隧道岩石耐磨性与岩石物理力学指标相关性研究

TBM刀具磨损程度直接关系到TBM应用的经济效益和掘进的效率,而岩石的耐磨性是影响刀具磨损程度的主要因素。岩石耐磨性与岩石的物理力学指标以及岩石本身性质有着密切的联系。本文通过试验和数理统计方法对岩石耐磨性与岩石物理力学性指标的相关性进行研究,在隧道洞室内采集岩石耐磨试验样品和岩石常规物理力学试验样品,分别进行了岩石耐磨试验和岩石力学室内试验,在计算分析试验数据的基础上,建立了岩石耐磨性与岩石物理力学性指标之间的数学关系模型,总结并解释了两者之间的相关关系。     

川藏交通廊道TBM隧道岩石磨蚀性与物理力学指标的相关性

为了在川藏交通廊道TBM(tunnel boring machine)隧道的施工过程中通过岩石的常规物理力学指标快速预测岩石磨蚀性等级,及时调整掘进参数,达到充分挖掘设备潜力的目的,通过岩石磨蚀性试验和物理力学试验,利用数理统计和数学分析方法,建立了岩石磨蚀性与物理力学性指标之间的数学模型,归纳总结了两者之间的关系后发现：研究对象的干密度、吸水率及SiO2含量等物理指标与磨蚀性指数值的相关性均为低度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、泊松比、纵波波速、粘聚力及内摩擦角等力学指标与磨蚀性指数值的相关性为中度-高度相关;单轴饱和抗压强度、单轴抗拉强度、弹性模量、纵波波速、粘聚力及内摩擦角越大,磨蚀性等级越高;泊松比越大,其磨蚀性等级越低.     

隧道岩石耐磨性与岩石物力学指标相关性研究

TBM刀具磨损程度直接关系到TBM应用的经济效益和掘进的效率,而岩石的耐磨性是影响刀具磨损程度的主要因素.岩石耐磨性与岩石的物理力学指标以及岩石本身性质有着密切的联系.本文通过试验和数理统计方法对岩石耐磨性与岩石物理力学性指标的相关性进行研究,在隧道洞室内采集岩石耐磨试验样品和岩石常规物理力学试验样品,分别进行了岩石耐磨试验和岩石力学室内试验,在计算分析试验数据的基础上,建立了岩石耐磨性与岩石物理力学性指标之间的数学关系模型,总结并解释了两者之间的相关关系.     

TBM施工隧道仰拱预制块的力学特性研究

针对TBM施工隧道仰拱预制块的特殊结构,采用围岩-结构模式,进行了模拟施工动态的受力影响计算分析。计算结果表明,围岩初始应力场对仰拱受力有明显影响, 随着竖向压力的增大,仰拱中心的内、外侧应力均增大;随着水平压力的增大,仰拱中心内侧应力减小、外侧应力基本不变;减小复合衬砌结构中初期支护厚度以及变刚性接头为柔性接头均会改善仰拱受力。最后,用试验数据验证计算的正确性,其结论可供TBM施工隧道仰拱预制块的优化设计参考。     

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。     

基于TBM掘进参数的岩石强度估算方法探讨

隧道盾构掘进机(TBM)掘进时难以及时地、有效地评估掌子面岩石强度,导致现场施工过程中很难客观地判别岩爆、卡机等施工风险。在前人研究成果和工程实践的基础上,提出一种基于TBM掘进参数的现场岩石强度快速估算方法,对掌子面岩石强度进行实时评价。通过TBM规格、掘进参数与岩石强度的力学分析,建立了现场岩石强度快速估算公式。基于对国内外多条隧道TBM数据的统计拟合分析,确定了估算公式中系数常量与TBM参数(开挖直径、刀具尺寸)的相关性,以多个典型TBM工程实例进一步验证了所提经验公式的普适性与可靠性。研究结果可为TBM工程岩石强度的快速现场估算提供新的切实可行的思路。     

岩石抗剪强度指标互相关性的敏感度分析

岩土介质的强度参数特别是互相关性分析是岩土工程界研究的热点。本文在分析互相关性的估计和分布检验方法后，通过随机空间正交变换将具有互相关性的ｃ、变换得到独立随机变量，基于Ｍｏｈｒ－ｃｏｕｌｕｍｂ准则，详尽分析了互相关性对准则可靠度的敏感度。并得出一些对工程可靠度设计有重要意义的结论。     

基于统计的岩石物理力学参数相关性研究

岩土体物理力学参数在土木建筑工程设计和施工当中尤为重要,既关乎工程建设的质量安全,也与结构设计选型、成本和工程进度密切相关。为将这些珍贵的参数数据资料充分应用到工程建设当中,本文整理了《岩石力学参数手册》中记录的火成岩、沉积岩和变质岩3大类岩石的物理力学参数数据,并对3大类岩石的干、湿抗压强度、吸水率、容重和弹性模量5项物理力学性质指标进行统计分析研究。统计结果表明：（1）岩石干、湿抗压强度、弹性模量、容重4项指标满足正态分布,岩石吸水率指标不满足正态分布;（2）岩石的干、湿抗压强度之间存在极强的线性关系;（3）岩石的抗压强度和弹性模量指标与岩石容重存在正相关关系,岩石抗压强度与岩石吸水率之间存在负相关关系。根据统计结果,基于岩石各项物理力学参数之间不同的关系建立不同的经验公式,进而为岩土工程建设提供参考。     

马达岭滑坡室内岩石力学试验研究

马达岭滑坡所在的自然边坡为一典型的缓倾斜横向斜坡,岩层近南北走向,呈软硬互层状结构。岩性以砂岩为主,坡体内存在大量软岩夹层和裂隙。斜坡下120m处发育有2层可采煤层,且煤层开采后留下大量采空区。斜坡的变形及稳定性主要受采空区顶板砂岩和坡脚煤岩的强度特性控制,本文以室内岩石力学试验为基础,系统研究了砂岩的基本力学属性及煤岩的抗剪强度特性,并分别分析了两种岩石的变形破坏特征。综合分析实验结果表明,砂岩的抗拉强度在坡体稳定性评价中起着控制性作用;煤岩的抗剪强度对斜坡稳定性影响最为直接;受层面控制,煤岩抗剪强度值较小,而其残余强度较峰值强度更是减小了60%;2种岩石的变形破坏特性受其风化程度不同,都存在较大差异。     

灰岩隧道掘进机隧道点荷载试验评价岩石强度方法的研究与探讨

使用隧道掘进机（TBM）开挖隧道时刀盘和盾体阻碍了对岩石状态的观察,这时可使用岩渣对岩石条件进行预测和评价。从滚刀破碎掌子面产生的岩渣中选取块状岩石进行点荷载试验可以获得岩石强度,但是受过滚刀损伤作用的岩石强度值与未受损伤的岩石强度值之间的关系尚不明确。从吉林引松供水工程TBM破岩产生的岩渣中挑选块状试样进行点荷载试验,同时在产生岩渣的相应位置钻取岩芯获取点荷载强度,与单轴抗压强度进行了对比,记录了取样地点地质状态、试样的尺寸、破碎状态以及等效断裂面积。结果表明：岩渣中的岩块受到滚刀作用产生的损伤强度值有所下降,为完整取芯试样的63.25%,原岩越完整受损程度越大;灰岩点荷载强度换算岩石单轴抗压强度系数约为25.3,直接使用岩渣时建议系数约为42.1;峰值荷载与等效断裂面积成正比;尺寸过大的试块往往与岩体原有裂隙有关,强度极低,不适宜用作点荷载试验。研究结果为TBM隧道现场快速获取岩石强度参数提供了方法和依据。     

TBM岩体可掘性预测及其分级研究

全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）对岩体条件极其敏感,且其前期投入较大,准确地评估岩体可掘性、预测TBM掘进性能对TBM隧道施工至关重要。基于来自中国、伊朗两国涵盖3种不同岩性的5条TBM施工引水隧洞约300组现场数据,以现场贯入度指数FPI为岩体可掘性评价指标,分析了岩石单轴抗压强度UCS、岩体完整性指数 、岩体主要结构面与洞轴线的夹角?、隧洞直径D等与岩体可掘性之间的关系;探讨了适用于岩体可掘性研究的岩体参数统一方法,进一步建立了精度较高的（相关系数为0.768）岩体可掘性经验预测方法。基于该预测方法,运用K中心聚类分析方法,将岩体可掘性分为6类,探讨了不同岩体可掘性条件下TBM平均单刀推力、刀盘转速分布规律,相应成果可为实际工程中TBM施工隧洞岩体可掘性评估、掘进参数的选择、施工进度的安排提供一定的指导。     

关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究

本文针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题,通过分析研究国内外大量TBM施工实例和一些现场及室内岩石力学试验结果,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别的围岩分类新方法,并将该方法应用于掌鸠河引水供水工程TBM施工段工程实践,取得了良好的效果.     

TBM护盾−围岩相互作用荷载识别方法

随着隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）开挖隧道埋深逐渐加大,穿越的地层结构更加复杂,如何降低卡机风险成为亟待解决的问题。提出了一种基于牛顿迭代和有限元理论的TBM护盾?围岩相互作用荷载反演方法。该反演方法以护盾内表面测点应变测量值与计算值的误差作为目标函数,并引入Moore-Penrose广义逆对反演方程进行求解。采用了护盾外表面有限分区的策略,定义各分区节点荷载值为反演参数,可以方便地控制反演参数的数量。各分区内部荷载通过节点值插值得到,实现了护盾表面任意分布荷载的离散拟合。算例结果表明：该反演方法计算效率高,对观测值误差具有很好的免疫效果;能够有效地获取护盾外表面的荷载分布规律和摩阻力的大小,在一定程度上能够为现场安全掘进、卡机预警以及事故处理提供指导。同时,该反演算法也可以扩展到低维情况,对其他结构受力或者物理参数的反演具有一定的借鉴意义。     

基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

为了研究全断面岩石掘进机（TBM）盘型滚刀的破岩机制及其影响因素,采用颗粒流方法建立了岩石与滚刀的二维数值模型,实现了对TBM滚刀破岩过程的模拟。分析表明,滚刀的破岩过程可分为冲击挤压破碎、大量微裂纹生成、张拉性主裂纹扩展3个阶段,证实了滚刀破岩的挤压-张拉破坏理论。在滚刀侵入深度相同的前提下,随着刀圈刃角以及刃宽的增加,滚刀下的压碎区也相应增大,张拉性主裂纹数目增多,滚刀的破岩能力提高;与平刃刀圈相比,楔刃刀圈的“楔块劈裂”作用更加显著,使径向裂纹扩展得更快且更深入岩石内部。TBM滚刀对强度较高或较低岩石的破坏损伤较小,而对中等强度的岩石破坏损伤最为显著。     

地质条件不确定性下TBM管片结构失事概率计算

不良地质条件是影响TBM施工隧洞管片结构安全的重要因素。综合考虑围岩地质条件和衬砌结构的不确定性,提出了一种定量分析TBM管片结构失事概率的新方法。在基于Markov过程估计隧洞沿程地质岩性变化概率的基础上,建立了隧洞任意位置处管片选型不匹配的概率模型;考虑围岩和管片参数的不确定性,采用随机有限元方法计算某一类型管片在不同围岩下的失事概率;由此,采用全概率公式,可计算隧洞沿程任意位置处管片结构的失事概率。结合实际工程,针对施工期工况,确定了该隧洞管片沿程的失事概率、最大失事概率及其所对应的位置等,为管片选型、优化设计及TBM施工期的风险防范提供了依据。     

可变径全圆针梁台车在TBM施工隧洞衬砌中的应用

TBM开挖隧洞,由于刀盘及刀具的限制,目前开挖完的隧洞为同一直径,为了保证后期衬砌施工中结构的强度,需要对不同的围岩类别采取不同的衬砌厚度。研究表明,采取可变径全圆针梁台车进行这方面的衬砌,具有明显的优越性。本文基于吉林引松供水工程项目,论述了可变径全圆针梁台车在TBM施工隧洞衬砌中的应用。