深部复合岩层流变力学行为及其对TBM卡机灾害影响机理研究

发布时间：2020-10-11 01:29

　　 TBM的地质适应性不佳,在断层破碎带、富水裂隙带与软硬不均岩层等不良地质中容易出现TBM卡机灾害,而在深长隧道TBM施工中软硬复合岩层屡见不鲜,因此有必要研究TBM在深埋复合岩层中掘进时卡机灾害致灾机理及防治措施。本文采用室内试验、理论研究及数值模拟分析相结合的方法,探究复合岩层常规三轴压缩及流变力学特性,提出能合理描述复合岩层力学行为的力学模型,据此分析深长隧道围岩变形的时空演化规律,结合ABH工程探究深埋软硬复合岩层条件下TBM掘进卡机灾害控制措施。主要研究内容及成果如下:(1)采用水泥、石英砂和水等材料配制了软、硬两种类岩石材料,制作了不同层间倾角软硬层状复合类岩石标准圆柱形试样,进行了复合岩层类岩石试样三轴压缩流变试验,基于室内试验结果,分析了层间倾角对复合岩层流变破坏强度、破坏模式、流变变形及长期强度的影响规律。(2)在经典Mohr-Coulomb模型及Burgers流变模型的基础上,通过引入累计损伤演化率,建立了岩石损伤软化本构模型以及岩石损伤流变本构模型,用以分别描述岩石在加载过程中的瞬时变形及流变变形特性。将本构模型进行二次开发并用于数值计算,基于室内试验结果对模型的准确性及有效性进行了验证,对比结果表明模型可以较好反映岩石受力变形及损伤劣化特征。(3)以ABH项目中TBM掘进隧道为工程背景,进行了深埋复合岩层中圆形隧洞开挖后隧洞围岩变形及破坏特征物理模型试验,研究了隧洞洞周收敛位移及破坏特征,分析了边界荷载恒定条件下洞周围岩内部主应力及主应变演化规律,试验结果表明隧洞洞周围岩损伤破坏规律同时受洞周围岩应力特征及围岩岩性特征所控制。(4)进行了深埋复合岩层圆形隧洞开挖过程中围岩变形及破坏特征数值模拟研究,探究了层间倾角、层间距、支护力以及开挖暴露时间对隧洞洞周围岩变形及破坏特征影响规律。(5)总结分析了TBM掘进卡机灾害工程实例,探究了TBM掘进施工隧洞卡机灾害防治措施及TBM卡机脱困方法,以ABH输水隧洞TBM施工工程为依托工程,采用本文建立的岩石损伤流变本构模型,进行了TBM掘进机在穿越断层破碎带时TBM机身与围岩相互作用数值计算,探究了超挖间隙与停机时间对TBM机身摩阻力的影响规律,研究结果将有助于TBM在该区域中安全快速高效的掘进。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV223
【部分图文】：

岩稳定性差、地应力增大、地下水赋存复杂、地层存在瓦斯等问题屡见不鲜，而 TBM 的地质适应性不佳，不如常规钻爆法灵活，由此引发的突涌水、卡机（盾）、爆炸等工程灾害屡见报道，通过对国内外 98 例 TBM 施工工程实例分析后发现，在 TBM 施工中，围岩大变形、突涌水、岩爆及瓦斯突出（含煤地层）是导致 TBM 重大工程事故的主要工程地质问题，尤其是软岩大变形造成的卡机灾害，所占比例高达 37%[11]。TBM 施工设备庞大，设备造价高昂，因此 TBM 卡机灾害不但造成长时间卡机停工严重威胁设备和施工作业人员的安全，严重时造成护盾损毁，严重影响工程进度，进一步造成巨大的经济损失和严重社会影响。分析我国典型 TBM 卡机灾害案例可以看出，TBM卡机主要发生在深部软硬复合岩层中，复合岩层岩性较单一岩层更为复杂，而深部地层中的高地应力和岩体中的软弱结构构成了围岩挤压大变形的基本条件，TBM 开挖扰动改变了岩体的应力状态，造成开挖扰动区围岩体相继进入峰前损伤扩容和峰后破裂碎胀状态使得围岩产生强烈挤压大变形[13]。当掌子面围岩快速变形甚至发生塌方时，会导致 TBM机头被卡，而当 TBM 开挖时护盾区域围岩产生的挤压大变形超过围岩与护盾间的预留间隙时，隧洞围岩与 TBM 护盾开始接触并产生挤压力，当 TBM 掘进时的推进力小于围岩与护盾间的摩阻力时就会造成机身护盾被卡甚至被毁，典型 TBM 被卡情形如图 1-1 所示。隧洞围岩

博士学位论文常规三轴压缩、循环加卸载条件及复杂应力路径下的应变响应特征，分析了层间缩破裂特征的影响规律；Gholamreza 等[25]进行了层状复合砂岩单轴压缩及巴西劈着重分析了不同层间倾角下砂岩破裂面衍生规律，给出了层状砂岩在单轴压缩及条件下的破坏模式；Ramamurthy[26]总结了前人关于复合岩层力学特性与层间倾角系，指出复合岩层抗压强度随层间倾角的演化规律主要呈 U 型（U-type）、波ndulatory type）及双肩型（Shoulder type）三种。

路线析和数值计算三者相结合的4 所示，具体研究方法如下试验，分析层间倾角对复合破坏特征。进行复合岩层中周围岩变形及破坏特征及其验验证中。模型进行复合岩层 TBM 掘合岩层中隧道开挖过程中道洞周变形破坏的关键点，比等。研究背景，研究 TBM 掘进时间、及超挖间隙对 TBM提出深埋复合岩层 TBM 深部复合岩层 TBM 卡机灾害控制机理研究
【参考文献】

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本文编号：2835845