TBM深埋软岩隧洞围岩变形及衬砌结构研究
TBM隧道围岩压力及受力特征研究
文章编号：1009-4539(2020)11-0010-04•科技研呢•TBM隧道围岩压力及受力特征研究张彪(中铁二十三局集团有限公司四川成都610072)摘要：以某隧道TBM掘进段为工程依托，采用现场试验曲方法，对深埋大断面TBM隧道围岩扰动区、围岩压力分布范围、支护结构受力特征等展开研究。
研究结果表明：围岩参数相同时,TBM隧道围岩扰动区比传统钻爆法隧道减少30%左右；围岩压力以形变压力为主，建议在围岩稳定范围内充分利用围岩的自承能力，延后TBM隧道初期支护时间；初期支护各部位的安全系数均大于2.0,能够满足施工期间的承载能力要求，但拱顶、拱腰及边墙安全系数较低，不宜长期作为主要受力结构，建议提前施作二次衬砌，提高支护结构体系的安全储备;二次衬砌与初期支护共同承受围岩荷载,且有一定的安全储备，验证了支护参数的合理性。
研究成果为TOM隧道支护结构参数设计提供理论依据。
关键词：TBM扰动区围岩压力支护参数现场试验中图分类号：U451文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1009-4539.2020.11.003Study on Surrounding Rock Pressure and Mechanical Characteristics of TBM TunnelZHANG Biao(China Railway23rd Bureau Group Co.Ltd.,Chengdu Sichuan610072,China)Abstract:A field test is carried out to study the disturbed zone and pressure distribution of surrounding rock,and mechanical characteristics of support structure based on TBM excavation section of a tunnel.Test results show that comparing with the traditional drilling and blasting method,the disturbed zone of suiTounding rock of TBM tunnel is reduced by about30% with the same sunounding rock parameters；surrounding rock pressure is mainly based on deformation pressure,it is recommended to fully mobilize the self-supporting ability of surrounding rock in the stability of surrounding rock,and delay the initial support of TBM tunnel；the safety factor of initial support is more than2,which can meet the requirement of carrying capacity during construction,but the safety factor is low,and it is not suitable be used as the main force structure fora long time,it is recommended to apply the second lining in advance to improve the safety reserve of the supporting structuresystem；the second lining and initial support bear the load of surrounding rock,and there is a certain security reserve,the rationality of supporting parameters has verified.The research results provide theoretical basis for the parameter design of TBM tunnel support structure.Key words:TBM；disturbed zone；surrounding rock pressure；support parameter；in situ experiment1引言目前，国内外学者对围岩扰动区域、围岩压力分布规律及支护结构施工力学行为等研究主要集中在传统钻爆法开挖的隧道，如：李鹏飞等⑴基于现场实测数据，对隧道围岩压力的时程变化规律及其与围岩级别、隧道埋深的关系进行了讨论；张俊收稿日期：2020-08-10基金项目：中国铁建股份有限公司科技研发计划项目（17-C23）作者简介：张彪（1990-），男，河北邢台人，工程师，博士，主要从事隧道工程方面的研究工作；E-mail：****************儒等⑵通过室内模型试验的方法，得到了不等跨连拱隧道围岩压力分布模式及隧道结构受力特征；陈志敏⑶结合现场实测，并通过拓展分析，获得了高地应力软岩隧道围岩压力计算方法和围岩与支护结构相互作用机制；龚建伍等⑷结合小净距隧道的特点,对浅埋小净距隧道的围岩压力进行理论推导，得到了考虑隧道双洞先后施工过程的围岩压力分析模型和计算方法;刘学增等⑸通过对围岩压力监测数据的统计分析，得到了山岭隧道垂直围岩压力与开挖跨度、埋深、围岩级别的关系。
软岩大变形研究现状
隧道围岩大变形阶段报告1．概述深埋隧道通过软岩和断层带时,在高的地应力和富水条件下通常产生大变形.这种隧道围岩变形量大,而且位移速度也很大,一般可以达到数十厘米到数米,如果不支护或支护不当,收敛的最终趋势是隧道将被完全封死,如果发生在永久衬砌构筑以前,往往表现为初期支护严重破裂、扭曲,挤出面侵入限界.这种大变形危害巨大,严重影响施工工期或者线路正常运营,而且整治费用高昂.在国内外相继出现了大量的隧道围岩大变形工程实例,并且在治理这些问题中取得了很多经验.日本的岩手隧道,长25.8km,采用新奥法施工.地质条件为凝灰岩与泥岩互层,单轴抗压强度为2~6MPa.施工中净空位移和拱顶沉降都是很大的,上断面的净空位移100~400mm,最大到411mm；下断面的净空位移最大为200mm,拱顶下沉为10~100mm.日本惠那山隧道,长8.635km,围岩以花岗岩为主,其中断层破碎带较多,局部为粘土,岩体节理发育、破碎,岩石的抗压强度为 1.7~3.0MPa,隧道埋深为400~450m,原始地应力为10~11MPa.施工时产生了大变形,在地质最差的地段,拱顶下沉达到930mm,边墙收敛达到1120mm,有600cm2面积的喷射混凝土侵入模筑混凝土净空.最后采用9.0m和13.5m的长锚杆,并重新喷护20cm厚的钢纤维混凝土后,结构才得以基本稳定.陶恩隧道长6400m,开挖断面面积90-105m2,位于显著变质的岩带内,如片岩、千枚岩等,主要岩层为绢云母、千枚岩夹绿泥石,抗压强度,洞内无地下水活动,隧道埋深为600-1000m,原始地应力为16.0-27.0 MPa,侧压力系数近似为1.0,围岩强度比为.陶恩隧道采用台阶法施工,在设计时,由于对在挤压性围岩隧道施工缺乏经验,采用的初期支护参数较小,导致拱顶发生1.2m的位移.而后把锚杆改为6m,并初次采用纵向伸缩缝,缝宽20cm,间隔3m,支撑也是可缩的,并在隧道底部增加了隧底锚杆,喷射混凝土厚度保持25cm不变.上述补强措施对大变形起到了一定的控制作用,但已完成段,其洞壁已严重侵入二次衬砌净空,只能采取扩挖的办法处理,增加了施工的难度,同时又具有一定的危险性.此时的净空收敛大约是20-25cm.要再大时,要增打9m以上长度的锚杆.奥地利阿尔贝格隧道隧道长13980m,开挖断面面积90-103m2,岩石主要为千枚岩、片麻岩,局部为含糜棱岩的片岩、绿泥岩,岩石强度为1.2~1.9 MPa,隧道的埋深平均为350m,最大埋深为740m,原始地应力为13.0 MPa,围岩强度比为0.1~0.2.隧道采用自上而下的分布开挖法,先开挖弧形导坑,施作初期支护,然后再开挖台阶<分左、右两次分别进行>,最后检底.由于阿尔贝格隧道是在陶恩隧道之后施工的,该隧道设计时的初期支护就比较强,喷射混凝土厚20~25cm,锚杆长6.0m,同时安设了可缩刚架.但是由于岩层产状不利,锚杆的长度仍不够,施工中支护产生了很大变形,拱顶下沉量达到15~35cm,最大水平收敛达70cm,变形速度达11.5cm/d,后来采取将锚杆的长度增加到9.0~12.0m的办法,才是变形得到了控制,变形速度降为5.0cm/d,变形收敛时间为100~150d.家竹箐隧道隧道全长4990m.隧道位于盘关向斜东翼,属单斜构造,岩层产状N20°～35°E/18°～30°NW.由于距向斜轴部较远,故皱褶、断层不发育,只在隧道中部煤系地层中发育有一正断层F1,其破碎带宽15～20 m. 隧道横穿家竹箐煤田.隧道南段为玄武岩,北段为灰岩,北段为灰岩,中部3890 m为砂、泥岩与为钙质、泥质胶结的砂岩夹泥岩的煤系地层.隧道掘进进入分水岭之下的地层深部后,在接近最大埋深<404m>的煤系地层地段,由于高地应力的作用,锚喷支护相继发生严重变形.在一般地段,拱顶下沉为50-80cm,侧壁内移50-60cm,底部隆起50-80cm；在变形最严重地段,拱顶下沉达到240cm,底部隆起达到80-100cm,侧壁内移达到160cm.为整治病害具体措施如下:①设置特长锚杆加固地层；②改善隧道断面形状,加大边墙曲率；③采用先柔后刚、先放后抗的支护措施；④加大预留变形量；⑤提高二次衬砌的刚度；⑥加强仰拱.大变形得到迅速整治,衬砌施工后,结构完好,未出现任何开裂现象,经预埋的应力、应变计测试,有足够的安全储备.木寨岭隧道全长1710m,穿越地层围岩主要为二叠系炭质板岩夹砂岩与硅质砂板岩.存在的主要构造体系是山字型构造体系.属地应力集中区,隧道穿越区为沟谷侧,原始地应力难以释放.隧道主要地质为炭质板岩夹泥岩,局部泥化软弱,呈灰黑色,围岩层理呈褶皱状扭曲变形严重,大部分地段围岩较破碎,洞身渗涌水频繁,部分地段呈股流.隧道在高地应力大变形地段,严重处拱顶累计下沉达155cm.经研究主要采取的处理措施有：①开挖总体采用双侧壁法；②初期支护钢架与临时支撑采用I22型工字钢、自进式锚杆,超前支护小导管,拱脚两侧增设小导管锁脚.导坑开挖时预留变形；③修改原设计仰拱；④二次衬砌采用双层钢筋网,与仰拱预留钢筋焊接；⑤对需换拱段与开挖后变形较大的地段,除施作长的自进式锚杆外,再采用小导管进行双液注浆.2．发生围岩大变形的地质条件与隧道围岩大变形发生机理大变形目前还没有一个统一的定义,目前有的学者提出根据围岩变形是否超支护的预留变形量来定义大变形,即在隧道,如果初期支护发生了大于25 cm<单线隧道> 和50cm<双线隧道>的位移,则认为发生了大变形.姜云、李永林等将隧道围岩大变形定义为：隧道与地下工程围岩的一种具有累进性和明显时间效应的塑性变形破坏,它既区别于岩爆运动脆性破坏,又区别于围岩松动圈中受限于一定结构面控制的坍塌、滑动等破坏.同时将隧道围岩大变形分为受围岩岩性控制、受围岩结构构造控制和受人工采掘扰动影响三个大的类型.2.1大变形发生的地质条件发生大变形的隧道一般具有以下地质特征：〔1〕隧道围岩条件.发生大变形的围岩主要有：①显著变质的岩类,如片岩、千枚岩等；②膨胀性凝灰岩；③软质粘土层和强风化的凝灰岩；④凝灰岩和泥岩分互层；⑤泥岩破碎带和矿化变质粘土等.这类围岩的凝聚强度c值较低,内摩擦角 值很小,单轴抗压强度较低.〔2〕隧道处于高应力区,且大变形地段的隧道一般埋深在100m以上.〔3〕隧道围岩的天然含水量大.2.2隧道围岩大变形发生的机理人们通常把大变形机制分为两大类：〔1〕大变形的原因之一,是开挖形成的应力重分布超过围岩强度而发生塑性变化.如果发生缓慢就属于挤出〔如果是立刻发生就属于岩爆〕.〔2〕大变形的原因之二,是岩石中的某些矿物成分和水反应而发生膨胀.发生膨胀变形的围岩在开挖时一般有较高的强度,变形主要发生在隧道运营过程中,一般表现为底部鼓起,而隧道顶部和边墙保持较好的工作状态.在隧道通过炭质板岩和断层带时,引起大变形的原因主要为第一条.同时国内外学者也认为,软岩隧道的大变形可以描述为一种以挤出为主、膨胀为辅的水-力耦合过程.而对于第一条原因目前国内外学者认为围岩挤出是开挖引起的应力重分布超过岩体强度时屈服的结果,并且通过一些列的研究将围岩挤出的力学机制分为以下三大类：〔1〕完全剪切的破坏〔如图1a〕.在连续的塑性岩体与含有大开裂度裂隙的非连续岩体中会发生这种破坏.〔2〕弯曲破坏〔如图1b〕.一般发生在千枚岩与云母片岩等变质岩或泥岩、油页岩、泥质砂岩与蒸发岩等薄层状塑性沉积岩中.〔3〕剪切和滑动破坏〔如图1c〕.发生于相对厚层的沉积岩中,包括沿层面的滑动和完整岩石的剪切两种破坏形式.〔a 〕完全剪切的破坏 〔b 〕弯曲破坏 〔c 〕剪切和滑动破坏图1 挤出性围岩隧道失稳形式分类3．大变形的预测研究现状隧道的大变形给隧道施工和运营造成了很大的困难,国内外学者对隧道大变形的预测进行了大量的研究.目前在预测隧道变形的方法中具有代表性的有C&C 法,这种方法由Egger 〔1973〕、Kastner 〔1974〕和Hoek 、Brown 〔1980〕提出,并逐步完善.这种方法基于以下假设：〔1〕圆形隧道；〔2〕课题可以概化为二维平面应变问题；〔3〕均质各向同性介质；〔4〕弹-塑性材料；〔5〕现场地应力属于静水压力场；〔6〕均匀的径向支护压力.其计算公式如下：〔1〕弹性状态下的围岩位移〔i u 〕011()i i u P P r μκ+=-〔1〕 其中,μ、κ分别为岩石的泊松比和杨氏模量；0P 、1P 分别为地静压力和支护压力；i r 为隧道半径.〔2〕塑性状态下的位移〔j u 〕Hoek-Brown 方法：1j j u r ⎡=-⎢⎣ 〔2〕 式中当e j r r <,2ln e j r R D r ⎡⎤=⋅⎢⎥⎢⎥⎣⎦；e jr r >, 1.1R D = 式中,r m 、r s 为破碎岩石的常数；e r 、e u 、re σ分别为弹性和塑性边界处的半径、位移和径向应力.此外还有Egger 和Kastner 也提出了相应的塑性状态向的围岩位移预测方法.4．大变形的一般治理措施根据国内外的施工经验,对大变形的治理措施归纳如下：〔1〕加强稳定掌子面的辅助措施① 正面喷混凝土和打锚杆；② 打超前锚杆或钢筋.〔2〕加强基脚的措施,这是基本的,即首先要把底鼓和侧壁的挤入控制住,包括：① 向底部地层注浆加固；②向两侧打底部锚杆；③支撑加底部与加劲肋；④设底部横撑或临时仰拱.〔3〕防止断面挤入的措施①增打加长锚杆,主要在两侧,锚杆长度一定要深入到围岩塑性区一定X围才有效果；②设底部横撑,打底部锚杆,修筑仰拱,这是极为重要的工程措施；③缩短台阶长度,与早闭合；④下半断面、仰拱同时施工；⑤设纵向伸缩缝,采用可缩性支撑〔4〕防止衬砌开裂的措施①采用湿喷钢纤维混凝土；②设加强钢筋；③设纵向伸缩缝.〔5〕设立日常量测管理体制与管理基准①监测初期位移速度；②最终位移值的预测；③建立控制基准值；〔6〕加强施工地质预报①预测和预报掌子面前方的地质状态；②建立地质数据库,与时反馈；③各种岩类的特性试验数据的测试.这些措施是综合的,是相互补充的,应视具体情况采用.这些措施也是一般性的,当条件变化很大时,还要采用一些特殊的辅助施工措施,如注浆加固,改良岩体等措施.5．郎洞断层束破碎带地质概况5.1二郎洞断裂带〔F3〕该断层位于二郎洞附近,西起阿尔扎沟以西,向南经果可沟沟脑、二郎洞、肯德隆沟、茶卡北山以北,延伸长度约130km.该断裂是北侧南祁连海西期地槽和南侧南秦岭印支期地槽的分界断层,沿断裂带岩浆活动强烈,断层两侧岩层破碎,沿断裂有一系列与之近于平行的断裂,共同组成断层束,断层两侧岩层产状较乱,多拖拉现象和挠曲.地貌上主要表现为一系列断层谷地、垭口和洼陷地带,航、卫片上线性影像明显.断层形成于华力西期,在印支期以来仍有活动.断层产状：N40°～70°W/40°～80°N,属逆断层,主断层破碎带宽100～500m,断层西段发生过6级地震,东段可见第四系中更新统地层中的断坎,未见第四系全新统地层错动,该断层在隧道通过附近主要表现为断层负地形,未见新活动迹象,属晚更新世活断层.隧于DK303+611～DK304+071,通过长度460 m ,由断层泥砾与碎裂岩组成,Ⅴ级-Ⅵ级围岩.由于该断裂为区域性深大断裂,断层规模大,并且未来还有发生中强地震的可能性,因此对工程影响较大.5.2围岩情况隧道在二郎洞断裂带附近,岩性主要为石炭系片岩、##岩、志留系变质砂岩夹板岩,受地质构造影响较严重,岩体节理、裂隙较发育.其中软岩占主体.5.3涌水情况该区地下水类型主要为基岩裂隙水、构造裂隙水,岩层富水性较差,为弱富水区.根据地表测流,本区地下水径流模数M=563.72 m3/d·km2,水化学类型属HCO3-Ca·Na型水,矿化度小于1g/L,地下水无侵蚀性.双线同时施工时参数常涌水量为3825.12m3/d,最大涌水量为7650.24m3/d.5.4地应力根据场址与邻近地区的震源机制解和区域水平运动与构造应变场特征,可以看出本区域构造应力场主压应力优势方位为北东向.根据实测结果,隧道部位最大主应力方向为N33°E～ N43°E,平均为N38°E,和隧道轴线〔线路走向N54°E〕的夹角为21°～11°,平均为16°.根据3个孔地应力的实测结果分析,最大水平主应力的最大值为22.04 MPa,DSZ-8孔最大水平主应力测值明显高于DSZ-1孔、DSZ-7孔,而DSZ-8孔位于f17断层附近〔F3断裂带内〕,说明,随着钻孔所处构造部位的不同,所反映的构造应力强度差异也较大,在断裂带附近存在应力集中现象.根据《工程岩体分级标准》〔GB50218—94〕、岩体物理力学参数与弹性力学公式,在3个孔共19个测段中,Rc/σmax<4的极高地应力占全部测段的15.8%,4<Rc/σmax<7高地应力占全部测点的10.5%,极高和高地应力占全部测点的26.1%.经综合分析,岭脊埋深较大的石炭系变质砂岩与片岩段可能存在高地应力问题.5.5结论根据2.1大变形发生的地质条件,并结合实测的地应力结果和隧道区工程地质、水文地质特征,软弱围岩〔主要指断层破碎带与一定影响X围内〕存在发生较大变形的可能. 6．关角隧道F3断层影响带大变形治理建议与注意事项结合中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究,引用其控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.6.1治理建议结合以往隧道围岩施工的成功经验建议如下措施：〔1〕措施一6．乌鞘岭隧道控制大变形经验与和关角隧道F3断层影响段比较6.1乌鞘岭隧道变形情况治理经验乌鞘岭隧道设计为两座单线隧道,隧道长20050m,隧道洞身最大埋深1100m左右.隧道所经过地层岩性复杂,分布主要受区域断裂构造控制.主要有第四系、第三系、白垩系、三叠系、志留系、奥陶系等,并伴有加里东晚期的侵入.隧道施工中,在辅助坑道和正洞均发生过较为严重的变形,在高地应力下隧道发生极其严重变形,出现支护裂损、钢架扭曲,净空侵限明显等现象.乌鞘岭隧道在穿越岭脊复杂地段时出现了软岩挤压大变形问题,尤其是F7断层带,变更设计前左线隧道最大拱顶下沉1053 mm<DK177+495>,平均下沉30~35 mm/d,一般在500~600 mm左右;左线隧道内轨上1. 5 m收敛值最大1034 mm<DK177+590>,一般为700mm左右,拱脚最大978mm,一般为300~700mm；右线隧道最大拱顶下沉227 mm<YDK177+610>,一般在100~200 mm左右；右线隧道内轨4m收敛值最大548 mm<YDK177+590>,一般为300~400 mm 左右.由于施工中发生严重变形,乌鞘岭隧道在大变形段均采用钻爆法施工、台阶法开挖,台阶长度4－5m,人工手持风钻上下台阶分部钻眼、装药、连线与同时进行光面微差控制爆破；立I20或H175钢拱架3榀/2m,拱部设φ42超前小导管,长度4m,环向间距25m,注水泥水玻璃双液浆,全断面喷射C20钢纤维砼,厚度25cm,径向采用φ42注浆锚管,间距0.8×0.8m,锚管长度拱部4m,边墙6m,梅花布置,拱墙设φ8钢筋网,网格间距25×25cm.循环进尺一般为1.4 m 或2.0m.通过以上措施控制了变形,顺利通过了大变形地段.乌鞘岭特长隧道位于兰新铁路##西至##南端增建第二线乌鞘岭越岭段,隧道长20050m,在施工过程中出现了软岩大变形,在工程人员的努力下,通过一系列的工程措施顺利的通过了大变形段,取得了较好的工程经验,现就对关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段的工程概况进行比较〔见表1〕表1 关角隧道F3断层附近和乌鞘岭隧道发生大变形段工程概况比较表从乌鞘岭隧道成功控制带变形的经验值得借鉴.乌鞘岭隧道隧道产生大变形除了地质因素以外,还有以下几点原因：①初期支护强度不足.由于F7断层的影响,本段围岩内富存高地应力.在隧道开挖后,强大的地应力将作用到初期支护上,若初期支护强度和刚度不足将无法抵抗强大的地应力作用,就会产生大变形.②施工工序间距太长.由于施工工序间距太长,未能与时形成封闭的支护体系,致使初期支护在无约束下产生无限制性的变形,最终必然出现大变形.因此,施工工序间距太长,未能与时封闭也是本段发生大变形的直接原因之一.③掌子面刚度不足.在隧道开挖过程中,掌子面前方的变形特性是围岩变形响应的真正原因,又由于本段为四条区域性大断层组成的宽大"挤压构造带〞,岩体的的高地应力强挤压作用非常明显,这就更加剧了掌子面的挤出, 若不采取合适的强化措施保证掌子面的稳定,就会导致前方围岩的变形响应.因此,掌子面刚度不足是隧道洞壁产生大变形的关键原因.中国中铁隧道集团通过对乌鞘岭隧道千枚岩大变形的研究得出以下控制大变形的快速施工指导思想：〔1〕开挖支护、仰拱作业区,上下断面与仰拱的各工序在时间和空间上优化组合,实现稳步有序作业,平行交叉作业.〔2〕分秒必抢,将围岩暴露时间和结构不利受力状态压缩至最短,使初期支护结构与早、快速封闭成环,从而有效控制变形.〔3〕超前支护、钻爆、锚杆、锚索、注浆、立拱等关键工序实行标准化作业.〔4〕石变我变,主动支护,步步为营,稳中求快.。
深埋隧洞节理密集带TBM掘进围岩破坏范围研究
收稿日期:2007-10-18作者简介:屈天祥,男,中铁隧道股份有限公司,高级工程师。
文章编号:1001-4179(2008)03-0016-03深埋隧洞节理密集带TBM 掘进围岩破坏范围研究屈天祥1倪锦初2孙金山3苏利军2,3卢文波3(1.中铁隧道股份有限公司,河南新乡453000; 2.长江水利委员会设计院,湖北武汉430010; 3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)摘要:针对 引大济湟 工程引水隧洞施工中遇到的节理密集带问题,采用有限元理论对双护盾TBM 支撑系统与围岩的相互作用以及支撑压力作用下围岩的破坏机理进行了研究。
计算表明,单组节理的走向与隧洞走向相一致时,随着节理倾角的变大,支撑荷载施加后节理张开区的面积有先增大后减小的趋势。
节理密度较大时,会增加支撑荷载对围岩的扰动程度,增加坍塌的危险。
随着地应力水平的提高,支撑荷载对节理围岩的扰动程度明显降低。
关 键 词:隧洞;节理;双护盾TBM;施工中图分类号:TV554 文献标识码:A由于国内交通、水利建设的需要,许多大埋深、长距离的隧道亟待修建,而钻爆法往往难以满足此类隧道修建的要求,因此多采用全断面岩石掘进机(TB M )修建。
引大济湟工程是青海省内一项跨流域大型调水工程,其中引水隧洞为骨干工程。
该引水隧洞长24.166k m,隧洞最大埋深1028m,平均埋深约480m,为高寒区深埋长隧洞。
鉴于该输水隧洞掘进路线长、工程地质条件复杂的情况,施工方采用定购的Wirth TB593E TS 型双护盾岩石掘进机进行施工,以适应复杂多变的施工环境。
双护盾TBM 掘进过程中可采用两种模式工作,即:单护盾和双护盾掘进模式。
一般情况下TBM 采用双护盾模式掘进,即依靠机身两侧的支撑靴向围岩施加的支撑压力提供TBM 掘进所需的推进力。
而在软弱地层中掘进时,由于围岩强度低,支撑靴可能会破坏洞壁围岩并发生打滑,还可能造成塌方、卡盾等事故的发生,此时则需采用单护盾模式掘进,通过辅助推进油缸支撑在管片上使TBM 向前掘进。
[建筑]TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究
![[建筑]TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究](https://img.taocdn.com/s3/m/5d8d18d1ba0d4a7302763a8d.png)
TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究章元爱，梅志荣，张军伟中铁西南科学研究院有限公司，成都市西月城街118号，610031摘要：TBM的设计制造关键词：TBM 围岩分级TBM的设计制造及使用效率(工作条件或称工作效率)与隧洞围岩的地质因素密切相关，这是国内外同行的共识。
TBM施工能否尽可能高地发挥其应有的作用，并达到安全、快速掘进的目标，主要取决于TBM的工作条件，即取决于TBM的工作对象——隧洞工程岩体(隧洞围岩)工程地质条件的好坏，人们对隧洞围岩和TBM开挖特性的认识，以及在此基础上所进行的与地质条件相适应的TBM配套机具的准备是否充分。
当今流行的隧洞围岩分级(或称分类)方法，大多数是针对隧洞围岩稳定性评价和支护设计而提出的，难以满足TBM施工条件下的隧洞施工需要已是不争的事实。
TBM施工条件下的隧洞围岩分级主要针对工程岩体的可掘进性，即根据围岩的主要地质因素与TBM工作效率的关系来划分。
因此，纯粹套用以评估围岩稳定性为主的隧洞围岩分级方法来进行TBM施工条件下的隧洞围岩等级划分显然是不恰当的。
目前，国内外尚未有一个公认的TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法，开展TBM施工条件下的隧洞围岩分级方法的研究无论是对隧洞围岩分级方法的进一步拓展，还是对指导以后的TBM隧洞工程施工，均将具有重要的科学技术价值和实用价值。
3.2.1 TBM工作条件（工作效率）与隧洞围岩地质因素间的关系在围岩稳定性等级划分的基础上，影响TBM工作条件的主要地质因素有4个：岩石的单轴抗压强度（Rc）、岩体的完整程度(裂隙化程度)、岩石的耐磨性和岩石的硬度。
根据这四个地质因素进行TBM施工条件下的隧洞围岩分级，符合TBM施工条件下隧洞围岩分级主要应针对工程岩体可掘进性的原则要求。
（1）岩石的单轴抗压强度（Rc）众所周知，TBM是利用岩石的抗拉强度和抗剪强度明显小于其抗压强度这一特征而设计的。
一般采用岩石的单轴抗压强度（Rc）来判断TBM工作条件下隧洞围岩开挖的难易程度。
关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究
环球市场施工技术/-155-关于TBM 施工隧洞围岩分类方法的研究敬 佳长江三峡勘测研究院有限公司摘要：近几年来，在我国隧道施工建设领域，掘进机的使用越来越广泛。
掘进机以其快速、优质、安全的施工特点受到建设单位和施工单位的青睐，但同时对围岩分类近一个世纪的研究过程中，诸多分类方法主要是为钻爆法施工条件下隧洞围岩稳定性等级的划分而提出的，难以满足目前TBM 施工隧洞的需要。
单纯套用以往以评价围岩稳定性为主的隧洞围岩分类方法对TBM 施工隧洞的围岩进行分类不尽合理。
通过预测模型和实例应用两方面分析、证明了该模型应用的可靠性，为同类工程掘进速度的合理预测和施工进度有效控制提供了理论依据。
关键词：TBM 施工；围岩分类；深埋隧洞许多煤矿巷道工程，为长距离、大直径引水巷洞，且深覆盖、地质条件复杂，传统的综掘机开采已然满足不了时代需求。
TBM 施工方法其无与伦比的速度优势，迅速成为巷道施工的首选。
由于目前国内TBM 巷道施工，缺乏科学、系统的管理经验作为指导，故应用TBM 施工也必然不是一帆风顺的。
1 某深埋引水隧洞简介工程区控制性工程为四条长引水隧洞，两条采用TBM 全断面掘进机施工，断面为圆形，洞径13m。
工程区最大埋深为2525m，多数洞段埋深大于1000m。
隧洞穿越的地层主要是中三叠统盐塘组第四段(T2y4)、第五段(T2y5)、第六段(T2y6)和白山组(T2b)地层，岩性主要为大理岩、泥质条带灰岩等。
该深埋隧洞围岩基本特征：(1)穿越的地层多属硬质岩，岩石饱和抗压强度50~120MPa。
(2)岩体结构以层状结构、块状结构为主，同时存在整体、镶嵌碎裂结构和碎裂结构等。
(3)随着埋深增加，最大主应力增大，但最大主应力与埋深不呈线性关系，其实测值为60MPa。
(4)已开挖洞段的高地应力破坏类型主要有岩爆、应力型坍塌和构造应力型坍塌。
2 TBM 双护盾掘进机施工隧洞围岩综合分类方法2.1 围岩与护盾(管片)之间的间隙分析研究管片在护盾内安装完成后，护盾前移，此时能观测到围岩与护盾之间的间隙，然后再由管片安装孔观测围岩与衬砌管片之间的间隙，利用间隙变化主要掌握围岩变形量及与时间效应关系，为了不影响施工，一般观测时间为一个掘进行程时间(或停机检修时观测)，通过统计，此工程泥岩、炭质泥岩变形量：顶拱范围一般为10.3~16.2cm，最大变形量大于26.5cm，侧拱一般为9.7~12.3cm，最大变形量大于17.0cm，其时间效应关系0.647~0.657cm/min；粉质泥岩变形量：顶拱范围一般为9.7~15.6cm，最大变形量大于26.5cm，侧拱一般为9.5~11.8cm，最大变形量大于17.0cm，其时间效应关系0.633~1.04cm/min；含绿泥石粉细砂岩在天然含水率状态下与粉质泥岩基本相同。
深埋TBM隧洞结构面对岩爆的作用机制研究
深埋TBM隧洞结构面对岩爆的作用机制研究
裴成元;姚志宾
【期刊名称】《吉林水利》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】通过分析某深埋TBM隧洞应变-结构面滑移型岩爆的地质条件及微震活动特征,揭示了结构面对岩爆的作用机制。
结果表明:结构面特征是决定岩爆作用机制的关键因素,不仅控制爆坑所在的边界和深度,其周围岩体也呈现明显的块状、片状特征;根据微震活动的时空演化特征可将该岩爆孕育过程划分为破裂萌生-结构面局部错动阶段、破裂缓慢孕育阶段、破裂快速孕育阶段、破裂贯通-结构面滑移阶段和破裂衰减阶段;应变-结构面滑移型岩爆的主要影响因素为岩体质量的变化和结构面的不利产状。
本文研究成果不仅揭示了深埋TBM隧洞结构面对岩爆的作用机制,还可为应变-结构面滑移型岩爆的监测、预警和控制提供参考。
【总页数】6页(P67-72)
【作者】裴成元;姚志宾
【作者单位】新疆额尔齐斯河投资开发(集团)有限公司;东北大学辽宁省深部工程与智能技术重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TV554
【相关文献】
1.超深埋隧洞TBM施工的岩爆研究
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5.深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析
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TBM施工隧洞溶洞处理相关技术探讨
第２２卷增Ｉ岩石力学与工程学报２２（增１）：２５１６～２５１９２００３年７月ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＪｕｌｙ，２００３ＴＢＭ施工隧洞溶洞处理相关技术探讨李文芳（山西省引黄工程管理局太原０３００１２）摘要在长隧洞施工中使用掘进机（简称ＴＢＭ）具有诸多优点，但在岩溶洞段，溶洞的处理是个十分棘手的问题，还没有较成熟的技术和经验，一般在掘进过程中先临时加固，待通过后再进行永久加固处理。
为此，介绍了引黄工程国际Ｉ，ＩＩ标段岩溶段的技术处理方法。
关键词隧道工程，ＴＢＭ，溶洞，技术分类号ＴＵ４５５，Ｐ６４２．２５文献标识码Ａ文章编号１０００－６９１５（２００３）增１－２５１６－０４ＲＥＳＥＡＲＣＨＯＮＴＢＭＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳＦＯＲＴＵＮＮＥＬＷＩＴＨＫＡＲＳＴＬｉＷｅｎｆａｎｇ（ＳｈａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔＢｕｒｅａ，Ｔａｉｙｕａｎ０３００１２Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＴＢＭｉｓｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｉｎｌｏｎｇｔｕｎｎｅｌｅｘｃａｖａｔｉｏｎｆｏｒｉｔｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．Ｕｎｆｏｒｔｕｎａｔｅｌｙ，ｔｈｅｒｅｗｅｒｅｎｏｍａｔｕｒｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｓｆｏｒｄｅａｌｉｎｇｗｉｔｈｋａｒｓｔｉｎｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ．Ｎｏｒｍａｌｌｙ，ｔｅｍｐｏｒａｒｉｌｙｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｉｓｍａｄｅｄｕｒｉｎｇｅｘｃａｖａｔｉｏｎ，ａｎｄｐｅｒｍａｎｅｎｔｓｕｐｐｏｒｔａｆｔｅｒｅｘｃａｖａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ・ｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄｆｏｒｄｅａｌｉｎｇｗｉｔｈｋａｒｓｔｉｎｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｂｉｄＩａｎｄＩＩｏｆＳｈａｎｘｉＹｅｌｌｏｗＲｉｖｅｒＤｉｖｅｒｓｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｔｕｎｎｅｌｉｎｇｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴＢＭ，ｋａｒｓｔ，ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ１前言在长隧洞施工中使用掘进机（简称ＴＢＭ）具有诸多优点，如作业人员少、掘进速度快、施工支洞少，成洞质量好、超欠挖量小、对围岩扰动小、掌子面粉尘少、作业环境好等，是世界上公认的快速开挖隧洞的机具【卜１２】。
深埋软岩隧道开挖及支护变形特征研究_张咪
第 ３５ 卷 第 １ 期
张 咪 等 ：深 埋 软 岩 隧 道 开 挖 及 支 护 变 形 特 征 研 究
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位所在隧洞横截面设为该数值模型典型横截面 Ｓ。 为直观地观察隧道周围岩体在开挖和支护后
的变化 情 况，故 在 横 截 面 Ｓ 布 置 Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ 四 个 监测点（图２）。图５为开挖后各 监 测 点 方 向 位 移 变化图。由图５可看出，拱顶 Ａ 方 向 的 竖 向 沉 降 位移和洞底 Ｄ 方向的竖向隆起位移由隧洞内壁 向深部围岩逐渐减 小，拱 顶 沉 降 量 在 Ａ 处 为 ２．９ ｃｍ，在３Ｄ 处衰减到 １ｃｍ 左 右，洞 底 隆 起 值 由 Ｄ （Ｄ 为隧道直径 ）处 的 ２．６ｃｍ 衰 减 至 ３Ｄ 处 的 不 足１ｃｍ。拱腰 径 向 位 移 在 横 断 面 成 拱 的 约 束 作 用下变形较小，在拱腰０．７Ｄ 范围内，拱腰 Ｂ、Ｃ 方 向的水平收 敛 位 移 指 向 洞 内，０．７Ｄ 处 减 小 为 ０， 进而转向洞外，增加 至 ０．３ｃｍ 左 右 后 趋 于 稳 定。 这 是 因 为 在 隧 道 开 挖 后 ，在 自 重 应 力 的 作 用 下 ，拱 顶 和 洞 底 的 位 移 量 均 变 化 较 大 ，而 拱 腰 虽 然 临 空 ， 但在拱顶和洞底 共 同 的 约 束 作 用 下，不 但 变 形 量 较 小 ，还 可 产 生 反 向 变 形 。
在 拱 腰 两 侧 对 称 形 成 两 个 应 力 集 中 区 。 隧 道 支 护 后 ，有 效 限 制 了 隧 道 变 形 的 继 续 发 展 ，各 部 位 总 位 移 值 减 小 ，
塑 性 区 范 围 也 得 到 抑 制 ，拱 腰 两 侧 应 力 集 中 区 向 洞 壁 靠 拢 ，应 力 分 布 也 变 得 均 匀 。
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TBM深埋软岩隧洞围岩变形及衬砌结构探究
软岩在压力的作用下会出现弯曲和弯曲后的恢复过程，这是由于软岩的力学特性决定的。
在TBM（盾构机）施工的深埋
软岩隧洞中，围岩的变形问题成为了工程中的重要探究内容之一。
围岩的变形主要表现为两种类型：一是基于弯曲条件下的弯曲行为，另一种是随着弯曲变形后的回复行为。
在软岩隧洞中，这两种变形类型互相作用，互相影响。
起首，我们需要探究隧洞围岩的弯曲行为。
隧道的承载能力和变形行为取决于围岩的弯曲特性。
基于软岩的力学特性，我们可以建立合理的力学模型来描述岩体的弯曲行为。
这将有助于我们更好地理解围岩的力学行为，为后续的设计和施工提供依据。
其次，随着软岩围岩的弯曲，恢复行为也会产生。
围岩的回弹可能会导致隧道内部产生相应的应力和变形。
探究围岩的回弹行为将有助于我们猜测隧道施工后的应力和变形状况，并为衬砌结构的设计提供参考。
衬砌结构是保障隧道稳定性和安全性的重要构件。
正确选择和设计衬砌结构对于保证隧洞的使用寿命和安全性至关重要。
在软岩隧洞中，衬砌结构需要思量岩体的变形行为，以及岩体的强度和稳定性。
因此，我们需要探究不同衬砌结构对隧洞变形行为的影响，并结合围岩变形行为选择最佳的衬砌结构。
综上所述，TBM深埋软岩隧洞围岩变形及衬砌结构的探究
对于地下交通建设至关重要。
通过对围岩的弯曲行为和回弹行为的探究，可以更好地猜测和控制隧洞的应力和变形状况。
同
时，合理选择和设计衬砌结构将有助于确保隧洞的稳定性和安全性。
这些探究效果不仅可以为地下交通工程提供技术支持，也对将来的工程项目有着指导性的意义
综合上述分析可知，深埋软岩隧洞的围岩变形和衬砌结构的探究对地下交通建设具有重要意义。
通过对围岩弯曲行为和回弹行为的探究，可以准确猜测和控制隧洞的应力和变形状况。
合理选择和设计衬砌结构有助于确保隧洞的稳定性和安全性。
这些探究效果不仅为地下交通工程提供技术支持，也对将来的工程项目具有指导性意义。
因此，深度探究围岩变形和衬砌结构对于地下交通建设是至关重要的。