng)力接近巖石抗壓強度;對于穩(wěn)定性較差的V類圍巖來說，材料明顯發(fā)生失效，質(zhì)量在5 100～38 400 kg變化.

表3 2類圍巖等效應(yīng)力和失效質(zhì)量統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistical results of equivalent stress and mass failure about two types of surrounding rocks

由表4可以看出，對于穩(wěn)定性較好的II類圍巖來說，圍巖和支撐靴在X、Z方向的支撐反力變化曲線基本和輸入外載變化規(guī)律一致，說明在掘進方向能夠提供足夠的推進力.

由表5可以看出，對于穩(wěn)定性較差的V類圍巖來說，隨著接觸面積的減少，圍巖失穩(wěn)時間點是逐漸提前的;全面積接觸的情況下，圍巖沒有出現(xiàn)大范圍失效，接觸面積從90%下降到60%，失穩(wěn)時刻點從1.4 s提前到0.6 s，同時在掘進方向所能提供的推進力(Z向)也無法滿足要求.

表4 II類圍巖支撐力統(tǒng)計結(jié)果Table 4 Statistical results of supporting force about type II surrounding rock

表5 V類圍巖支撐力和失穩(wěn)時刻統(tǒng)計結(jié)果Table 5 Statistical results of supporting force and instability moment about type V surrounding rock

3 結(jié)論

本文得到以下結(jié)論:

1)通過對比圍巖的失效質(zhì)量可知，隨著接觸面積減少，II類圍巖材料在支撐靴推力和圍壓作用下沒有發(fā)生失效，在仿真試驗的時間內(nèi)能保持穩(wěn)定;V類圍巖則出現(xiàn)明顯的失效，而且隨著接觸面積的減少，圍巖失效范圍有加大的趨勢，說明水平支撐若長期置于軟弱圍巖條件下會出現(xiàn)失穩(wěn)，甚至坍塌.

2)II類圍巖在穩(wěn)定情況下，X、Z方向的支撐力變化曲線基本和輸入外載變化規(guī)律一致，載荷幅值和平均值數(shù)量級也近似相同;V類圍巖不能提供足夠的支撐力，在開始失穩(wěn)的情況下支撐力具有明顯的階躍性質(zhì)，反映出水平支撐對軟弱圍巖的不適應(yīng).

3)在相同工況下，對比V類圍巖質(zhì)量的失穩(wěn)時刻可知，隨著接觸面積減少，圍巖失穩(wěn)時間點是逐漸提前的;全面積接觸的情況下，圍巖沒有出現(xiàn)大范圍失效，而接觸面積從90%下降到60%，失穩(wěn)時刻點從1.4s提前到0.6s，說明水平支撐在實際工作過程中，在不穩(wěn)定圍巖條件下可能會發(fā)生支撐不穩(wěn)的現(xiàn)象.

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