使用基于GPU并行化的三维有限差分法（3D FDEM）对隧道掘进机（TBM）盾体卡阻机制及其缓解措施进行数值研究

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Numerical investigation of TBM shield jamming mechanisms and mitigation measures using a GPU-Parallelized 3D FDEM method

盾构机卡机机理研究及注浆加固算法验证

　　

杜成雷|潘宇聪|黄世冰|余洪刚|刘贺

武汉科技大学城市建设学院，中国武汉430065

摘要

隧道掘进机（TBM）方法已成为建造深埋和长隧道的首选方法。然而，在遇到松散破碎带、复合岩层或高应力区域等不良地质条件时，TBM容易发生卡阻，导致巨大的经济损失和施工延误。本研究通过使用GPU并行化的三维离散元方法（3D FDEM）结合现场监测数据，分析了TBM卡阻事件，以揭示TBM盾体卡阻的机制及其缓解措施。首先，收集了TBM的现场运行数据，并部署了盾体变形监测系统，以分析卡阻发生前的机械参数变化。接下来，建立了TBM隧道的详细数值模型，模拟周围岩石的变形和破坏过程，以及破碎岩块与盾体之间的时空接触和挤压相互作用，从而得出盾体表面摩擦分布。最后，提出了一种基于节理单元修复机制的注浆加固算法。通过引入实体单元建模的岩栓和注浆支护，评估了联合加固措施在减少盾体-岩石相互作用力和缓解卡阻风险方面的有效性。本研究为复杂地质条件下TBM盾体卡阻的早期预警、预防和缓解提供了宝贵的见解。

引言

由于掘进效率高、对周围岩石的扰动小以及整体成本性能优越，隧道掘进机（TBM）方法被广泛用于长距离和深埋隧道的建设（Koizumi等人，2016年；Ramoni和Anagnostou，2011年）。然而，TBM不可避免地会遇到断层破碎带、含水破碎层、软弱岩层和高原应力区等不良地质条件（Bayati和Khademi Hamidi，2017年；Huang等人，2021年；Swannell等人，2016年）。这些不利条件容易导致TBM卡阻，不仅危及设备安全，还会中断隧道施工，造成重大经济损失和施工延误，甚至可能需要修改项目路线。

人们已经通过分析模型和案例研究致力于理解TBM卡阻现象。统计和机理研究表明，破碎带是最常见的地质触发因素之一（Z. H. Xu等人，2021年），而在挤压地层中的时间依赖性变形会在长时间停机期间显著增加盾体载荷（Leone等人，2024年）。理论和半经验方法（如收敛-约束公式和纵向变形剖面方法）已被用于估算盾体载荷和所需推力（Farrokh等人，2006年；Koizumi等人，2016年）。然而，大多数分析模型依赖于简化假设（例如连续性、均匀性和对称性），因此在再现掘进卸载过程中的不连续变形、块体脱落和不断变化的接触条件方面能力有限（Gong等人，2016年）。同时，也引入了数据驱动方法，通过学习TBM运行参数与地质变量之间的非线性关系来预测卡阻风险（Yu等人，2021年；Yu等人，2025年）。贝叶斯网络、随机森林、集成学习和神经网络已被用于基于收集的案例或数值生成的样本进行卡阻概率评估或参数预测（Lin等人，2022年；Hou等人，2023年；Xu等人，2021a年；Hasanpour等人，2020年）。尽管这些方法在特定项目中表现出良好的预测性能，但它们通常受到标记卡阻案例的稀缺性、项目特定数据分布以及在复杂和多变地质条件下的有限泛化能力的限制。更重要的是，纯数据驱动的指标可能无法提供岩石质量变形/破坏与控制卡阻发生的TBM-岩石相互作用之间的物理可解释联系。

因此，数值模拟是揭示TBM卡阻潜在机制的关键工具。传统的基于FEM/FDM的模型（如FLAC3D、ABAQUS）可以捕捉应力重分布和变形趋势（Sun和Yang，2019年；Zhao等人，2015年；Hasanpour等人，2014年；Liu等人，2019年），但它们通常采用连续介质假设，这限制了它们表示大变形、断裂起始、块体重新排列以及破碎岩块与TBM盾体之间空间演变接触过程的能力（Munjiza，2004年；Fukuda等人，2021年；Liu等人，2020年；Ma等人，2022年；Mohammadnejad等人，2020年；Sun等人，2022年）。这些不连续过程正是控制盾体接触压力和摩擦需求增长的关键机制。因此，结合连续介质变形与不连续断裂和接触相互作用的离散元方法（FDEM）已成为TBM卡阻研究的强大工具。借助GPU并行化，3D FDEM可以实现与大规模TBM隧道模型相匹配的计算效率，同时明确解析裂纹演化和岩石-结构接触动力学（Fukuda等人，2020年；Lei等人，2014年；Liu等人，2021年）。尽管取得了这些进展，但仍存在一个关键研究空白：现有研究很少建立（i）掘进引起的岩石质量破碎和重新排列，（ii）盾体-岩石接触/挤压的时空演变，以及（iii）基于摩擦需求的可解释早期预警指标之间的机制一致性联系。因此，早期预警往往是反应性的，缓解设计缺乏基于演变接触力学的定量指导。

为了解决这一空白，本研究通过整合现场运行数据和盾体变形监测，并结合GPU并行3D FDEM框架，对中国西部一个隧道项目的TBM盾体卡阻事件进行了分析。所提出的方法明确再现了掘进扰动下周围岩石的变形-断裂-接触演变过程，提取了盾体表面的时间分辨摩擦阻力作为物理可解释的预警指标，并评估了缓解措施对接触演变和摩擦增长的定量影响。本文的其余部分组织如下：第2节介绍工程背景；第3节分析TBM运行参数和盾体变形监测数据；第4节展示盾体卡阻演变的3D FDEM模拟；第5节评估使用周围岩石稳定性控制措施的卡阻缓解效果。

项目背景

项目背景

该项目位于中国西部西藏自治区林芝市，隧道从DK1217 + 793的入口延伸至DK1255 + 758的出口，总长度为37,965米。隧道采用人字形坡度设计，坡度转折点位于DK1235 + 600。施工采用了隧道掘进机（TBM）掘进和钻爆法相结合的方式。从入口段启动了两台开放式TBM进行掘进

TBM运行数据

对2024年5月8日发生的盾体卡阻事件期间的TBM掘进参数进行了分析。提取了在卡阻过程中表现异常的四个关键参数进行评估：总推力、刀盘 penetrance、刀盘扭矩和刀盘转速。数据以一分钟为间隔记录，卡阻事件前后各参数的变化如图3所示。

注浆加固算法

近年来，离散元方法（FDEM）已在岩石工程的多个领域得到广泛应用，包括边坡稳定性、采矿、交通和水力工程。FDEM的基本理论和公式已在之前的研究中进行了全面介绍，因此在此不再赘述（Fukuda等人，2021年；Lei等人，2024年；Xu等人，2021b年；Yan等人，2023年；Munjiza等人，1999年）。在三维FDEM框架中，运动方程通过

TBM卡阻缓解模拟

如前一节所述，TBM盾体卡阻事件通常伴随着早期预警信号，包括异常的TBM掘进参数、不良地质条件和不规则的应变计读数。这些指标可以作为预测TBM卡阻的前兆，从而提前采取预防措施。岩栓是支撑周围岩石的重要措施，在隧道工程中得到了广泛应用。

结论

TBM卡阻事件的早期预警和预防是深部软弱岩层中TBM掘进面临的关键挑战。本研究采用GPU并行3D FDEM方法研究了盾体卡阻的发展机制，并评估了联合支护措施的有效性。此外，还基于工程案例分析总结了缓解策略。主要结论如下：

(1)

在卡阻事件的潜伏阶段，参数出现异常变化

作者贡献

杜成雷：数据整理、软件编写——初稿。潘宇聪：方法论。黄世冰：数据整理、方法论。余洪刚：数据整理、概念化。刘贺：数据整理、方法论。数值计算得到了武汉科技大学高性能计算中心的支持。

资助

作者还要感谢国家自然科学基金（项目编号42377191）、湖北省自然科学基金（项目编号2024AFB518）和湖北省中央引导地方科技发展专项基金（2025CSA017）的支持。对这些支持表示衷心的感谢。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。