洞室变形引起的双护盾TBM施工事故风险分析

 当前TBM在深埋隧洞施工中的应用越来越多,由变形引起的TBM施工事故也越来越普遍,因此很有必要对变形引起的TBM施工事故进行风险分析。采用收敛–约束法并结合风险分析理论,考虑洞室的掌子面和护盾后方支护的效应,对围岩作用在护盾上的压力进行计算;同时,根据作用护盾上压力大小判断洞室变形对TBM施工的具体影响,把事故的后果分为5个等级,根据后果等级结合发生的概率提出TBM施工变形风险评价矩阵,然后结合现有的风险接受准则即可确定风险等级。最后,采用研究成果对南水北调西线某段双护盾TBM施工进行风险评估。     

深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究

岩石隧道掘进机(TBM)法开挖长隧道是一种安全、快速、有效的隧道开挖方法,但TBM复杂高应力隧道掘进时易发生卡机事故,因此,TBM在设计之初应尽可能考虑地质环境的影响,降低TBM的卡机风险。通过分析高应力常规地层和高应力软弱破碎地层对TBM的影响,提出了高应力常规地层和高应力软弱破碎地层TBM卡机的两个判据。根据两个判据提出了考虑围岩力学参数的高应力隧道TBM护盾长度设计和推力设计理论计算方法,并给出了参数选取依据。最后依据西南地区某高应力隧道的实际围岩地质参数,计算分析了现有TBM设计的合理性。本研究可为TBM的盾体长度和推力设计计算提供围岩力学参数依据。     

TBM卡机实时监测预警方法及其应用

TBM掘进至深埋软弱地层时,围岩收敛变形较大,容易对护盾造成挤压从而导致卡机。为了降低TBM掘进过程中的卡机风险,采用自动化任务处理程序和光纤通讯技术,以护盾内表面应变测量作为预警指标,提出一种具备无人值守、数据自动采集传输、远程操控和系统自检功能的TBM卡机实时监测预警方法。依托兰州水源地TBM开挖引水隧洞工程,将该监测预警方法进行应用。结合卡机事故调查报告,分析现场监测数据和掘进参数,结果表明该方法能够有效地实现TBM卡机预警。同时,根据护盾内表面各测点应变的时空变化规律,可以推测护盾外表面围岩荷载作用的方位和变化趋势,能够为掘进参数调整和现场事故处理提供依据。     

双盾TBM掘进中超挖对盾构与地层的影响

为了研究LDP位移释放速率、超挖量、护盾锥度、护盾长度和侧压力系数等因素对双护盾TBM与围岩相互作用的影响,采用FLAC3D建立了三维TBM模型,在考虑护盾与围岩不均匀间隙的条件下研究了TBM作用下上述因素对围岩变形、接触挤压力大小及分布和护盾所受摩阻力的影响。     

小断面深埋TBM隧洞穿越不良地质段卡机脱困措施研究

为探究小断面深埋TBM隧洞在穿越不良地质段卡机脱困措施，以垣曲二期抽水蓄能电站建设前期的地质勘探平硐为工程背景，总结工程实践经验，提出了正常围岩段以关注刀盘扭矩突变值为主，及时停机处置。对于小规模的不良地质体，要以快速通过、控制变形、减少出渣为原则进行施工。对于大型破碎不良地质体，通过超前加固和及时支护控制围岩塌方和变形，同时加固掌靴处围岩稳定性提高推进力可以避免卡机事件的发生。如果出现了由于塌方引起的卡机，盾顶小导坑辅助脱困技术可以解除卡机。     

深埋破碎岩体TBM掘进风险评估与应对

TBM具有快速掘进的特点,但在不良地质条件下由于设备和支护能力的限制,其正常掘进受到影响,面临卡机甚至停工的风险。锦屏二级水电站引水隧洞一般埋深超过1 500 m,地质条件复杂,TBM在通过白山组破碎大理岩洞段时,由于围岩破碎、强度较低、自稳能力差,需要对掘进中的风险进行评估。首先利用现场围岩的开挖响应,确定破碎岩体的初始力学参数,之后通过计算对比不同质量岩体的变形和TBM正常掘进所需推力大小,发现在破碎岩体中掘进所需推力已经超过了TBM设备自身能够提供的最大推力,并且围岩变形也很难限制在TBM的扩挖能力范围之内,而围岩在撑靴压力的作用下已经发生破坏,无法提供足够的推进力保证TBM顺利掘进。为此提出了先导洞方案,计算结果表明利用先导洞能缓解释放的变形量,避免卡机风险。最后提出了其他支护优化设计和应对策略。研究成果可为类似的工程施工提供参考。     

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

 为研究复合地层中双护盾TBM与围岩之间的相互作用机制,采用FLAC3D建立完整的TBM模型,研究复合地层中以下几种情况对TBM掘进时围岩变形及护盾所受接触力和摩擦阻力的影响：地层(1)为断面内上软下硬、上硬下软;地层(2)为沿洞线方向具有不同软岩长度;地层(3)为沿洞线方向具有不同软硬交替厚度。同时,将不均匀间隙作为函数引入护盾压力计算式中。得出地层(1)条件下受不均匀间隙的影响,围岩纵轴向剖面位移(LDP)曲线自下而上先后与护盾接触,接触部位主要位于隧道腰部及以下区域,接触压力主要集中在前、后盾中后方,且前盾尾部压力值最大;地层(2)条件下,护盾所受摩阻力随软岩长度的增加逐渐增大并最终趋于稳定;地层(3)条件下TBM前后护盾所受摩阻力呈周期性波动,其变化规律与围岩位移曲线变化频率基本对应。而且不论地层(2)或地层(3)中,围岩LDP曲线形态都不同于均匀地层。这些认识对于进一步研究复合地层中TBM与围岩的相互作用及预测卡机有重要意义。     

TBM卡机围岩蠕变机理分析

利用国际通用的Burgur蠕变模型,计算了卡机事故与围岩蠕变之间的定量关系,深化了对第三系砂岩中TBM掘进卡机机理的认识,指出在第三系砂岩地层中,由于岩石固结成岩差、岩石强度低、遇水易软化,因此易发生卡机事故。     

极软岩巷道锚注支护技术的研究与应用

极软岩巷道具有持续塑性变形破坏的特征,单一支护方式难以控制.锚注支护是具有锚杆支护与注浆加固作用的一种联合支护方式,可以改变围岩力学参数,提高围岩强度,是一种主动支护方法.根据锚注机理,建立围岩锚注计算的力学模型.依据围岩流变特征,选择耦合的流变模型,以分析锚注支护对具有流变特性持续变形围岩支护的控制作用.经理论分析、计算和工程应用表明,锚注支护对控制极软岩巷道持续变形破坏具有显著的技术、经济效果.     

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

在褶皱、断层和软弱围岩共同作用时,岩石掘进机施工将面临很大困难。直径3 m多的昆明上公山引水隧道展布于普渡河背斜东翼,岩石掘进机在4 km 340 m～439 m近100 m长洞段砂泥质板岩中施工遇缓倾逆断层,发生数次卡机事故。开挖旁侧支洞时岩石掘进机后护盾出现严重挤压变形,现场对护盾进行了局部修护。结合复杂地质条件下软弱围岩矿物成分、力学强度及其构造控制作用,分析了旁挖导致护盾由近似两向转为单轴受压状态,提出了围岩蠕变发生条件和护盾变形破坏机理。采用人工扩挖旁洞、钢拱架支撑和超前导洞等工程处理措施收到一定成效。为尽可能避开前面地质条件复杂段,从该段开始隧道线路进行了调直。已有数个工程教训促使对岩石掘进机的适用条件进行认真反思。     

Prediction of TBM jamming risk in squeezing grounds using Bayesian and artificial neural networks

This study presents an application of artificial neural network(ANN) and Bayesian network(BN) for evaluation of jamming risk of the shielded tunnel boring machines(TBMs) in adverse ground conditions such as squeezing grounds.The analysis is based on database of tunneling cases by numerical modeling to evaluate the ground convergence and possibility of machine entrapment.The results of initial numerical analysis were verified in comparison with some case studies.A dataset was established by performing additional numerical modeling of various scenarios based on variation of the most critical parameters affecting shield jamming.This includes compressive strength and deformation modulus of rock mass,tunnel radius,shield length,shield thickness,in situ stresses,depth of over-excavation,and skin friction between shield and rock.Using the dataset,an ANN was trained to predict the contact pressures from a series of ground properties and machine parameters.Furthermore,the continuous and discretized BNs were used to analyze the risk of shield jamming.The results of these two different BN methods are compared to the field observations and summarized in this paper.The developed risk models can estimate the required thrust force in both cases.The BN models can also be used in the cases with incomplete geological and geomechanical properties.     

巷道/隧道围岩非线性流变数学力学模型及其初步应用

研制了三轴巷道／隧道围岩流变试验台，并进行了多年的试验观测。从岩石长期强度的衰减特征和岩石的应变能守恒原则出发，建立了非弹塑粘性元件组合模型的岩石非线性流变数学力学模型，在此基础上建立了巷道／隧道围岩非线性流变数学力学模型。应用线性莫尔强度理论将单轴应力极限转换为三轴应力极限，从而由所测的单轴全应力一应变曲线参数来求围岩三轴应变。依据该模型计算的巷道围岩流变值与试验值拟合较好，该模型在预测巷道破坏圈方面得到初步的成功应用。     

盾构隧道开挖面极限支护压力研究

针对盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力,通过理论计算与现场实测的对比分析,提出了不同地层隧道上覆土压力的计算原则,将条分法的思想引入盾构开挖面的稳定性分析,导出了开挖面稳定的极限状态方程,据此可求得盾构隧道开挖面稳定的极限支护压力。最后,结合具体的工程实践,将前述理论和方法应用于临界滑动面的搜索和极限支护压力的计算。上述研究成果对于指导盾构隧道的设计与施工具有重要的作用。     

隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数关系

隧道的超欠挖对衬砌结构稳定性影响比较大,研究超欠挖规律,对于掌握围岩受力,保证施工安全,具有较为深远的意义。根据小波分析的多尺度功能以及隧道断面轮廓超欠挖序列的统计自相似性特点,对白鹤隧道47个断面轮廓采用小波理论估算分形维数。结合现场调查的节理参数统计数据,分析隧道围岩断面轮廓分形维数与节理参数之间的关系。结果表明:分形维数越大,围岩稳定性越差;洞轴线与节理走向夹角越大,断面轮廓分形维数就越小;节理间距为0.25～0.40 m时,节理间距越大,分形维数越大;超挖百分比越大,分形维数越大。     

桃树垭隧道底鼓发生机理与防治技术研究

针对桃树垭隧道底鼓灾害,采用现场调查、地质勘察等手段对隧道底鼓的发生机理及主要影响因素进行分析,并运用连续介质力学原理对影响软岩隧道底鼓的主要因素（底板岩层压曲、膨胀和流变）引起的底鼓量计算理论进行推导。通过与现场监测值进行对比,该理论研究成果能够较好的预测隧道底鼓量,为该隧道后续洞施工时底鼓量预测和底鼓处理方案提供理论依据。此外,针对软岩隧道底鼓的特点,提出了相应的防治措施,为类似工程建设提供参考。     

三维边界元在地下洞群围岩变形与稳定分析中的应用

本文应用边界元静动力分析程序包BESDAP对某大型水利工程地下洞群的围岩变形与稳定进行了计算分析。针对边界元法在大型工程应用中的一些共同的特点与要求,对若干重要的计算技术问题作了有效的处理。计算成果给出了各洞室之间的相互影响、各洞室的孔边位移、应力以及洞周的剪切破坏区。整个计算过程与最终成果均表明边界元法的各种优点在地下洞群围岩分析中表现得特别显著。     

超载作用下软土盾构隧道横向变形机理及控制指标研究

隧道横向变形直接关系到结构安全,首先采用数值模拟方法研究了地面压载、土体侧向压力系数和土体抗力系数对隧道横向变形发展的影响,研究了隧道横向变形随压载的变化发展规律,建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系,提出了以隧道直径变化作为隧道横向结构性态发展的判定指标;根据隧道横向变形发展规律,利用隧道结构变形发展过程中的结构几何特征,建立了隧道变形量发展的几何简易分析方法,利用该方法直接测量隧道直径变化就可以判定隧道变形状态,为隧道结构安全评价提供了十分简单有效的手段。     

锚杆与围岩共同作用的围岩特性曲线修正分析

基于收敛约束法原理,推导了考虑锚杆与围岩共同作用的圆形隧道围岩特性曲线弹性响应函数。并与数值模拟方法获得的不同锚杆布置情况下的围岩特性曲线进行比较,验证了解析方法的合理性。考虑锚杆支护与围岩共同作用后的围岩收敛特性曲线与原始围岩有较大区别,并与原始围岩刚度以及锚杆布置密度密切相关。根据解析结果与数值计算结果的进一步对比分析,对推导的解析函数进行了修正。修正后的解析公式,能反映锚杆布置密度对围岩特性曲线的影响。特别对于软岩隧道(V级围岩),在不同锚杆支护密度范围内,等效围岩刚度能够大致提高15%~35%,考虑锚杆与围岩共同作用对围岩刚度的影响不可忽略。本文提出的修正收敛特征曲线对指导隧道设计施工有一定的理论与工程意义。     

层状围岩中管片衬砌受力特征的模型试验研究

深部层状围岩结构强度具有各向异性特点,此类地层中修建盾构隧道,管片衬砌易受偏压作用,对结构安全构成挑战。开展层状围岩与盾构管片衬砌相互作用关系的相似模型试验研究,研究不同层理倾角下管片衬砌壁后围岩压力、管片衬砌内力和变形分布规律。研究结构表明:管片衬砌受力和变形特征受层理面控制明显,管片衬砌受力极不均匀,弯矩、轴力和变形呈现非对称分布;管片衬砌壁后围岩压力最大值集中在强度最弱的层理面法线方向,该方向上管片衬砌的弯矩最大,轴力最小,变形最大;层理倾角对管片衬砌的受力和变形影响显著,层理倾角不仅影响管片衬砌壁后围岩压力分布形状还影响其量值大小;均质地层中,管片衬砌裂缝主要出在封顶块接头处和其他环向接头处,层状地层中管片衬砌裂缝出现位置受接头位置影响减弱,而受层理倾角影响明显,管片衬砌裂缝出现位置主要集中在层理面法向。研究结果对层状围岩中修建盾构隧道的支护结构型式设计具有一定参考价值。