雙護(hù)盾TBM開挖深埋隧洞圍巖穩(wěn)定性研究.pdf

1、與鉆爆施工法相比，TBM法對(duì)圍巖產(chǎn)生的擾動(dòng)較小，能充分保護(hù)圍巖的自身強(qiáng)度，有效利用圍巖的自穩(wěn)能力，減輕隧洞支護(hù)結(jié)構(gòu)的自重，節(jié)約工程材料，并能保證隧洞施工的安全、高效、優(yōu)質(zhì)和環(huán)保。TBM已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水利水電、公路鐵路、礦山及國(guó)防等行業(yè)的地下工程建設(shè)之中。但如何確保TBM在有松散性圍巖、擠壓性圍巖、地下水發(fā)育、高地應(yīng)力等復(fù)雜地質(zhì)條件下的深埋長(zhǎng)大隧洞中仍然能安全、連續(xù)、高效的施工，這是TBM施工中很關(guān)鍵且無(wú)法回避的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，也是TBM隧洞圍

2、巖穩(wěn)定性研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)問(wèn)題之一。 采用微地震技術(shù)對(duì)施工中的大型水工隧洞圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明，巖體微破裂時(shí)序特征與空間分布特性都清楚地顯示出在導(dǎo)流洞、交通洞及勘探洞的交界區(qū)域因強(qiáng)應(yīng)力集中而導(dǎo)致的巖體破裂，并發(fā)現(xiàn)巖體破裂程度會(huì)隨著施工結(jié)束及時(shí)間推移而減小，以此推斷出該交界區(qū)域巖體內(nèi)應(yīng)力被逐漸釋放而趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。與此同時(shí)還在導(dǎo)流洞內(nèi)已有的頂板冒落區(qū)附近監(jiān)測(cè)到較強(qiáng)的微地震事件，這些事件的時(shí)空分布有助于進(jìn)一步分析該頂板

3、動(dòng)態(tài)演化的發(fā)展趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，建立了以微地震事件頻數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線的二階導(dǎo)數(shù)來(lái)推測(cè)圍巖穩(wěn)定狀態(tài)的方法，給出了微地震事件頻率與傳播距離的理論計(jì)算公式，提出了以微地震的空間分布、時(shí)間分布、能級(jí)變化與尺度效應(yīng)等指標(biāo)的綜合值來(lái)判斷圍巖穩(wěn)定的方法，并初步給出了I、II、III、IV等四個(gè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，為探索TBM隧洞地質(zhì)微地震超前預(yù)報(bào)新方法的建立指明了方向。 根據(jù)彈性力學(xué)理論及Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，研究了TBM開挖深埋隧洞圍巖的變形特

4、征及其力學(xué)效應(yīng)問(wèn)題，提出了圍巖支護(hù)壓力折減量的新概念，給出了圍巖塑性區(qū)半徑、洞壁周邊位移、最大支護(hù)壓力等理論計(jì)算公式，并將理論計(jì)算結(jié)果與相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析對(duì)比，證實(shí)了理論計(jì)算公式的可靠性。在此基礎(chǔ)上，討論了TBM滾刀推力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體類型、巖體完整性等因素的關(guān)系，得出了以滾刀推力表示的洞壁位移方程，由此建立了TBM開挖與圍巖性質(zhì)的內(nèi)在聯(lián)系，對(duì)TBM施工有一定的實(shí)際指導(dǎo)意義。 在具體分析深埋隧洞條件下松散性、擠壓

5、性圍巖影響雙護(hù)盾TBM施工的基礎(chǔ)上，分別研究了聚氨酯化學(xué)灌漿的工藝流程、化學(xué)灌漿固結(jié)松散性圍巖前后的數(shù)值計(jì)算模型、擠壓性地層埋深與雙護(hù)盾TBM卡機(jī)的關(guān)系以及擠壓性圍巖的數(shù)值計(jì)算模型。提出了化學(xué)灌漿固結(jié)松散性圍巖合理厚度的計(jì)算方法，確定了減壓支洞與主隧洞之間洞壁厚度的最佳值，從而改變了目前施工中多以經(jīng)驗(yàn)方式確定灌漿厚度和洞壁厚度的局面，為指導(dǎo)雙護(hù)盾TBM快速穿過(guò)不良地質(zhì)地段有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 按支護(hù)襯砌方式的不同將雙護(hù)盾TBM隧洞

6、圍巖支護(hù)分為鋼體護(hù)盾支護(hù)段和管片襯砌段。在鋼體護(hù)盾支護(hù)段，研究了護(hù)盾與圍巖間摩擦阻力的計(jì)算方法，討論了影響摩擦阻力大小的因素，并根據(jù)Hoek-Brown強(qiáng)度準(zhǔn)則，計(jì)算了圍巖在理想的彈性與塑性條件下鋼體護(hù)盾所承受的圍巖壓力大小，解釋了允許雙護(hù)盾TBM有一定超挖的重要意義。在管片襯砌段，建立了四邊形管片襯砌結(jié)構(gòu)的梁——彈簧計(jì)算模型，研究了三種典型圍巖條件下四邊形管片襯砌結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分布規(guī)律：將六邊形管片——灌漿砼層——圍巖作為三位一體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

7、，建立了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，并對(duì)一個(gè)工程實(shí)例進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，結(jié)果表明該管片的強(qiáng)度富裕程度為31％，說(shuō)明管片的設(shè)計(jì)是過(guò)于安全，有待作進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。 最后，應(yīng)用損傷力學(xué)的基本原理，研究了灌漿砼層在受壓條件下微裂紋服從Weibull分布的損傷演化方程，討論了方程中的兩個(gè)參數(shù)F0和m的具體含義。建立了以損傷效應(yīng)為基礎(chǔ)的灌漿砼層數(shù)值計(jì)算模型，發(fā)現(xiàn)灌漿砼層最大主應(yīng)力的理論計(jì)算值與實(shí)際測(cè)試值是相符合的，研究成果對(duì)指導(dǎo)灌漿砼層的設(shè)計(jì)與施