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原文传递双护盾TBM开挖深埋隧洞围岩稳定性研究

论文题名：	双护盾TBM开挖深埋隧洞围岩稳定性研究
关键词：	水工隧洞;管片衬砌;围岩稳定性;地震监测;地质预报;隧洞围岩
摘要：	与钻爆施工法相比，TBM法对围岩产生的扰动较小，能充分保护围岩的自身强度，有效利用围岩的自稳能力，减轻隧洞支护结构的自重，节约工程材料，并能保证隧洞施工的安全、高效、优质和环保。TBM已经广泛应用于水利水电、公路铁路、矿山及国防等行业的地下工程建设之中。但如何确保TBM在有松散性围岩、挤压性围岩、地下水发育、高地应力等复杂地质条件下的深埋长大隧洞中仍然能安全、连续、高效的施工，这是TBM施工中很关键且无法回避的现实问题，也是TBM隧洞围岩稳定性研究的热点与难点问题之一。采用微地震技术对施工中的大型水工隧洞围岩稳定性进行动态监测，试验结果表明，岩体微破裂时序特征与空间分布特性都清楚地显示出在导流洞、交通洞及勘探洞的交界区域因强应力集中而导致的岩体破裂，并发现岩体破裂程度会随着施工结束及时间推移而减小，以此推断出该交界区域岩体内应力被逐渐释放而趋于稳定的状态。与此同时还在导流洞内已有的顶板冒落区附近监测到较强的微地震事件，这些事件的时空分布有助于进一步分析该顶板动态演化的发展趋势。在此基础上，建立了以微地震事件频数与时间关系曲线的二阶导数来推测围岩稳定状态的方法，给出了微地震事件频率与传播距离的理论计算公式，提出了以微地震的空间分布、时间分布、能级变化与尺度效应等指标的综合值来判断围岩稳定的方法，并初步给出了I、II、III、IV等四个级标准，为探索TBM隧洞地质微地震超前预报新方法的建立指明了方向。根据弹性力学理论及Hoek-Brown强度准则，研究了TBM开挖深埋隧洞围岩的变形特征及其力学效应问题，提出了围岩支护压力折减量的新概念，给出了围岩塑性区半径、洞壁周边位移、最大支护压力等理论计算公式，并将理论计算结果与相关现场实测数据进行了分析对比，证实了理论计算公式的可靠性。在此基础上，讨论了TBM滚刀推力与岩石单轴抗压强度、岩体类型、岩体完整性等因素的关系，得出了以滚刀推力表示的洞壁位移方程，由此建立了TBM开挖与围岩性质的内在联系，对TBM施工有一定的实际指导意义。在具体分析深埋隧洞条件下松散性、挤压性围岩影响双护盾TBM施工的基础上，分别研究了聚氨酯化学灌浆的工艺流程、化学灌浆固结松散性围岩前后的数值计算模型、挤压性地层埋深与双护盾TBM卡机的关系以及挤压性围岩的数值计算模型。提出了化学灌浆固结松散性围岩合理厚度的计算方法，确定了减压支洞与主隧洞之间洞壁厚度的最佳值，从而改变了目前施工中多以经验方式确定灌浆厚度和洞壁厚度的局面，为指导双护盾TBM快速穿过不良地质地段有重要的现实意义。按支护衬砌方式的不同将双护盾TBM隧洞围岩支护分为钢体护盾支护段和管片衬砌段。在钢体护盾支护段，研究了护盾与围岩间摩擦阻力的计算方法，讨论了影响摩擦阻力大小的因素，并根据Hoek-Brown强度准则，计算了围岩在理想的弹性与塑性条件下钢体护盾所承受的围岩压力大小，解释了允许双护盾TBM有一定超挖的重要意义。在管片衬砌段，建立了四边形管片衬砌结构的梁——弹簧计算模型，研究了三种典型围岩条件下四边形管片衬砌结构的内力分布规律：将六边形管片——灌浆砼层——围岩作为三位一体结构系统，建立了相应的数值计算模型，并对一个工程实例进行了数值模拟计算，结果表明该管片的强度富裕程度为31％，说明管片的设计是过于安全，有待作进一步的优化设计。最后，应用损伤力学的基本原理，研究了灌浆砼层在受压条件下微裂纹服从Weibull分布的损伤演化方程，讨论了方程中的两个参数F0和m的具体含义。建立了以损伤效应为基础的灌浆砼层数值计算模型，发现灌浆砼层最大主应力的理论计算值与实际测试值是相符合的，研究成果对指导灌浆砼层的设计与施工有一定的实际意义。
作者：	苏华友
专业：	岩土工程
导师：	张继春
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文