输水隧洞软岩段TBM掘进挤压大变形与支护受力分析

隧洞软岩大变形严重威胁到 TBM 安全运行,软弱围岩的变形具有明显的蠕变特性。针对某深埋输水隧洞软岩TBM掘进洞段的围岩变形和支护结构安全展开分析和评价,研究高应力条件下软岩的蠕变特性,比较不同支护方式管片结构的受力状态。研究表明:软岩洞段TBM掘进采取大断面扩挖和管片+豆砾石层+聚乙烯泡沫板缓冲层支护,缓冲层的施加明显改善管片的受力状态,有效地提高了管片结构的安全裕度。建议在类似的深埋软岩隧洞工程中,开展有针对性的岩体流变试验和变形监测,选取合适扩挖断面尺寸和支护方式,给围岩变形预留足够空间,为TBM的顺利掘进提供可靠的作业条件。研究成果为保障隧洞顺利掘进提供了技术支持,也可为其他同类超长深埋隧洞的修建提供参考。     

基于变形监测的软岩隧道有限元反演分析研究

软岩隧道施工过程中需要对围岩进行及时有效的加固,以免变形过大威胁工程的安全性。依托天井山隧道工程,采用非接触位移测量监测围岩变形稳定性。为了更好地描述软岩的蠕变特性,结合位移监测数据以及有限元参数反演方法得到软岩蠕变参数,并以此分析开挖断面围岩的稳定性情况。得到以下结果:根据现场实际监测数据,隧道围岩的变形呈收敛趋势,但两侧变形并不对称;采用有限元反演方法得到的参数能较好地反应围岩开挖后位移变化的规律,其变化规律与实测数据一致;隧洞稳定性分析结果表明,现有支护措施下围岩流变塑性区范围将持续增长,最终会导致初砌破坏达不到支撑效果,需要采取进一步的加固措施。     

滇中引水工程香炉山隧洞TBM开挖围岩卸荷响应特征

针对滇中引水工程香炉山隧洞TBM掘进洞段地质条件复杂、施工技术难度大等特点,采用现场监测和三维数值仿真2种手段,对典型洞段围岩开挖卸荷响应特征进行了分析。通过对TBM掘进洞段围岩变形和钢拱架受力监测数据分析可知,围岩类别和隧洞埋深均是影响围岩变形量值和收敛时间的重要因素,TBM上的撑靴结构对钢拱架受力影响显著。根据香炉山隧洞敞开式TBM施工特点,提出了敞开式TBM开挖施工的仿真模拟技术,获得了典型断面围岩变形及支护结构受力随掌子面推进的变化规律,可为TBM洞段支护设计优化及掘进过程中卡机问题的预测和判断提供参考。     

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明：(1)该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;(2)在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;(3)岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;(4)预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。     

高磨蚀性硬岩地段敞开式TBM掘进参数优化和适应性研究

通过论述敞开式TBM的施工特点,结合敞开式TBM在引汉济渭工程秦岭隧洞高磨蚀性硬岩地段施工的具体情况,详细陈述敞开式TBM在隧洞掘进过程中遇到的典型问题及现场采取的施工措施,对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中掘进速度的影响因素和敞开式TBM适应能力进行分析。结果表明,在高磨蚀性硬岩地段,TBM掘进参数拟定宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的"两高两低"模式。研究成果为引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程后续掘进施工提供了掘进施工依据,且对实现TBM快速掘进提出了具体建议。     

敞开式TBM对软弱围岩的掘进方法

敞开式TBM在软弱围岩洞段开挖施工时,适应能力稍差。辽宁省大伙房水库输水工程TBM3施工段在施工过程中,通过利用机上辅助作业设备进行支设钢拱架、挂钢筋、喷混凝土等支护方法加固围岩,加强TBM在特殊情况下的操作方法应对,适当调整TBM的掘进参数,使TBM顺利通过了多处不良地质洞段,为类似工程施工积累了一些经验。     

引洮总干渠7~#洞上第三系极软岩隧洞围岩工程地质问题及TBM适应性评价

引洮一期总干渠7#洞布置于白垩系、上第三系红色层中,属软岩、极软岩深埋长隧洞,其中上第三系极软岩洞段长14.7 km,占洞长的85.6%。上第三系围岩工程地质性质差,特别含水的疏松砂岩在地下水作用下,工程地质问题尤为突出。工程隧洞采用TBM施工,TBM施工中在疏松砂岩中多次受困,出现了埋机、栽头等施工事故与问题。通过对引洮总干渠7#洞上第三系围岩工程地质特性的分析与研究,结合TBM在该围岩掘进中出现的问题,浅谈上第三系极软岩隧洞围岩稳定性分析及TBM在该地层适应性。     

基于数量化理论I的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明：在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

CCS水电站输水隧洞工程地质条件分析与处理

为保证CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工正常进行,开展了围岩分类与稳定性评价及隧洞超前地质预报,研究了施工方法,提出了施工技术建议。在双护盾TBM施工过程中,可见的围岩范围较小,无法进行地质素描,根据双护盾TBM施工的技术特点,选择了隧洞掌子面及洞壁小范围的围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等多种方法获取围岩地质信息,从而对围岩进行分类和稳定性评价。选择了隧洞宏观地质条件分析、施工过程地质条件分析、以地震法和电法为主的物探方法、掌子面超前水平钻探等综合方法对掌子面前方围岩进行探测和预报,根据预报结果有针对性地采取处理措施。针对TBM施工过程中出现的涌水、砂岩砂化、断层破碎带等不良地质条件,建议施工单位采取了超前地质预报及调整掘进参数、堵水、超前灌浆加固围岩等施工方法和技术,TBM顺利通过了不良地质段。     

基于数量化理论Ⅰ的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明:在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

中国首台单护盾TBM设备优化改造研究

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7号隧洞围岩主要由上第三系Ⅴ类软-极软岩组成,采用单护盾TBM开挖掘进施工,针对围岩特性、设备运行状况与功能缺陷,以及遇到的各类问题,对设备主机机头刀盘及盾体进行了全面优化技术改造,并重点对盾体前伸护盾结构进行了三维有限元分析。施工实践表明:设备优化技术改造获得成功,技术性能得到全面提升,有效提升了施工效率、质量及安全,取得平均月成洞进尺1 094.0 m的优异成绩,创造了中国首台单护盾TBM在含水疏松粉细砂极软岩地层中的开挖掘进施工记录。可为各类盾构机的设计制造和工程运用提供良好借鉴。     

洛宁抽水蓄能电站引水斜井TBM施工关键技术研究

通过分析河南洛宁抽水蓄能电站工程特点及相关地质条件,梳理得到了引水斜井采用TBM施工的关键技术问题,研究提出了洛宁抽水蓄能电站引水斜井应用TBM的布置方案.综合考虑隧洞功能要求、支护及衬砌厚度、围岩变形量等因素,将引水斜井开挖直径确定为7.2 m,在高水头的抽水蓄能电站推广适用性较好.综合考虑TBM施工方法对围岩分类评...     

不同埋深对某水电站隧洞围岩流变稳定性影响

在高埋深下进行隧洞的开挖意味着将克服巨大的构造应力与自重应力,而在进行洞室开挖设计中地应力作用也是不容忽视的。因此,基于卸荷岩体理论和流变理论,依托室内流变试验进行了相关流变参数的反演,结合有限元分析软件ANSYS以及有限差分软件FLAC对比分析了不同埋深下隧洞围岩在加衬砌前后的蠕变变形量、塑性区等。结果表明:随着埋深的增加,隧洞周围的卸荷作用会越来越明显;洞室的开挖卸荷及洞侧围岩的共同作用,使得隧洞在埋深由浅及深的过程中经历了从“压力拱”的出现到消失的过程;当埋深增加时隧洞的水平向位移越来越大,洞侧变形将成为影响隧洞稳定的一个主要控制因素。     

乐滩水库引水灌区窑瓦-六浪隧洞TBM施工段工程地质勘察与研究

通过对乐滩水库引水灌区工程区域地质发育史、地层岩性、地形地貌、地质构造、水文地质条件、岩溶水动力条件、勘探试验资料、隧洞开挖涌水量预测、TBM施工隧洞围岩分类等进行了全面系统的分析评价,得出了陈村-北四段属浅埋隧洞,绝大部分洞段岩溶不发育,北四-六浪段隧洞埋深一般150-300 m,绝大部分洞段位于地下分水岭之下,地下水位季节变化带埋深约70 m左右,隧洞围岩岩溶一般为弱发育-不发育,仅局部洞段岩溶较发育的结论。因此,只要对局部岩溶发育段做好超前地质预报,发现溶洞及时处理,采用TBM施工是可行的。     

深埋隧洞施工期围岩变形与应力分析及稳定性评价

通过现场原位多种监测仪器的预埋对大直径TBM法和钻爆法开挖的洞段进行监测,综合分析围岩变形及应力监测成果,深入剖析深埋脆性大理岩在开挖过程中围岩变形及应力调整的特征,把握TBM法和钻爆法两种不同施工方法在不同围岩类别条件下引起的围岩松弛深度及围岩破坏特性,对进一步了解深埋脆性大理岩的物理特性和洞室开挖围岩响应规律具有重要意义。     

水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类研究

隧洞掘进机TBM已逐渐成为水工深埋长隧洞的常规施工方法,而现行规范的围岩分类主要以隧洞围岩稳定性和支护措施为判别因素,仅适用于钻爆法隧洞。为此,梳理国内外不同工程的围岩分类指标体系和TBM施工特点,在隧洞围岩基本分类的基础上,重点分析了TBM掘进效率和不良地质条件,构建了TBM施工适宜性围岩分类方法。总结大量工程案例,综合权衡超硬岩、岩爆、断层破碎带、大变形、突涌水(涌泥)和高外水压力六个关键因素对TBM施工的定量影响,提出了可量化围岩分类指标。工程应用表明,TBM施工适宜性围岩分类方法可依据工程地质资料快捷完成围岩分类,能有效指导TBM隧洞施工,且具有较好的通用性和易用性。     

深埋长输水隧洞TBM卡机事故分析及处理措施

引红济石隧洞工程中采用双护盾TBM掘进，因遭遇断层、岩体破碎带、软弱围岩共同作用造成多次、重复卡机事故。从卡机处岩性、地质构造、地下水、隧道开挖与软弱围岩挤压变形等方面，系统分析了卡机原因；并针对卡机事故的一般规律，提出了两套卡机脱困的解决方案。工程实践表明，所提方案不仅可较理想地解决卡机事故，同时还可为TBM在围岩坍塌地段的施工提供宝贵经验。     

不同施工方法下锦屏大理岩隧洞松弛范围及微观破裂方式

TBM(Tunnel Boring Machine全断面隧道掘进机)法和钻爆法是地下工程开挖的2种主要方法,不同施工方法导致围岩的扰动程度、变形破坏、自稳性、加固措施均不相同,要准确把握这些宏观特征,必须从微观上分析岩石的力学特征。以最大埋深2 525 m的锦屏二级水电站引水隧洞为研究对象,对不同开挖条件下的大理岩进行了电镜扫描测试、松弛深度检测,分析不同开挖条件下岩石的破坏方式和松弛范围。试验结果表明:在岩石破坏断面形貌上,TBM开挖条件下的岩石断口多为沿晶面擦花和切晶擦花,破坏机理以剪切为主,而钻爆法以拉断破坏为主;在松弛深度方面,钻爆法开挖下的围岩松弛深度大于TBM开挖下的围岩松弛深度40～100 cm。以上试验成果为相似地质条件下的岩石破坏机理和加固措施提供借鉴。     

第三系泥岩隧洞围岩大变形成因及应对措施

围岩大变形是软岩隧洞建设中危及隧洞施工及长期安全的重大工程灾害之一。结合第三系泥岩隧洞出现的显著围岩大变形及支护结构破坏等现象的工程现场调查,通过开展围岩监测、室内试验及数值模拟等工作,获得了第三系泥岩隧洞围岩大变形的主要成因和发生机理。研究表明:触发该隧洞围岩大变形的主要因素是低岩石强度条件下隧洞开挖卸荷引起的塑性变形以及地下水对围岩的软化作用,围岩挤压膨胀变形和不同岩层间的非一致变形共同主导了支护结构的破坏;围岩大变形的发生机理主要体现在第三系泥岩洞段横穿一条常年流水的冲沟,加之隧洞中部透水性良好的砂砾岩层,使得隧洞开挖后围岩含水率显著增加,第三系泥岩遇水泥化、软化,强度显著降低并呈现出一定的膨胀性,最终促使围岩产生显著的大变形。在此认识的基础上,提出了提高钢拱架型号、增强钢拱架之间的纵向连接、增设底拱外八字锁脚锚管、施加初期支护与二次衬砌之间的聚乙烯缓释消能层等应对措施,实施后的现场监测结果表明,所提出的控制措施有效解决了第三系泥岩洞段开挖过程中的软岩大变形难题。