2024年5月11日发(作者：訾升荣)
洞室变形引起的双护盾 TBM 施工事故风险分析
温 森 ，徐卫亚
(1. 河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004；2. 河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098)
12
摘要：当前 TBM 在深埋隧洞施工中的应用越来越多，由变形引起的 TBM 施工事故也越来越普遍，因此很有必要
对变形引起的 TBM 施工事故进行风险分析。采用收敛–约束法并结合风险分析理论，考虑洞室的掌子面和护盾后
方支护的效应，对围岩作用在护盾上的压力进行计算；同时，根据作用护盾上压力大小判断洞室变形对 TBM 施工
的具体影响，把事故的后果分为 5 个等级，根据后果等级结合发生的概率提出 TBM 施工变形风险评价矩阵，然后
结合现有的风险接受准则即可确定风险等级。最后，采用研究成果对南水北调西线某段双护盾 TBM 施工进行风险
评估。 关键词：隧道工程；全断面岩石掘进机(TBM)；收敛–约束法；风险分析；变形风险评价矩阵；南水北调
西线
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)增 1–3060–06
RISK ANALYSIS OF DOUBLE SHIELD TBM CONSTRUCTION ACCIDENT
INDUCED BY TUNNEL DEFORMATION
WEN Sen
1
，XU Weiya
2
(1. School of Civil Engineering and Architecture，Henan University，Kaifeng，Henan 475004，China；2. Geotechnical Research
Institute，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
Abstract：Tunnel boring machine(TBM) is widely used in deep tunnel at present；and the accidents caused by
tunnel deformation become more and more common. Therefore，it is very necessary to analyze the risk of
accidents induced by tunnel deformation in advance. Considering the mutual effect of tunnel face and shield rear
support，convergence-confinement method and risk analysis theory are applied to calculate the pressure imposed
by surrounding rock on shield. Meanwhile，according to the magnitude of pressure imposed on shield，the specific
influence of tunnel deformation on TBM construction is estimated；and the consequence of accidents risk is
divided into five ranks. Deformation risk evaluation matrix for TBM is proposed by the combination of occurrence
probability with consequence rank；and then the risk rank can be determined by the proposed evaluation matrix and
existing risk acceptance criterion. In the end，the risk analysis of double shield TBM construction accident in west
route of South-to-North Water Transfer Project is conducted by using the research results.
Key words：tunnelling engineering；full face rock tunnel boring machine(TBM)；convergence-confinement
method；risk analysis；deformation risk evaluation matrix；west route of South-to-North Water Transfer Project
洞室内壁围岩就会与护盾接触，对护盾产生挤压作
用，这种挤压力达到一定的程度就会使 TBM 无法
前进而停机，造成工期延误，这就是所谓的护盾卡
机事故。变形导致的 TBM 施工风险事故主要是护
盾卡机事故，表 1 统计了一些遭遇 TBM 护盾卡机
1 引
言
采用双护盾 TBM 进行掘进时，护盾暴露在围
岩之下，如果围岩变形大于 TBM 开挖预留的间隙，
收稿日期：2009–06–08；修回日期：2009–09–07
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB04A06)
作者简介：温 森(1981–)，男，博士，2003 年毕业于焦作工学院土木工程专业，现任讲师，主要从事隧道工程风险评估方面的教学与研究工
作。E-mail：**************.cn
第
30 卷 增 1 温 森等：洞室变形引起的双护盾 TBM 施工事故风险分析
• 3061 •
国家名称 工程名称
引黄入晋工程
[1]
昆明掌鸠河引水工程
Ghomroud 隧道
Tuzla 隧道
P
u
[5]
[2-3]
围
岩
压
力
中国
中国 委
内瑞拉
伊朗
GRC
掌
子
面
表 1 TBM 卡机事故的工程实例
Table 1 Engineering examples of TBM jamming accidents
Yacambú Quibor 隧道
[4]
M
N
LDP
C
L
1
B
L
0
A
0
掌子面
土耳其
－
x
0
SCC
S
事故的工程实例。
当前世界范围内修建的隧洞呈现深埋超长和大
直径的趋势，同时 TBM 在这些工程中的应用也越
来越广泛，由变形引起的 TBM 施工风险事故也越
来越普遍。因此对由变形引起的 TBM 施工事故进
行风险评估，根据评估结果提前制定好应对措施是
很有必要的。
预测 TBM 护盾卡机事故主要是对洞室纵向一
定范围的变形进行预测，因为护盾区域变形受到护
盾前方的掌子面和后方支护的影响。以往的变形研
究主要是为选择支护形式服务，使用比较多的研究
方法是收敛–约束法，如国外的 F. Ebrahim 等，
国内学者这方面的研究也不少，如张素敏等
[7-9]
。F.
Ebrahim 等
[5]
还将收敛–约束法应用于 TBM 护盾卡
机计算中，但是没有考虑护盾后方支护的影响和地
质条件的不确定性，而岩土工程材料包含了很复杂
的不确定性影响因素，它们的取值随时间或空间随
机变化。因此确定性分析所得出的结果往往不能反
映真实情况，必须引入概率分析的手段。温 森和
徐卫亚
[11]
采用二维随机有限元软件研究了 TBM 护
盾被困事故，但是没有考虑到掌子面与支护的影响。
本文在前人研究的基础上，考虑护盾后方支护对护
盾区域变形的影响，采用风险分析理论对 TBM 护
盾被卡事进行故风险分析。
[10]
[5-6]
R
P
i
(x = L
1
)
P
f
(x = L
1
)
x
距离掌子面距离
图 1 收敛–约束法求解示意图
[4]
Fig.1
Calculation sketch of convergence-confinement
method
[4]
或破碎带时，围岩大变形有时候能够导致护盾被围
岩挤压，护盾可以看作是支护系统，只是假设护盾
是刚体，不发生变形。为了能够尽早做好处理措施，
可以采用收敛–约束法对此事故提前进行风险分
析。TBM 护盾紧邻隧洞掌子面，因此应当考虑掌子
面效应。
由于掌子面效应的存在，在掌子面影响范围内，
围岩压力 P 由两部分承担：掌子面支承力 P 和支护
u f
反力 P P
i
，即
u
= P
f
+ P
i
。
假设掌子面对其后方的影响距离为 x
r
，则支护
与掌子面间的距离 x＞x
r
时，围岩压力由支护单独承
担，即： P x)
，
P
u
= P
i
(
f
( x) = 0 。为了求解护盾的最
终压力，首先需要求解纵向变形，可以结合图 1 中的
LDP 曲线进行求解。J. C. Chern 等
[12]
在一个工程中
[4]
进行了实地的数据测量，E. Hoek 和 E. T. Brown对
这些实测值进行拟合，得到下式：
u
r
⎡
⎛
−
x / R
⎞
⎤
=
1 + exp
⎢⎜
1.1
⎟⎥
m
u
⎝
⎠
⎦
⎣
r
−1.7
(1)
2 收敛–约束法及其在TBM 中的应用
2.1 收敛–约束法在 TBM 中的应用
收敛–约束法也称为特征曲线法，通常用来求
解洞室开挖后围岩施加在支护上的压力。收敛–约
束法由 3 个部分组成：(1) LDP：纵向变形剖面图；
(2) GRC：围岩反作用曲线；(3) SCC：支护特征曲
线。如图 1
[4]
所示。
对于采用 TBM 掘进的隧洞，TBM 经过软岩区
式中： u
m
r
为远离掌子面处的径向收敛，可以通过
T. C. Carranza 和 C. Fairhurst
[13]
推导的公式求得；u
r
为距离掌子面 x 处的径向收敛；x 为距离掌子面的
距离；R 为隧洞的半径。
2.2 护盾后方支护的影响
双护盾 TBM 管片的安装和掘进是同步的，护
盾始终暴露在围岩之下。由于管片衬砌距离护盾较
近，因此管片衬砌对护盾区域的围岩变形是有影响
的，影响的大小取决于这些支护所受的压力。采用
正交设计试验，然后采用 FLAC
3D
有限差分软件计
2024年5月11日发(作者：訾升荣)
洞室变形引起的双护盾 TBM 施工事故风险分析
温 森 ，徐卫亚
(1. 河南大学 土木建筑学院，河南 开封 475004；2. 河海大学 岩土工程研究所，江苏 南京 210098)
12
摘要：当前 TBM 在深埋隧洞施工中的应用越来越多，由变形引起的 TBM 施工事故也越来越普遍，因此很有必要
对变形引起的 TBM 施工事故进行风险分析。采用收敛–约束法并结合风险分析理论，考虑洞室的掌子面和护盾后
方支护的效应，对围岩作用在护盾上的压力进行计算；同时，根据作用护盾上压力大小判断洞室变形对 TBM 施工
的具体影响，把事故的后果分为 5 个等级，根据后果等级结合发生的概率提出 TBM 施工变形风险评价矩阵，然后
结合现有的风险接受准则即可确定风险等级。最后，采用研究成果对南水北调西线某段双护盾 TBM 施工进行风险
评估。 关键词：隧道工程；全断面岩石掘进机(TBM)；收敛–约束法；风险分析；变形风险评价矩阵；南水北调
西线
中图分类号：U 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)增 1–3060–06
RISK ANALYSIS OF DOUBLE SHIELD TBM CONSTRUCTION ACCIDENT
INDUCED BY TUNNEL DEFORMATION
WEN Sen
1
，XU Weiya
2
(1. School of Civil Engineering and Architecture，Henan University，Kaifeng，Henan 475004，China；2. Geotechnical Research
Institute，Hohai University，Nanjing，Jiangsu 210098，China)
Abstract：Tunnel boring machine(TBM) is widely used in deep tunnel at present；and the accidents caused by
tunnel deformation become more and more common. Therefore，it is very necessary to analyze the risk of
accidents induced by tunnel deformation in advance. Considering the mutual effect of tunnel face and shield rear
support，convergence-confinement method and risk analysis theory are applied to calculate the pressure imposed
by surrounding rock on shield. Meanwhile，according to the magnitude of pressure imposed on shield，the specific
influence of tunnel deformation on TBM construction is estimated；and the consequence of accidents risk is
divided into five ranks. Deformation risk evaluation matrix for TBM is proposed by the combination of occurrence
probability with consequence rank；and then the risk rank can be determined by the proposed evaluation matrix and
existing risk acceptance criterion. In the end，the risk analysis of double shield TBM construction accident in west
route of South-to-North Water Transfer Project is conducted by using the research results.
Key words：tunnelling engineering；full face rock tunnel boring machine(TBM)；convergence-confinement
method；risk analysis；deformation risk evaluation matrix；west route of South-to-North Water Transfer Project
洞室内壁围岩就会与护盾接触，对护盾产生挤压作
用，这种挤压力达到一定的程度就会使 TBM 无法
前进而停机，造成工期延误，这就是所谓的护盾卡
机事故。变形导致的 TBM 施工风险事故主要是护
盾卡机事故，表 1 统计了一些遭遇 TBM 护盾卡机
1 引
言
采用双护盾 TBM 进行掘进时，护盾暴露在围
岩之下，如果围岩变形大于 TBM 开挖预留的间隙，
收稿日期：2009–06–08；修回日期：2009–09–07
基金项目：“十一五”国家科技支撑计划项目(2006BAB04A06)
作者简介：温 森(1981–)，男，博士，2003 年毕业于焦作工学院土木工程专业，现任讲师，主要从事隧道工程风险评估方面的教学与研究工
作。E-mail：**************.cn
第
30 卷 增 1 温 森等：洞室变形引起的双护盾 TBM 施工事故风险分析
• 3061 •
国家名称 工程名称
引黄入晋工程
[1]
昆明掌鸠河引水工程
Ghomroud 隧道
Tuzla 隧道
P
u
[5]
[2-3]
围
岩
压
力
中国
中国 委
内瑞拉
伊朗
GRC
掌
子
面
表 1 TBM 卡机事故的工程实例
Table 1 Engineering examples of TBM jamming accidents
Yacambú Quibor 隧道
[4]
M
N
LDP
C
L
1
B
L
0
A
0
掌子面
土耳其
－
x
0
SCC
S
事故的工程实例。
当前世界范围内修建的隧洞呈现深埋超长和大
直径的趋势，同时 TBM 在这些工程中的应用也越
来越广泛，由变形引起的 TBM 施工风险事故也越
来越普遍。因此对由变形引起的 TBM 施工事故进
行风险评估，根据评估结果提前制定好应对措施是
很有必要的。
预测 TBM 护盾卡机事故主要是对洞室纵向一
定范围的变形进行预测，因为护盾区域变形受到护
盾前方的掌子面和后方支护的影响。以往的变形研
究主要是为选择支护形式服务，使用比较多的研究
方法是收敛–约束法，如国外的 F. Ebrahim 等，
国内学者这方面的研究也不少，如张素敏等
[7-9]
。F.
Ebrahim 等
[5]
还将收敛–约束法应用于 TBM 护盾卡
机计算中，但是没有考虑护盾后方支护的影响和地
质条件的不确定性，而岩土工程材料包含了很复杂
的不确定性影响因素，它们的取值随时间或空间随
机变化。因此确定性分析所得出的结果往往不能反
映真实情况，必须引入概率分析的手段。温 森和
徐卫亚
[11]
采用二维随机有限元软件研究了 TBM 护
盾被困事故，但是没有考虑到掌子面与支护的影响。
本文在前人研究的基础上，考虑护盾后方支护对护
盾区域变形的影响，采用风险分析理论对 TBM 护
盾被卡事进行故风险分析。
[10]
[5-6]
R
P
i
(x = L
1
)
P
f
(x = L
1
)
x
距离掌子面距离
图 1 收敛–约束法求解示意图
[4]
Fig.1
Calculation sketch of convergence-confinement
method
[4]
或破碎带时，围岩大变形有时候能够导致护盾被围
岩挤压，护盾可以看作是支护系统，只是假设护盾
是刚体，不发生变形。为了能够尽早做好处理措施，
可以采用收敛–约束法对此事故提前进行风险分
析。TBM 护盾紧邻隧洞掌子面，因此应当考虑掌子
面效应。
由于掌子面效应的存在，在掌子面影响范围内，
围岩压力 P 由两部分承担：掌子面支承力 P 和支护
u f
反力 P P
i
，即
u
= P
f
+ P
i
。
假设掌子面对其后方的影响距离为 x
r
，则支护
与掌子面间的距离 x＞x
r
时，围岩压力由支护单独承
担，即： P x)
，
P
u
= P
i
(
f
( x) = 0 。为了求解护盾的最
终压力，首先需要求解纵向变形，可以结合图 1 中的
LDP 曲线进行求解。J. C. Chern 等
[12]
在一个工程中
[4]
进行了实地的数据测量，E. Hoek 和 E. T. Brown对
这些实测值进行拟合，得到下式：
u
r
⎡
⎛
−
x / R
⎞
⎤
=
1 + exp
⎢⎜
1.1
⎟⎥
m
u
⎝
⎠
⎦
⎣
r
−1.7
(1)
2 收敛–约束法及其在TBM 中的应用
2.1 收敛–约束法在 TBM 中的应用
收敛–约束法也称为特征曲线法，通常用来求
解洞室开挖后围岩施加在支护上的压力。收敛–约
束法由 3 个部分组成：(1) LDP：纵向变形剖面图；
(2) GRC：围岩反作用曲线；(3) SCC：支护特征曲
线。如图 1
[4]
所示。
对于采用 TBM 掘进的隧洞，TBM 经过软岩区
式中： u
m
r
为远离掌子面处的径向收敛，可以通过
T. C. Carranza 和 C. Fairhurst
[13]
推导的公式求得；u
r
为距离掌子面 x 处的径向收敛；x 为距离掌子面的
距离；R 为隧洞的半径。
2.2 护盾后方支护的影响
双护盾 TBM 管片的安装和掘进是同步的，护
盾始终暴露在围岩之下。由于管片衬砌距离护盾较
近，因此管片衬砌对护盾区域的围岩变形是有影响
的，影响的大小取决于这些支护所受的压力。采用
正交设计试验，然后采用 FLAC
3D
有限差分软件计