护盾式TBM穿越断层破碎带岩机相互作用三维数值模拟研究
发布时间：2021-09-13 11:08
护盾式TBM掘进穿越断层破碎带时,围岩收敛变形过大易引起TBM卡机。文章以某输水隧洞工程为背景,采用FLAC3D进行数值模拟研究,探究TBM在穿越断层破碎带时机身所受摩阻力的变化特征,分析超前支护强度及超挖间隙等因素对护盾式TBM机身受力及卡机风险的影响规律。研究结果表明,护盾式TBM机身在软弱破碎地层中所受摩阻力是TBM掘进穿过该区域时卡机灾害发生的关键控制因素。机身处于断层破碎带时,护盾处围岩径向相对收敛变形达到0.16 m,超过预留变形,护盾所受的挤压力及前进摩阻力较高,护盾所受最大摩阻力约为108.71 MN。施加锚杆后洞周最大收敛位移减小了17.06%左右,说明锚杆支护作用对断层破碎带处洞周围岩变形影响显著。
【文章来源】：现代隧道技术. 2020,57(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
数值计算模型简图
在不考虑TBM护盾与支护条件下，计算所得隧洞洞周围岩变形规律如图2所示，图中给出了掌子面位于20 m与60 m处时洞周围岩变形曲线（LDP曲线）。从图中可以看出，掌子面支撑效应影响范围约为掌子面后方4倍半径处与掌子面前方2倍半径处。掌子面位于硬岩层中时，洞周围岩变形较小。当掌子面位于软弱破碎围岩中时，隧洞洞周变形显著增大，硬岩区围岩对软弱破碎区洞周围岩变形具有约束作用，离软硬分界面距离越远，硬岩区围岩对软岩区洞周围岩变形影响越小。由此可见，TBM掘进穿越软硬复合地层时隧洞洞周围岩变形规律与穿越单一硬质或软弱地层时并不相同。软硬复合地层中，软弱围岩与硬质围岩相互影响、共同变形，因此进行软硬复合地层TBM施工设计时除了考虑软弱围岩大变形特征外，还应合理考虑硬质围岩对软弱地层中洞周围岩的变形约束作用。当隧洞开挖掘进20 m时，掌子面位于硬质砂岩中，围岩质量较好、强度较高，洞周最大收敛变形出现在距掌子面约10 m处，最大收敛变形约为0.02m；当隧洞开挖掘进60 m时，隧洞掌子面位于软弱破碎围岩中，围岩质量差、强度低，洞周最大收敛变形约为0.08 m。由此可见，TBM掘进穿越软弱破碎带时护盾处围岩径向相对收敛变形达到0.16 m，超过围岩与护盾间的预留变形0.1 m，围岩将会与TBM护盾间发生接触挤压，TBM有可能由于围岩挤压作用发生卡机灾害。
隧洞开挖后，当围岩收敛变形超过TBM护盾与开挖轮廓面之间的预留变形量时，TBM机身护盾与洞周围岩相接触，二者相互作用，TBM穿越不同地层时洞周围岩收敛变形曲线如图3所示。对比图3与图2可以看出，考虑TBM机身护盾与管片对围岩的支护作用后，隧洞洞周围岩大变形主要发生在TBM机身段，且该段围岩收敛变形表现出两端小中间大的趋势。由此可见，TBM穿越软硬复合地层时，TBM机身前盾处受围岩挤压作用最强，减小TBM机身前盾所受摩阻力是预防TBM机身被卡的关键。图4给出了TBM开挖掘进过程中机身所受摩阻力与掘进距离之间的关系曲线。从图中可以看出，当TBM机身接近入口端时，TBM机身位于硬质岩层中，机身所受摩阻力较小。随着TBM进一步向前掘进，模型边界对围岩变形的影响逐渐减小，TBM机身所受摩阻力逐渐增大；而当TBM机身进入软岩地层中时，护盾所受摩阻力显著增大。当TBM机身位于硬质岩层时，护盾所受摩阻力约为54.40 MN；而当TBM机身处于软弱破碎地层中时，护盾所受最大摩阻力约为108.71 MN。因此，TBM机身在软弱破碎地层中所受摩阻力是TBM掘进穿过该区域时卡机灾害发生的关键控制因素。
【参考文献】：
期刊论文
[1]兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM1施工段关键技术研究[J]. 杨继华,梁国辉,曹建锋,杨风威. 现代隧道技术. 2019(02)
[2]挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究[J]. 程建龙,杨圣奇,潘玉丛,田文岭,赵维生. 岩土力学. 2016(S1)
[3]复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究[J]. 程建龙,杨圣奇,杜立坤,温森,张建毅. 岩石力学与工程学报. 2016(03)
[4]深埋隧道TBM卡机机理及控制措施研究[J]. 温森,杨圣奇,董正方,赵丽敏. 岩土工程学报. 2015(07)
[5]深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理[J]. 刘泉声,黄兴,时凯,朱元广. 煤炭学报. 2014(S1)
[6]洞室变形引起的双护盾TBM施工事故风险分析[J]. 温森,徐卫亚. 岩石力学与工程学报. 2011(S1)
[7]恒载作用下轴对称圆巷围岩的流变变形方程求解[J]. 侯公羽,李晶晶,裘彬,张华栋,刘宏伟. 岩土力学. 2011(02)
[8]TBM施工遇险工程地质问题分析和失误的反思[J]. 尚彦军,杨志法,曾庆利,孙元春,史永跃,袁广祥. 岩石力学与工程学报. 2007(12)
[9]昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J]. 尚彦军,史永跃,曾庆利,尹俊涛,薛继洪. 岩石力学与工程学报. 2005(21)
博士论文
[1]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[D]. 徐鹏.中国矿业大学 2018
[2]深埋软岩隧洞双护盾TBM施工围岩稳定控制理论与技术[D]. 苏利军.武汉大学 2010
硕士论文
[1]青海“引大济湟”工程TBM卡机段围岩大变形特性及扩挖洞室支护方案研究[D]. 张超.成都理工大学 2012
本文编号：3394985
【文章来源】：现代隧道技术. 2020,57(06)北大核心CSCD
【文章页数】：7 页
【部分图文】：
数值计算模型简图
在不考虑TBM护盾与支护条件下，计算所得隧洞洞周围岩变形规律如图2所示，图中给出了掌子面位于20 m与60 m处时洞周围岩变形曲线（LDP曲线）。从图中可以看出，掌子面支撑效应影响范围约为掌子面后方4倍半径处与掌子面前方2倍半径处。掌子面位于硬岩层中时，洞周围岩变形较小。当掌子面位于软弱破碎围岩中时，隧洞洞周变形显著增大，硬岩区围岩对软弱破碎区洞周围岩变形具有约束作用，离软硬分界面距离越远，硬岩区围岩对软岩区洞周围岩变形影响越小。由此可见，TBM掘进穿越软硬复合地层时隧洞洞周围岩变形规律与穿越单一硬质或软弱地层时并不相同。软硬复合地层中，软弱围岩与硬质围岩相互影响、共同变形，因此进行软硬复合地层TBM施工设计时除了考虑软弱围岩大变形特征外，还应合理考虑硬质围岩对软弱地层中洞周围岩的变形约束作用。当隧洞开挖掘进20 m时，掌子面位于硬质砂岩中，围岩质量较好、强度较高，洞周最大收敛变形出现在距掌子面约10 m处，最大收敛变形约为0.02m；当隧洞开挖掘进60 m时，隧洞掌子面位于软弱破碎围岩中，围岩质量差、强度低，洞周最大收敛变形约为0.08 m。由此可见，TBM掘进穿越软弱破碎带时护盾处围岩径向相对收敛变形达到0.16 m，超过围岩与护盾间的预留变形0.1 m，围岩将会与TBM护盾间发生接触挤压，TBM有可能由于围岩挤压作用发生卡机灾害。
隧洞开挖后，当围岩收敛变形超过TBM护盾与开挖轮廓面之间的预留变形量时，TBM机身护盾与洞周围岩相接触，二者相互作用，TBM穿越不同地层时洞周围岩收敛变形曲线如图3所示。对比图3与图2可以看出，考虑TBM机身护盾与管片对围岩的支护作用后，隧洞洞周围岩大变形主要发生在TBM机身段，且该段围岩收敛变形表现出两端小中间大的趋势。由此可见，TBM穿越软硬复合地层时，TBM机身前盾处受围岩挤压作用最强，减小TBM机身前盾所受摩阻力是预防TBM机身被卡的关键。图4给出了TBM开挖掘进过程中机身所受摩阻力与掘进距离之间的关系曲线。从图中可以看出，当TBM机身接近入口端时，TBM机身位于硬质岩层中，机身所受摩阻力较小。随着TBM进一步向前掘进，模型边界对围岩变形的影响逐渐减小，TBM机身所受摩阻力逐渐增大；而当TBM机身进入软岩地层中时，护盾所受摩阻力显著增大。当TBM机身位于硬质岩层时，护盾所受摩阻力约为54.40 MN；而当TBM机身处于软弱破碎地层中时，护盾所受最大摩阻力约为108.71 MN。因此，TBM机身在软弱破碎地层中所受摩阻力是TBM掘进穿过该区域时卡机灾害发生的关键控制因素。
【参考文献】：
期刊论文
[1]兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM1施工段关键技术研究[J]. 杨继华,梁国辉,曹建锋,杨风威. 现代隧道技术. 2019(02)
[2]挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究[J]. 程建龙,杨圣奇,潘玉丛,田文岭,赵维生. 岩土力学. 2016(S1)
[3]复合地层中双护盾TBM与围岩相互作用机制三维数值模拟研究[J]. 程建龙,杨圣奇,杜立坤,温森,张建毅. 岩石力学与工程学报. 2016(03)
[4]深埋隧道TBM卡机机理及控制措施研究[J]. 温森,杨圣奇,董正方,赵丽敏. 岩土工程学报. 2015(07)
[5]深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理[J]. 刘泉声,黄兴,时凯,朱元广. 煤炭学报. 2014(S1)
[6]洞室变形引起的双护盾TBM施工事故风险分析[J]. 温森,徐卫亚. 岩石力学与工程学报. 2011(S1)
[7]恒载作用下轴对称圆巷围岩的流变变形方程求解[J]. 侯公羽,李晶晶,裘彬,张华栋,刘宏伟. 岩土力学. 2011(02)
[8]TBM施工遇险工程地质问题分析和失误的反思[J]. 尚彦军,杨志法,曾庆利,孙元春,史永跃,袁广祥. 岩石力学与工程学报. 2007(12)
[9]昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J]. 尚彦军,史永跃,曾庆利,尹俊涛,薛继洪. 岩石力学与工程学报. 2005(21)
博士论文
[1]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[D]. 徐鹏.中国矿业大学 2018
[2]深埋软岩隧洞双护盾TBM施工围岩稳定控制理论与技术[D]. 苏利军.武汉大学 2010
硕士论文
[1]青海“引大济湟”工程TBM卡机段围岩大变形特性及扩挖洞室支护方案研究[D]. 张超.成都理工大学 2012
本文编号：3394985
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