TBM施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監(jiān)測分析

針對tbm施工隧洞中的圍巖分類問題,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類應針對圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級標準》圍巖穩(wěn)定性基本分級的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強度、巖石的耐磨性和巖體的完整性,將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個級別,對于當今隧洞圍巖分級方法的進一步發(fā)展,以及提高我國tbm施工隧洞的設(shè)計和施工水平具有一定的實用價值。

從設(shè)計和施工的角度,總結(jié)了開敞式tbm在塑性變形洞段施工的經(jīng)驗和教訓。主要是:(1)塑性變形洞段的tbm施工,更適合于采用開敞式tbm;(2)及時進行仰拱封閉,可以有效地阻止圍巖塑性變形的大幅度增長;(3)采用開敞式tbm施工隧洞的斷面尺寸設(shè)計,應預留允許的收斂變形量;(4)采用開敞式tbm施工,應適當配備超前加固、初期支護的輔助設(shè)施,保證施工安全、順利地進行。

文章針對tbm施工隧洞的圍巖分類問題,分析了西南某水電站深埋隧洞影響洞室穩(wěn)定性的因素,以《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中的圍巖分類方法(hc分類)為基礎(chǔ),依據(jù)巖石單軸抗壓強度、巖體的完整性系數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)為主要因素來探討適合tbm施工深埋隧洞的圍巖分類。

已有不少專家在tbm施工圍巖級別劃分方面進行過有益探索,為后來的工作提供了很好思路。目前的問題是,所提出的分級指標難以獲取、離散性較大、有一些與施工直接相關(guān)的指標的定量化問題未能解決,尚未形成明顯共識的分級系統(tǒng)或方法。為此,有必要針對水工隧洞tbm施工圍巖類別劃分進行詳細探討。本文提出以現(xiàn)行《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中水工隧洞圍巖分級方法為基礎(chǔ),參考秦嶺隧道tbm施工圍巖分級方法,根據(jù)tbm施工的工作效率、碴料特征和涌水狀況進行分級修正,建立適合于tbm施工的水工隧洞圍巖分級修正模型,實現(xiàn)tbm施工水工隧洞的圍巖分級,并以2個實例進行驗證。

隧洞是建筑物引水系統(tǒng)的重要組成部分,地下隧洞開挖后深部圍巖應力場的狀態(tài)變化對預測圍巖失穩(wěn)和開裂具有十分重要的意義。本文討論了圍巖應力分析中的本構(gòu)模型和圍巖應力分析中m-c準則的應用,用rfpa軟件對隧洞開挖過程中圍巖的應力場分布進行了相關(guān)的數(shù)值模擬,很好地驗證了理論上的一些結(jié)論。

盤道嶺隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形、裂縫等病害問題日益突出,在重點病險洞段選取監(jiān)測斷面,構(gòu)建變形監(jiān)測系統(tǒng),埋設(shè)多點位移計、應變計,進行隧洞圍巖蠕動變形及襯砌結(jié)構(gòu)應變監(jiān)測。隧洞圍巖位移、溫度與襯砌結(jié)構(gòu)應變隨時間的相關(guān)關(guān)系表明,監(jiān)測期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)應變與圍巖位移整體呈負相關(guān)、但相關(guān)性較弱,與溫度呈正相關(guān)且相關(guān)性較強,說明監(jiān)測短期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)應變主要受溫度效應影響。盤道嶺隧洞圍巖存在的蠕變變形是一個較為緩慢的過程,且多點位移計部分測點位移量與襯砌結(jié)構(gòu)應變變化表現(xiàn)出一定相關(guān)性,圍巖蠕動變形勢必導致襯砌結(jié)構(gòu)病害不斷加劇。因此,應加強不同部位、深度隧洞圍巖蠕動變形的長期監(jiān)測,預判圍巖蠕變對襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀況的影響及發(fā)展趨勢。

本文針對tbm施工隧洞中的圍巖分類問題,通過分析研究國內(nèi)外大量tbm施工實例和一些現(xiàn)場及室內(nèi)巖石力學試驗結(jié)果,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類應針對圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級標準》圍巖穩(wěn)定性基本分級的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強度、巖石的耐磨性和巖體的完整性將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個級別的圍巖分類新方法,并將該方法應用于掌鳩河引水供水工程tbm施工段工程實踐,取得了良好的效果。

根據(jù)布東水電站無壓引水隧洞圍巖產(chǎn)生的塑性變形特點,結(jié)合施工進程中的實際情況,采用了掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、拱架及錨桿等處理措施限制巖體塑性變形,取得了良好效果。

錦屏二級水電站深埋引水隧洞處于西南高應力區(qū),地質(zhì)條件復雜,巖爆、突水、塌方等工程地質(zhì)災害突出,掌握tbm開挖圍巖損傷演化規(guī)律,設(shè)計有效的支護方案防治tbm施工過程地質(zhì)災害的發(fā)生是非常重要的。為此,開展tbm施工過程中聲發(fā)射監(jiān)測試驗,研究tbm開挖過程中圍巖損傷的演化規(guī)律。試驗結(jié)果表明:沿洞軸線方向,tbm開挖時掌子面前約10m的范圍內(nèi)圍巖已受到不同程度的損傷,tbm開挖后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7m的范圍內(nèi),其中以掌子面后3m時為最;沿洞徑方向,圍巖受損傷的范圍約9m,根據(jù)損傷程度的不同,劃分為松動區(qū)、損傷區(qū)和擾動區(qū),依次為距洞壁3,3～9和9～22m的范圍。從力學的角度揭示損傷演化的機制和松動區(qū)、損傷區(qū)和擾動區(qū)劃分的依據(jù),為支護措施設(shè)計與支護時機的選取提供科學依據(jù)。分析討論傳感器選取、傳感器布置、現(xiàn)場噪音及地質(zhì)條件等各種因素對圍巖損傷結(jié)果的影響及進一步發(fā)展和研究的方向。

傳統(tǒng)圍巖分級方法側(cè)重于圍巖的穩(wěn)定性,對于tbm施工隧道工程,圍巖與tbm均扮演重要角色,有必要建立一套服務于tbm隧道工程的圍巖分級新方法。依托引漢濟渭引水隧洞工程的現(xiàn)場數(shù)據(jù),對場切深指數(shù)fpi與地質(zhì)參數(shù)、掘進參數(shù)的相關(guān)性進行分析,建立tbm隧道的圍巖可掘性分級;對影響tbm利用率的主要地質(zhì)因素進行分析,建立tbm隧道的適應性分級。綜合考慮工程的圍巖可掘性及tbm適應性,以施工速度為指標,建立基于掘進性能的tbm施工圍巖綜合分級。分級選取巖石強度、巖體完整性、地下水狀態(tài)、初始地應力狀態(tài)、隧道軸線與主要軟弱結(jié)構(gòu)面夾角等5方面因素指標,對tbm推力、貫入度、利用率和施工速度進行影響關(guān)系綜合分析。結(jié)果表明,新建立的tbm施工圍巖綜合分級方法可以進行tbm掘進性能預測與工期、成本分析,有效解決開敞式tbm工程實用圍巖分級問題。

巖樣單軸壓縮塑性變形及斷裂能研究——首先研究了應變軟化階段巖石試件軸向塑性變形。假設(shè)局部化開始于峰值強度而軸向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切帶的相對塑性剪切位移與應力水平及剪切帶寬度有關(guān)，剪切帶寬度由梯度塑性理論確定。剪切帶的相對塑性...

彈塑性變形與極限載荷分析

在分析tbm施工圍巖歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對定性說明變量,將數(shù)量化理論ⅰ的數(shù)學模型簡化為多元線性回歸模型,再對圍巖樣本進行多元線性回歸分析,導出了可以指導tbm施工圍巖分類的回歸方程。

針對首次立井煤礦tbm掘進硬巖巷道工程應用實際,進行了巷道圍巖穩(wěn)定性分析和施工信息化監(jiān)測,并采用abaqus有限元數(shù)值軟件研究了巷道圍巖位移場、應力場和塑性區(qū)的分布規(guī)律,分析了擬定支護方案的巷道圍巖穩(wěn)定性。結(jié)果表明,巷道頂部的最大下沉量為33.26mm,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍為0.8~1.2m。確定支護方式為錨網(wǎng)支護。在試驗巷道掘進過程中,進行了圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況、巷道收斂變形和錨桿受力監(jiān)測。巷道頂板圍巖破損深度達1.5m,兩幫最大收斂量為12mm,錨桿軸力變化范圍為43.1~65.1kn。tbm施工硬巖巷道月進尺達404m,相比傳統(tǒng)的鉆爆法和綜掘法單進提高5~10倍,工程應用表明,該工法安全高效。

隧洞圍巖如何分級(或稱分類),才能滿足tbm施工條件下的隧洞施工需要,是一值得研究的問題。結(jié)合大伙房輸水工程對tbm施工條件下的隧洞圍巖分級,主要針對工程巖體的可掘進性進行研究,并在此基礎(chǔ)上進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計,這對tbm隧洞圍巖的分級方法進一步研究和tbm隧洞施工都有利。

結(jié)合西安-南京線桃花鋪1#隧道采用隧道掘進機(tbm)施工實踐,運用有限元法,針對tbm施工隧道中常見的軸線偏移問題,定量分析了tbm施工隧道超欠挖對隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)的影響,得出的結(jié)論可供同類工程參考。

以雙護盾tbm施工為例,將施工中能獲取的相關(guān)參數(shù)進行分類整理,并進行較為系統(tǒng)的分析比較,從中篩選出與雙護盾tbm高度相關(guān)的參數(shù)信息,為構(gòu)建圍巖分類體系模型的參數(shù)選取奠定了基礎(chǔ),力求在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一個較為合理的tbm施工工程地質(zhì)圍巖分類基本模型。

長距離輸水隧洞的tbm施工技術(shù)復雜,工序繁多,且受到眾多不確定性因素(尤其是地質(zhì)條件)的影響,給工程施工進度的安排及計劃帶來了相當?shù)娘L險。在分析圍巖巖性分布隨機特性的基礎(chǔ)上,提出了基于markov過程的地質(zhì)巖性風險預測方法,確定了沿隧洞軸線上巖性的分布概率,克服了以往方法難以量化地質(zhì)風險的弊端,為定量分析地質(zhì)風險提供了新的途徑。在顧及巖性不確定性和工作活動時間隨機性條件下,建立了針對不同巖性的tbm施工隨機循環(huán)網(wǎng)絡仿真模型,采用monte-carlo方法,對工程工期、完工概率以及資源利用情況進行了風險分析。工程實例應用表明本方法的可行性及有效性。

隧洞施工中如支護變形過大,往往會造成侵限斷面或者初期支護發(fā)生變形破壞,二次襯砌時需要對侵限部位處理,增加了施工難度和施工風險,若處理不當,極易發(fā)生安全事故,存在安全隱患.本文敘述了處理遼寧省大伙房輸水隧洞一期工程初期支護脫落、底板開裂隆起等隧洞開挖后侵占隧洞襯砌斷面問題的施工技術(shù),為類似施工提供參考.

結(jié)合工程實例,通過對財神梁隧道全斷面法和臺階法兩種不同開挖方法下典型斷面的圍巖變形監(jiān)測,研究了其穩(wěn)定性狀況,并對圍巖變形曲線進行了回歸分析,從而優(yōu)化開挖方法和指導施工。

根據(jù)彈塑性熱力耦合大變形有限元理論,獲得熱軋過程中的數(shù)值仿真模型,分析軋制過程中軋件單道次軋制的變形規(guī)律以及平均應變率、摩擦因數(shù)等參數(shù)對軋制變形的影響。計算結(jié)果表明,軋件的應變在軋制過程中逐漸增大,并且在軋件表面的應變要大于其中心應變;軋件表面在軋制入口處應變率最大,軋件中心最大應變率發(fā)生在接觸區(qū)約1/3處;軋件表面應變受摩擦因數(shù)的影響較大,軋件中心處應變及整體應變率受摩擦因數(shù)影響較小。

本文基于clough雙分量模型的思想,提出了鋼桿件彈塑性單元剛度分析的瞬態(tài)廣義clough模型概念,結(jié)合考慮幾何非線性,建立了桿系鋼結(jié)構(gòu)彈塑性變形實用分析方法。通過鋼剛架模型試驗的分析,驗證了本文分析方法的有效性,同時指出了幾何非線性對桿系鋼結(jié)構(gòu)彈塑性變形分析結(jié)果的影響。