深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。     

拉张盆地不同埋深复合地层中隧道围岩变形破坏数值模拟研究

不同埋深的软硬岩层叠置复合地层变形破坏形式复杂而使得软岩大变形和硬岩岩爆位置相关关系不够明确。在拉张盆地中自重应力为主,侧压系数一般较小且多数在1.0以内。本文以在水平和铅垂叠置复合地层中TBM开挖圆形断面隧道为例,采用有限差分程序FLAC3D对拉张盆地中不同埋深、不同叠置型式复合地层中TBM开挖后的三维弹塑性位移变形、主应力和塑性破坏分布变化特征展开数值模拟研究。模拟结果表明,围岩变形主要发生在软岩层地层中,埋深超过800 m后沿隧道轴向软岩大变形藕节状分段开始显现;随埋深增加,硬岩稳定性变差,顶拱位移增加尤其明显;随埋深增加,软岩和硬岩地层之间主应力差异变小,硬岩中储能明显;埋深越大塑性区分布范围越大;埋深较小时岩层以拉张破坏为主,埋深较大时以剪切破坏为主,两种状态的转换埋深(临界深度)约为800 m。由此对拉张盆地中深埋界限值给予了理论验证。     

TBM在不良地质洞条件下的施工技术

TBM掘进机以其快速、高效、安全、优质等优点越来越广泛地被应用于隧洞开挖施工中,尤其更适用于深埋超长隧洞,然而在不良地质洞段中TBM掘进缓慢,甚至有卡刀可能,反而不如钻爆法灵活,这就需要根据围岩性状采取特殊技术处理措施,辅以监控量测手段对支护方案进行验证、调整支护措施、修正设计参数等。结合辽宁大伙房输水隧洞工程,总结了在不良地质洞条件下的超前地质预报方法、不良地质段处理措施以及围岩变形监测方法。     

软土地层TBM开挖面支护压力计算模型及可视化

隧道掘进机（TBM）近年来在世界范围内得到了广泛应用,通常通过完全充满压力仓的泥土或泥浆来支护开挖面。但在较差的地层和水力条件下,开挖面失稳时有发生。事实上,TBM开挖面的支护压力的大小直接决定了施工安全及地表变形。基于所建立的开挖面支护压力计算模型,并考虑复合地层下土体分层带来的影响,通过计算机编程方法,建立了界面友好、使用便捷的开挖面支护压力可视化计算平台(TBM Studio);并结合阿拉斯加隧道、钱江隧道工程实例进行了不同模型结果的验证分析,给出了各模型计算结果的差异性;讨论了软土复合地层条件下,土体自稳性对开挖面稳定的影响,认为软土地层中定量确定有效支护压力和水头高度至关重要,研究为正确评价TBM开挖面稳定性提供了相应的计算模型。     

引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计算,结果表明:(1)TBM穿越F5断层区段时,当扩挖间隙为10 cm时,开挖卸荷后护盾所受摩阻力将达到推进系统提供的最大推力,易发生卡机事故;(2)挤压变形、围岩-护盾接触面积和护盾所受摩阻力随停机时间不断增大,停机1 d内增大的速率越来越大,停机后7 d起,围岩流变速率和护盾所受摩阻力增加速率均减缓,直到停机后13 d时,围岩-护盾相互作用达到平衡,护盾所受摩阻力趋于稳定。同时为了防止和控制卡机事故,对该工程后续施工提出了最佳扩挖间隙和许可停机时间等卡机综合防控的3个对策:即扩挖间隙至少要增大到15 cm,此时停机初始时刻不发生卡机,许可停机时间为2 d;扩挖间隙增大到18 cm时,许可停机时间为4 d;扩挖间隙增大到20 cm时,就选取的围岩条件下,停机7 d内TBM基本不发生卡机,7 d后也很容易克服卡机。提出的卡机防控措施对引大济湟工程TBM安全高效掘进具有一定的指导意义,并得到工程实际控制对策的验证。     

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM（隧道掘进机）全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了“先半导洞+TBM联合掘进”实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,（1）TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;（2）能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;（3）半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。     

上硬下软反倾边坡开挖变形响应的物理模拟

现有上硬下软边坡的研究大都集中在压缩挤出变形的近水平泥岩、页岩基座型边坡变形演化过程,针对倾倒变形的板岩基座型边坡开挖响应研究甚少,本文以西藏玉曲河某水电站厂址边坡为研究对象,根据现场地质调查建立符合坡体实际情况的地质结构模型,采用物理试验的方法模拟原型边坡开挖。通过试验揭示上硬下软反倾边坡在开挖条件下的变形响应特征及破坏模式。研究结果表明:（1）开挖条件下上硬下软型边坡变形破坏过程分为a）下部软岩倾倒弯曲加剧;b）软岩倾倒折断,上部卸荷硬岩沿已有裂隙剪切;c）倾倒软岩滑移,卸荷硬岩剪断岩性分界部位,折断面贯通3个阶段。其变形破坏模式为下部软岩倾倒—上部硬岩剪断组合滑移型破坏;（2）开挖强倾倒区岩体会使下部软岩迅速失稳并促使上部硬岩剪切破坏;开挖引起的反倾上硬下软边坡大变形在短时间内完成,前期变形和能量积累是一个较长的过程;（3）开挖时需避免对坡脚倾倒岩体“大开挖”施工。     

基于数字散斑技术的深埋隧道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

利用相似材料模拟方法,借助数字散斑观测技术,对深埋隧道围岩岩爆倾向进行试验研究。分析考虑材料强度、开挖速度和支护作用影响下的岩爆发生和破坏规律,寻求岩爆发生与深埋隧道变形破坏之间内在的联系。试验结果与现场实际发生岩爆强度较高的岩石类型花岗岩、闪长岩等相比,破坏特征相似,且围岩强度越高,岩爆发生可能性越大;在高地应力状态和完整岩体中开挖速度对岩爆的发生影响较大;锚网支护对隧道围岩变形有一定的控制作用,也可一定程度上避免岩爆发生。支护试验结果与现场实际支护效果一致,随支护强度提高,隧道抵抗力增加,整体变形减小、稳定性提高。所得试验结论为深埋隧道的合理设计和安全开挖提供技术指导和理论依据,对革新深埋隧道开挖技术和支护技术具有重要的意义     

近距平行构造环境中片岩公路隧道大变形机理及判别

近距平行地质构造环境中的得荣一号隧道开挖掘进至深埋段以来曾多次出现大变形问题，严重影响施工安全并制约工程建设工期。为采取有效防治措施以控制隧道围岩大变形，根据大变形洞段监控量测数据、围岩变形特征及初期支护变形破坏特征，对隧道围岩大变形的受控因素、变形破坏机制进行综合分析。研究结果表明：隧道围岩大变形是在软弱围岩、破碎岩体结构、高地应力、地下水及严重偏压等因素的相互耦合作用下，受工程因素的促发影响，主要由软岩塑性流动变形、塑性剪切滑移变形、陡倾层状弯曲变形和累进性松脱扩展变形机制复合而致。在此基础上，根据现行交通行业规范结合隧道大变形洞段变形特征，总结公路双车道隧道施工现场围岩大变形分级判定综合指标方案，为指导隧道施工设计提供合理、可靠的依据。     

复合地层隧道围岩强度实时估算研究

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F_N与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F_N（T为扭矩）与贯入度p^0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F_N和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α₁、α₂的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α₁、α₂的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策

通过对大量文献资料和工程实例的研究,论述了TBM(隧道掘进机)近半个世纪发展及其在隧道建设中的应用现状和问题。对大量国内外工程实例分析后发现优先采用TBM掘进技术已成为未来隧道建设总的发展趋势。从岩石力学和工程地质角度对岩石TBM掘进过程中遇到的诸如软岩大变形、突水、岩爆等不良工程地质问题导致卡机或管片变形、破损等工程事故进行了剖析,并对采用的工程处理措施作了总结对比。随着今后TBM掘进技术在我国大规模应用,对复杂工程地质条件的客观全面认识和施工方案的及时调整成为影响施工安全和经济效益的关键因素。     

关于用岩体分类预测TBM掘进速率AR的讨论

以Maen、Pieve、Cogolo和Varzo 4条隧道为例,本文分析说明了岩体质量分类系统不能预测TBM净掘进速率PR的原因:由于影响岩体可掘进性的因素与影响岩体质量的因素不一样,且岩体质量分类系统多采用半定性半定量的评分形式描述岩体条件,故岩体的质量分数值与TBM的净掘进速率PR很难有一一对应的关系。因此,岩体质量分类系统和基于此的预测模型不能够用来预测TBM的净掘进速率PR。根据TBM施工隧道岩体分类的目的及TBM施工的特点,提出预测TBM净掘进速率PR的岩体分类系统应与评价岩体稳定的岩体分类系统分开进行。用岩体可掘进性分类系统预测净掘进速率PR,用岩体质量分类系统预测TBM利用率U,从而计算出TBM的掘进速率AR。     

高地应力下深埋隧洞软岩段围岩时效特征研究

“引大济湟”调水总干渠输水隧洞埋深大,地应力较高,其中穿越的洞段Ⅳ、Ⅴ类围岩占有较大的比例,在高地应力作用下围岩开挖卸荷后极可能出现大变形失稳、垮塌等,这些都极大地影响着TBM的掘进效率及施工进度。根据洞室开挖过程中实际揭示的围岩地质条件及变形特征,采用三维黏弹塑性数值方法,对围岩的流变特性与时效变形进行研究;在对实测地应力场进行分析基础上,结合围岩现场变形规律,对围岩蠕变力学参数进行了反演,进而对隧洞开挖区域的软弱围岩进行黏弹塑性数值分析,获得了规律性认识,为动态调整设计提供科学依据。     

软岩浅埋隧道施工工法比选

目前在高速公路软岩浅埋隧道施工中均不同程度地出现了围岩坍塌、地表产生大面积沉降等问题。广福隧道某浅埋段,地质条件复杂,断面大、岩性差,受构造影响比较严重,而且顶板厚度比较薄,易发生坍塌、冒顶现象。为确保浅埋段隧道的施工安全,尽量减少隧道开挖引起的地层沉降和围岩变形,采用FLAC3D对4种施工工法全断面法、短台阶法、单侧壁导坑法和双侧壁导坑法进行模拟,分析了4种工法下地表沉降、隧道围岩周边位移和塑性区的变化特点,选出一种技术可行、经济合理的施工工法,得出一些有意义的结论。     

水平层状复合岩体变形破坏特征的围压效应研究

为研究不同围压下深部复合地层岩体变形和破坏特征,结合地质赋存条件制作了类层状复合岩石试样,通过开展不同围压下的三轴压缩试验,研究了围压对水平层状复合岩体变形破坏特征的影响。试验结果表明：随着围压的不断增加,峰后偏应力-应变曲线的降低速率逐渐变缓,应变软化程度逐渐减弱;随着围压的增大,水平层状复合岩石的破坏形态呈现出明显差异,整体上破坏形态逐渐由脆性破坏向延性破坏过渡;在一定围压状态下,围压对软岩膨胀变形的约束效果相对硬岩较弱,导致水平层状复合岩石试样的软、硬分层之间的膨胀变形不协调,在层间黏结力作用下,软、硬分层之间发生相对错动现象。该研究成果对于施工单位预防深部复合地层隧道掘进机（TBM）工程灾害具有一定的指导意义。     

隧洞TBM施工过程中的地质编录

ＴＢＭ越来越多地用于隧洞开挖,有必要对ＴＢＭ施工地质进行研究,本文从现场施工要求的角度出发,概述了ＴＢＭ施工特征,以渣料的地质编录为重点,阐述了ＴＢＭ施工中地质编录方法及应用条件,进而归纳出如何利用各种地质信息指导超前钻探,预测不利地质条件,为ＴＢＭ施工提供地质依据。     

大埋深高地应力硬岩TBM隧洞围岩破裂变形规律研究

大埋深、高地应力隧洞围岩变形问题是制约TBM隧洞安全及高效施工的关键性因素之一。隧洞埋深大、地应力高、岩石强度高、工程条件复杂,在施工过程中因开挖卸载,围岩变形随时间及应力集中程度不同表现出不同的破裂变形形式,引发拱顶沉降、拱底隆起,严重威胁施工人员及机械设备安全。本文选取引汉济渭工程秦岭隧洞岭北段K45+534.70~K45+701.92区间,分析了围岩破裂形式、隧洞拱肩及拱顶变形特征,探讨了高地应力条件下围岩破裂变形过程,揭示了围岩破裂变形规律及内在机制,提出了高地应力硬岩隧洞围岩破裂变形支护措施。结果表明:大埋深、高地应力围岩在切向应力作用下发生以劈裂为主的张剪破坏,表现为岩爆及静态脆性破坏(片帮、溃屈、板裂)两大类。隧洞围岩破裂变形分为急剧变形、快速变形及缓慢变形3个阶段,前两个阶段可达总变形量的60% ~80%;隧洞拱顶变形随应力条件不同可能出现二次甚至三次加速变形,初次加速主要原因为张开裂隙、岩板剪胀及部分岩板挠屈弯折,发生速度快、持续时间短;二次加速主要由岩板挠屈弯折及岩块碎胀引起,变形速度小但持续时间长。针对高地应力隧洞围岩破裂变形特征,提出了包括吸能锚杆、钢筋挂网、钢纤维混凝土等在内的围岩支护措施,为相似工程TBM隧洞安全高效施工提供了工程经验与理论依据。