深埋长隧道TBM施工关键问题探讨

针对深埋长隧道开挖所面临的高水压、高地压、高地温、大变形、难支护等问题,分析总结传统钻爆法开挖与支护技术、全断面隧道掘进机（TBM）施工技术、TBM导洞扩挖技术应用中的优劣,TBM导洞扩挖法为深埋长隧道开挖提供了新的设计思路。由于深埋长隧道的建设环境与浅埋隧道建设环境存在显著差异,TBM施工将面临3个关键问题--岩爆问题、卡盾（大变形）问题和未准确探测前方地质而发生的施工事故（涌水、突泥等）。为揭示TBM施工过程中卡盾的存在性,分别针对某一特定地质条件下深埋软、硬岩TBM施工进行理论分析和数值模拟研究。结果表明,软岩地层TBM施工发生卡盾,而硬岩完整地层TBM施工未发生卡盾。     

深埋隧洞微震活动区与岩爆的相关性研究

基于锦屏二级水电站深埋引水隧洞和排水洞大量微震监测数据及上百个不同等级岩爆实例,研究了深埋隧洞微震活动区与岩爆之间的关系。研究结果表明：（1）微震活动分布范围主要介于掌子面后方3倍洞径至前方1.5倍洞径之间,而岩爆高发区位于掌子面后方3倍洞径以内,表明岩爆高发区与微震事件主要分布范围相吻合;（2）隧洞工程岩爆潜在风险重点关注区域是掌子面后方3倍洞径已开挖范围,以及掌子面前方1.5倍洞径施工范围;（3）微震事件及岩爆分布呈区域性集结特点,其中一部分岩爆发生于微震事件集结区内部,另一部分岩爆发生于微震事件集结区边缘,这是岩体破坏过程中所固有的现象,与微震事件集结区边缘局部应力集中密切相关。     

深埋隧洞即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征

岩爆孕育过程中所记录的微震事件波形本身就包含着丰富的前兆信息。基于深埋隧洞微震波的衰减特征,修正了最大有效振幅,将相对有效振幅和最大有效频率作为频谱分析参数。TBM和钻爆法不同开挖方式下诱发的即时型岩爆孕育过程的频谱演化特征基本一致,有如下特征：（1）无岩爆发生时,每日最大释放能量微震事件频谱对应的相对有效振幅的量级为10-6 m/s及以下,而最大有效频率则多大于300 Hz;（2）中等岩爆发生前,相对有效振幅的量级维持在10-5 m/s,最大有效频率则介于200～300 Hz;（3）强烈岩爆发生前,微震事件对应相对有效振幅的量级增长并保持在10-4 m/s,最大有效频率则基本在200 Hz以下;（4）对于一个完整的即时型岩爆孕育过程,当岩爆发生时,相对有效振幅增至最大,同时最大有效频率降至最低。微震信号的频谱演化特征可为即时型岩爆发生时间及等级的预警提供参考和依据。     

川东北二叠系长兴组碳酸盐岩深埋成岩过程及其意义

上二叠统长兴组储层是川东北地区主力产层之一,储层岩性主要为结晶白云岩、残余生屑/砂屑白云岩、生物礁白云岩和亮晶生屑灰岩,储集空间以晶间孔、晶间溶孔为主,生物体腔孔、残余粒间孔次之,溶洞和裂缝少量发育。长兴组优质储层主要分布于台地边缘生物礁、台地边缘滩等沉积相带,该相带发育大量原生孔隙,易遭受大气淡水溶蚀改造。原生孔隙的发育为白云岩化流体与岩石相互作用提供空间,早期孔隙演变为晶间孔。白云岩抗压实能力较强,有利于高孔隙白云岩的保存。早三叠世快速深埋使长兴组迅速进入中深埋藏,深埋阶段,裂缝少量发育,部分被方解石充填,对储层贡献有限。晚三叠世油气充注隔绝了岩石与地层水的接触,抑制了孔隙内白云石的溶蚀和沉淀,储层先存孔隙得到较好的保存。快速深埋使孔隙迅速被埋藏封闭,深埋阶段水-岩反应处于近封闭的平衡状态,溶蚀-沉淀现象有限,深埋藏环境主要是储层孔隙保存和调整的场所,孔隙空间的位置可能重新分配。     

深埋电极的地电阻率观测研究

首先研究了四极观测系统装置系数与电极埋深的关系;然后给出了点电流源在3层地壳模型的地表和第二层时,电源所在层的电位的解析表达式;最后将天津宝坻地区的电性结构简化成一个3层模型,计算给出了当地表层和基岩中的电阻率出现变化时,在地表和基岩上层开展四极地电阻率观测结果与供电极距和深度的关系.     

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。     

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     

深埋隧洞开挖数值模拟分析的纵向模型范围研究

模型范围是影响数值分析计算精度与效率的重要因素,针对深埋隧洞开挖数值模拟分析问题,采用有限差分软件FLAC3D和复合失稳准则,对计算模型的纵向范围取值问题展开研究。首先分析了深埋隧洞开挖过程中围岩纵向变形以及未开挖岩塞对围岩变形的约束作用,然后研究了近端边界和远端边界对监测断面位置处围岩变形的影响,最后采用最小二乘法对多组计算结果进行了位移误差分析,并给出了纵向模型范围的取值建议。研究结果表明,当监测断面距掌子面大于10倍洞径时,未开挖岩塞的约束作用基本消失;远端边界以及近端边界与监测断面的最大位移误差值之间均基本满足幂函数关系,且远端边界对监测点位移误差的影响要大于近端边界;深埋隧洞开挖数值模拟中,纵向模型范围取7.5倍洞径即可满足一般数值分析的精度要求。     

模糊层次综合评价在深埋隧道围岩质量分级中的应用

针对现行隧道围岩分类中存在的"模糊性"问题,引进模糊层次分析模型,实现了围岩定性分类向定量分类的转变,经过工程实践取得了良好的效果.首先确定了影响隧道围岩质量的主要因素,如岩块坚硬程度、结构面发育程度、岩石质量指标以及地下水出水特征,然后建立了模糊评价模型,并采用层次分析法确定了各因素的权重,最后针对堡镇铁路隧道围岩采用模糊层次综合评价决策的数学模型所得到的结果对隧道各段岩体质量的级别进行了划分.     

三江造山带玉峰寺深埋隧道岩爆危险性综合评价

深埋隧道的岩爆机理和岩爆预报预测一直是工程地质和岩石力学的热点和难点问题,已成为困扰地下工程发展的瓶颈之一。以滇藏铁路穿越三江造山带玉龙雪山南段的玉峰寺深埋隧道方案为例,在野外工程地质调查的基础上,对影响隧道岩爆的相关因素进行了系统分析。根据岩石力学试验、地应力分析和数值模拟计算结果,采用多种判据对玉峰寺隧道岩爆危险性进行了分析预测和综合评价。研究结果对于地质构造复杂区深埋隧道规划设计和岩爆灾害防治具有一定指导意义。