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
2.某超长深埋硬岩TBM隧洞岩爆段防治方法
3.深埋隧洞TBM刀盘岩爆段无扩大洞室修复研究
4.深埋隧洞TBM掘进微震与岩爆活动规律研究
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
· １２５ ·
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 。
超深埋隧洞TBM施工的岩爆研究
地应 力均 不足 锦屏 二 级 隧 洞 的一 半 ， 属 于轻 微 ～中 等岩 爆 ， 对 锦屏 二 级超 深埋 超 高 地 应 力 的 强岩 爆 防 治 的工程 类 比作用 有 限 。
预防进行 了研究 ， 以期对类似工程 Ｔ Ｂ Ｍ 施工的岩
中， 有３ ０ ％～ ４ ０ ％是采用 Ｔ Ｂ Ｍ 进行开挖 的， 然而， 由于 Ｔ Ｂ Ｍ 设备庞 大 ， 对 地 质 条 件 适 应性 没 有 钻 爆 法那样 灵 活 ， 在 没有 预 警 的情 况 下 遇 到不 良地 质 条 件时 ， Ｔ Ｂ Ｍ 掘进 受 到 的影 响 远 大 于 钻爆 法 ， 往 往 导
要 侧 重于施 工 中遇 到 的软岩及 构造 破碎 带 等不 良地
质体引起的工程地质问题＿ ５ Ｊ ， 诸如突水 、 塌方、 卡机
等工 程事故 ，如 昆 明 掌 鸠 河 引水 供 水 工 程 、 山西 万
家 寨引黄 工程 、 新疆 八 十一大 坂 隧洞 、 辽宁 大伙 房引 水 隧洞 等 。而 对 Ｔ Ｂ Ｍ 在深埋 、 高地 应 力 、 坚 硬 完 整 岩体 中掘 进 的岩爆 问题 研 究 较少 ， 国 内尽 管 对 秦 岭 铁 路 隧 道 和天 生桥 二 级 引水 隧洞 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工 的岩 爆 开展 过相关 研究 ， 但 这两 条 隧道 （ 洞） 的平 均埋 深 和
致 掘进 速度 缓慢 、 效率低下 、 工期拖延 ， 如 果 处 理 不
当， 甚 至会 带来 灾难 性后 果 叫 。 以往 我 国对 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工 工 程 地 质 问题 研 究 ， 主
轴 线 中心线 水平 间距 为 ４ ５ ｍ。
在 排水 洞 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工过程 中， 多 次 在 局 部 超 高 应 力集 中的完整 、 硬 脆 性 大 理 岩 洞段 发 生 了强 烈 或 极 强岩 爆 ， 威胁着 施 工人 员和 机械设 备 的安全 ， 并 造 成 长 时间停 机 。虽然 辅 助洞岩 爆 的研究 取得 了一 定 的成果 ， 但 由于问题 的复 杂性 和施 工方 法 的不 同 ， 难 以完全 照搬 过来 防治 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工 中 的强 烈 岩爆 。本 文基于 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工 支 护前 后 遇到 的岩爆 现 象及 所 采 取 的应 急处 理措 施 ， 同时 结 合 辅助 洞 和 ４号 引 水 隧 洞岩 爆 防 治 的 研 究 成 果 ， 对 Ｔ Ｂ Ｍ 施 工 岩 爆 特 点 及
某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件下岩爆破坏特征及支护方案研究
文章编号:1006—2610(2023)04—0064—07某深埋TBM引水隧洞不同围岩条件下岩爆破坏特征及支护方案研究郭新强1,张 宇2,3,张 伟2,3,肖逸飞1,陈 诚1(1.新疆水利发展投资(集团)有限公司,乌鲁木齐 830000;2.东北大学深部金属矿山安全开采教育部重点实验室,沈阳 110819;3.东北大学辽宁省深部工程与智能技术重点实验室,沈阳 110819)摘 要:不同围岩条件下,深埋硬岩隧洞同一等级岩爆破坏特征有显著区别。
以某深埋TBM引水隧洞工程为研究背景,分析了不同围岩中等岩爆破坏特征,基于声波测试、数值计算建立了不同围岩条件下深埋隧洞中等岩爆区防控方案。
研究结果表明:该TBM隧洞以中等岩爆为主,Ⅲb类围岩中等岩爆平均深度为0.58m,Ⅲa类围岩中等岩爆平均深度为0.45m,Ⅱ类围岩中等岩爆深度为0.32m。
数值模拟与现场声波测试结果进一步表明,从Ⅱ类至Ⅲb 类围岩,损伤区深度逐渐增大,最大主应力逐渐减小,但应力集中区距边墙距离及范围更大。
建立的不同类别围岩中等岩爆区防控方案得到成功应用,现场安全通过岩爆区,且Ⅱ类、Ⅲa类和Ⅲb类围岩中等岩爆段平均日进尺分别提高了19.8%、18.8%和30.6%,施工效率大大提高。
研究成果可为相同或相近TBM隧洞工程提供参考依据。
关键词:不同围岩条件;中等岩爆;破坏特征;防控方案;TBM引水隧洞中图分类号:U45 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2023.04.011Study on Rockburst Failure Characteristics and Support Scheme of a deep TBM Headrace Tunnelunder Different Surrounding Rock ConditionsGUO Xinqiang1,ZHANG Yu2,3,ZHANG Wei2,3,XIAO Yifei1,CHEN Cheng1(1.Xinjiang Water Conservancy Development Investment(Group)Co.,Ltd.Xinjiang 830000,China;2.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines,Northeastern University,Shenyang 110819,China;3.Key Laboratory of Liaoning Province on Deep Engineering and Intelligent Technology,Northeastern University,Shenyang 110819,China) Abstract:The failure characteristics of the same intensity rockburst in deep buried hard rock tunnel are significantly different under different sur⁃rounding rock conditions.This paper takes a deep buried TBM headrace tunnel works as the study background,the failure characteristics of moder⁃ate rockburst under different surrounding rock conditions are analyzed.The mitigation scheme of moderate rockburst area in deep buried tunnels under different surrounding rock conditions are established based on acoustic testing and numerical simulation.The study shows that the rockburst intensity is mainly moderate.The average depth of moderate rockburst in Class IIIb surrounding rock is0.58m,in Class IIIa surrounding rock is 0.45m and in Class II surrounding rock is0.32m.The results of numerical simulation and in-situ acoustic testing further show that,the depth of failure zone gradually increases,and the maximum principal stress gradually decreases from Class II to Class IIIb surrounding rock,but the dis⁃tance and range between the stress concentration zone and the side wall are larger.The established mitigation scheme for moderate rockburst zone in different types of surrounding rock has been successfully applied.The rockburst zones are passed through safely in-situ,and the average daily footage of moderate rockburst section in Class II,IIIa and IIIb surrounding rock has increased by19.8%,18.8%and30.6%respectively.The construction efficiency has been greatly improved.The study results provide reference for the same or similar TBM tunnel projects.Key words:same surrounding rock conditions;moderate rockburst;failure characteristics;mitigation scheme;TBM headrace tunnel 收稿日期:2023-06-07 作者简介:郭新强(1980-),男,甘肃省武威市人,高级工程师,主要从事水利水电工程建设管理工作. 通信作者:张伟(1990-),男,河南省信阳市人,博士,主要从事隧道及地下工程岩爆监测预警技术研究工作. 基金项目:国家自然科学基金(42207221).0 前 言岩爆是在开挖或其他外界扰动下,地下工程岩体中聚积的弹性变形势能突然释放,导致围岩爆裂、弹射的动力现象,具有很强的突发性、随机性和危害水工与施工 西北水电·2023年·第4期 性[1-4]。
重庆地铁TBM施工对隧道围岩影响区域的研究
展， 具有十分重要 的理论意义和实用价值． 本文就重
庆地铁 ６ 号线施工中 Ｔ Ｍ 开挖引起 的不同级别 围 Ｂ 岩 等 情况 下 的 围岩应 力变 化 的影 响 范 围进行 计算 分
析．
１ 工 程 概 况
重 庆市 轨道 交通 科研 试 验工 点 ６ 线一 期 工程 号
区间（ 以下简称一期工程） 长度 ２． ９ ｍ， 中地 ０ ５ ０ｋ 其
材料 。 泊 比 来自黏聚 力ｃＭＰ ／ ａ
壁后注浆层环状假设 ： 由于在土体渗透性、 疏密 度、 地下水 、 注浆压力等 因素影响下的注浆层厚度和 形 状 较难 量化 ， 实 际 的 二 维模 拟 中假 设 壁 后 的注 故
浆层 为一 均质 、 厚 的弹性 圆环 ， 力学 参数 结合 工 等 其
Ｊ ｎ ０ １ ｕ ｅ２ １
重 庆 地 铁 ＴＢＭ 施 工对 隧 道 围岩 影 响 区域 的研 究
黄 明 普
（ 中铁 十八局集 团隧道工程有限公司 ， 天津 ３０２ ） ０ ２ ２
摘
要： 依托 重庆地铁 ６号线 一期 工程 ， 应用有限元 分析软件 进行 数值 模拟 计算 ， 算 了不 同围岩级 别、 同近接 计 不
计算 荷载 主要 考 虑地层 自重应 力场 和支 护 结构
的重 力．
３ 计算 结果及 分析
考 虑 到 ＴＢ 机 通 过 几 种 不 同 围 岩 情 况 ， 际 Ｍ 实
中又有不 同的近接方式 ， 以及不同的近接距离 ， 为了 使计算更具有一般性 ， 结合此工程的实际情况 ， 全面 考虑 Ⅲ 、 Ｖ级 围 岩情 况 水 平 双洞 和垂 直 双 洞 ， Ⅳ、 双
图 ２ Ｖ级 围 岩 双 洞 间距 ５ｍ 应 力影 响 范 围
基于LUSAS软件的TBM隧洞管片衬砌结构分析
ｔｈｅ ｌｉｎｉｎｇ Ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｗａｔｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｓ ｈｉｇｈ ｒｅｓｕｌｔｉｎｇ ｉｎ ｌａｒｇｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｉｔ ｉｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｔｏ ｓｅｔ
隧洞、 洞内钢管、 回填钢管、 岔管、 支管、 阀室、
管片衬砌设计至关重要。 目前， 衬砌结构计算方法
消能池、 水池、 明渠组成。 输水系统的设计输水能
主要有结构力学法、 弹性力学法及有限元法。 因有
限元法能够较为真实、 准确地反映隧洞衬砌的受力
力为 ２７． ７８ ｍ ３ ／ ｓ。 输 水 隧 洞 为 有 压 隧 洞， 全 长 约
１９．３０
７５．９４
通过上述计算结果可知： 正常工况和水锤工况
的内力较小； 检修工况为控制工况， 此时管片衬砌
两侧腰部， 最大轴力出现在衬砌断面的底部； 最大
弯矩为 ７９．９０ ｋＮ·ｍ， 最大轴力为 ７ ４０８．７３ ｋＮ， 最
大剪力为 ７５．９４ ｋＮ。
２．５ 配筋结果
根据 ＬＵＳＡＳ 软件内力计算结果分析， 由于弯
矩较小， 可忽略弯矩的影响， 采用文献［ ４］ 和文献
［５］ 中的轴心受压构件对管片衬砌结构进行配筋计
３７
红水河 ２０２１ 年第 １ 期
算。 经过分析计算， 每米配筋总面积为 ４ ６９８ ｍｍ ２ ，
加厚很多， 造成经济不合理， 因此， 在外水压力比
管片内、 外侧配筋均为 １１ Φ ２０。
富水破碎带地层TBM_隧道围岩稳定性研究＊
文章编号：2095-6835（2023）17-0039-06富水破碎带地层TBM隧道围岩稳定性研究＊胡红星（中铁三局集团第四工程有限公司，北京102300）摘要：工程实践表明，大多数突涌水事故发生在隧道穿越破碎带。
依托青岛地铁某线路TBM（Tunnel Boring Machine，岩石隧道掘进机）隧道工程，采用数值模拟的方法对富水破碎带段进行研究，首先分析流固耦合作用对隧道施工围岩变形和地表沉降的影响，然后对比分析3种地下水埋深下TBM隧道开挖引起的围岩变形、地表沉降和孔隙水压力分布规律。
结果表明，TBM隧道穿越富水破碎带时，考虑流固耦合作用是合理且必要的；破碎带内隧道围岩变形随着地下水位埋深的增大而减小；地表沉降槽以两隧道中轴线为中线，两侧曲线呈对称分布，沉降值与距中线距离整体呈反比规律变化；TBM掘进穿越富水破碎带过程中隧道拱腰两侧及上覆岩层将形成较大水力梯度，隧道周围的水力梯度随着地下水位埋深的增加而减小。
关键词：地铁；破碎带；数值计算；围岩变形中图分类号：U451.2文献标志码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2023.17.011随着社会经济的高速发展和人民对美好生活要求的持续提高，中国城市的交通运输建设规模与数量呈现出快速增长的趋势。
地铁系统在缓解城市交通压力和促进城区间紧密联系方面贡献巨大，其高密度和高运量的特点使它成为城市轨道交通系统中的重要组成部分。
地铁线路的规划取决于交通功能的需要，因此建设过程中将不可避免地穿越不良地质体，尤其是当隧道穿越富水破碎带时，由于隧道埋深浅、岩石破碎软弱，因此开挖极易引起塌方、地表沉降，进而导致隧道施工处于危险之中。
刘平等[1]研究了流固耦合作用下富水砂层对周边土体变形破坏的影响，通过数值模拟的方法，分析了流沙层厚度、隔水层厚度和隔水层粘聚力等因素的影响；LI等[2]在数值模拟中考虑了流固耦合，讨论了注浆加固参数对隧道稳定性的影响，并从加固和堵水2方面对注浆效果进行了评价；甄正等[3]讨论了流固耦合作用对盾构隧道掘进引起的孔隙水压力、地表沉降规律的影响，研究表明考虑流固耦合作用可以更好模拟实际情况；段克思等[4]依托阿嘎下隧道工程，利用数MIDAS软件得出了渗流影响下隧道间距和注浆圈厚度对围岩位移的影响；师雯琦等[5]建立二维数值模型，探究了渗透压力和孔隙度对隧道围岩应力和变形的影响，发现了孔隙度对围岩变形影响较大；傅鹤林等[6]运用弹塑性理论和水力学，建立了含缓冲层隧道注浆的模型，并结合数值模拟对所推导模型的合理性进行了验证；郭玉峰等[7]利用理论分析与数值模拟方法，对水下双线隧道稳态渗流场进行了推导，讨论了隧道间距、埋深等因素对隧道渗流场的影响；贾伟红等[8]以五峰山隧道为研究对象，采用数值模拟建模，分析了注浆圈参数对初期支护变形和水压分布的影响；万飞等[9]依托关角隧道F2-1断层破碎带，采用监控量测的方法对支护结构及围岩进行分析，提出了一系列施工支护方案，并取得了良好的效果；尚彦军等[10]依托昆明上公山引水隧道，对破碎带导致的卡机问题进行了研究，探讨了隧道围岩蠕变的发生条件和护盾变形机理；钟威等[11]采用层次分析法建立破碎带施工风险评价体系，并应用于大坪山隧道，取得了良好的效果；陈剑等[12]针对青岛市某地铁隧道区间，分析了富水破碎带突水涌砂原因，提出以地表注浆为主，洞内堵水为辅的综合治理措施；徐前卫等[13]结合数值模拟与模型试验的方法，研究了施工过程中围岩的渐近性破坏过程及受力变形特性；张庆松等[14]研制出大型三维地质模型试验系统，揭示了断层破碎带中围岩渗流压力、位移及应力应变的变化规律；王德明等[15]采用模型试验的方法研究了破碎带开挖扰动作用下洞周位移规律。
211219475_TBM_法施工深埋输水隧洞变形机理研究
析等多种手段深入研究了TBM施工过程中的围岩类别预测㊁事故风险分析㊁TBM选型㊁衬砌结构受力特点等,仅考虑了某一典型断面的围岩及衬砌结构的受力特点,鲜有考虑TBM掘进过程中掌子面上㊁下游围岩及衬砌的变形机理㊂本文以某TBM法施工深埋输水隧洞为例,采用有限元计算方法研究分析施工过程中洞体的变形及受力特点,并通过正交试验对参数明感性进行了分析,以期为类似工程提供借鉴㊂1 工程概况某工程隧洞全长139km,单洞最大长度73km,为无压洞,纵坡i=1/300㊂隧洞位于阿尔泰山南麓中山区及低山㊁丘陵区,沿线地形起伏,穿越的地层岩性有:奥陶系(O)黑云母石英片岩㊁结晶片岩;泥盆系(D)花岗片麻岩㊁黑云母片麻岩;石炭系(C)的凝灰质砂岩㊁黑云母片麻岩㊁角闪黑云母长英角岩;华力西期(γ4)侵入花岗岩㊁黑云母花岗岩㊁花岗斑岩及闪长岩㊂隧洞埋深一般在60~550m,平均埋深约300m,最大埋深725m,洞身段大多数处于新鲜岩体内,裂隙不发育,围岩以块状和厚层状,岩体较完整,属中~坚硬岩㊂隧洞沿线地下水以基岩裂隙水为主,流量较小[12]㊂隧洞施工采用TBM为主㊁钻爆为辅的施工方案,根据工程布置及地形条件沿线布置5座输水隧洞(1号~5号)㊁采用5台TBM施工,施工断面形式为圆形,各段隧洞围岩分类特性见表1㊂表1 各段隧洞围岩分类特性统计表围岩ⅡⅢⅣⅤ占百分比/%1号隧洞54.5739.86 1.79 3.78 2号隧洞--100-3号隧洞58.2432.579.19-4号隧洞24.94130.25 3.85 5号隧洞20.5954.7718.84 5.8选取某深埋输水隧洞桩号22+539.00m为计算断面,该断面主要为Ⅲ类围岩,采用开敞式TBM 法施工,埋深300m,地下水距离洞顶130m,断面的开挖支护情况见图1㊂2 数值模型及计算参数采用有限元软件建立Ⅲ类围岩TBM隧洞三维有限元网格模型,横水流方向为X轴,顺水流方向为Y轴,垂直方向为Z轴,模拟开挖为自上游侧向下游侧展开㊂该段隧洞的地应力以自重应力为主,故在模型顶部施加对应岩体厚度的岩压力,计算模型取中心剖面右半部分,在对称截面上施加法向约束㊂本隧洞开挖直径D为5.5m,为避免计算边界对隧洞开挖的影响,模型上㊁下㊁右侧边界距隧洞开挖边界取值4倍D,为22m;顺水流方向取值7倍D,为38.4m㊂计算网格模型见图2~3,岩体及支护材料的力学参数见表2[13-14]㊂图1 TBM洞段Ⅲ类围岩支护剖面 单位:mm图2 Ⅲ类围岩TBM隧洞整体模型表2 岩体及支护材料的力学参数表名称密度/(kg㊃m-3)变形模量/GPa泊松比C/Maφ/(°)Ⅲ类围岩2650 5.00.280.6536.9 C30喷混凝土255030.00.167--计算模型共划分三维实体单元39000个㊁节点约36000个,岩体㊁混凝土采用8节点6面体实体单元模拟,采用弹塑性本构模型,屈服准则为MHOR -COULOMB㊂本项目实际施工过程为TBM连续开挖掘进,根据施工情况设置了随机锚杆,距离掌子面6.0~7.0 m左右施工,喷混凝土支护距离掌子面约20m施工㊂模拟计算中利用生死单元实现隧洞开挖及支护的功能:岩体开挖取一个掘进步长为1.8m;考虑到Ⅲ类围岩条件较好,暂不施加锚杆;开挖至距掌子面06李燕波.TBM法施工深埋输水隧洞变形机理研究===============================================10个掘进步长时喷混凝土支护㊂运行期施加内㊁外水压力,内水压力按无压洞过水高度计算,为0.038 MPa;外水压力考虑折减后取值0.195MPa[15-16]㊂图3 Ⅲ类围岩TBM隧洞细部模型3 计算结果与分析3.1 位移计算成果分析选取模型水流向中间剖面为分析断面,隧洞施工过程中矢量位移㊁纵向㊁水平向位移计算结果见图4~6㊂图4 位移成果矢量位移由图可知隧洞施工时位移主要以向隧洞临空面变形为主,洞顶处位移最大,为4.3mm;洞底㊁边墙位移分别为3.2㊁3.4mm㊂洞顶㊁洞底和边墙处的位移随开挖进尺的变化情况见图7和图8㊂由图可知,隧洞掘进断面距分析断面约1倍洞径(5.5m)时,受隧洞施工及岩体受力连续的影响,代表性断面围岩已开始发生较为明显的变形;开挖至分析断面时,围岩约完成25%左右的变形;掘进断面开挖超过分析断面约1倍洞径(5.5m)时,围岩约完成90%左右的变形;掘进断面开挖超过分析断面约2倍洞径(11m)时,围岩变形基本全部完成㊂施加混凝土支护时围岩变形已基本全部完成,支护结构随呈向隧洞临空面变形的趋势,但位移仅为0.2mm量级㊂图5 位移成果垂直向位移图6 位移成果水平向位移3.2 应力计算成果分析隧洞施工期㊁运行期Ⅰ(有内水㊁无外水压力)㊁运行期Ⅱ(有内水和外水压力)的应力计算结果见图9~11㊂各工况下喷混凝土支护结构受力统计见表3㊂表3 各工况下喷混凝土支护结构受力统计表工况洞顶/MPa洞底/MPa洞边墙/MPa施工期0.570.560.95运行期Ⅰ0.540.390.87运行期Ⅱ 5.10 5.18 3.3216西北水电㊃2023年㊃第2期===============================================图7 洞顶、洞底的垂直向位移随开挖进尺变化图8 洞边墙水平向位移随开挖进尺变化图9 施工期支护结构主压应力 根据计算结果可知,施工期支护结构受力以环向受压为主,边墙处受力约为洞顶㊁洞底的1.7倍,为0.95MPa,远小于C30混凝土的抗压强度设计值(14.3MPa)㊂运行期Ⅰ施加了内水压力,抵消了一部分围岩压力,故该阶段受力情况略好于施工期㊂运行期Ⅱ,由于外水压力约为内水压力的5倍,导致支护结构压应力增长较多,最大压应力为5.18MPa,位于底板内侧㊂3.3 围岩塑性变形结果分析围岩塑性变形计算结果如图12所示㊂图10 运行期Ⅰ支护结构主压应力图11 运行期Ⅱ支护结构主压应力图12 分析断面围岩塑性应变26李燕波.TBM 法施工深埋输水隧洞变形机理研究=============================================== 由图可知,围岩塑性变形很小,主要发生在洞顶㊁洞底外侧约1.0m 范围内,和洞边墙外侧约1.2m 范围内㊂3.4 参数正交分析为避免单一计算参数对计算结果的影响,选取隧洞洞径㊁掘进步长㊁喷混凝土支护距掌子面距离和外水压力4个参数做敏感性分析,设计L 9(34)正交试验,各因素水平见表4㊂表4 因素水平表因素隧洞洞径A /m 掘进步长B /m 喷混凝土支护距掌子面距离C /m外水压力/MPa 1 1.5150.1452 5.5 1.8180.19536.5 2.1210.245选取的隧洞变形机理评价指标是最大位移和运行期Ⅱ最大压应力,计算结果见表5㊂表5 正交试验计算表试验组数隧洞洞径掘进步长喷混凝土支护距掌子面距离外水压力A B C D 最大位移/mm运行期Ⅱ最大压应力/mm 211111 3.414.3421222 3.754.8831333 4.125.2142123 4.615.6552231 3.944.7562312 4.285.1873132 5.086.3883213 5.456.89933214.726.02基于隧洞最大位移的分析K 1j11.2813.1013.1412.07 K2j12.8313.1413.0813.11 K3j15.2513.1213.1414.18 K 1j 均值3.764.374.384.02 K 2j 均值4.284.384.364.37 K 3j均值5.084.374.384.73 R j 1.320.010.020.70 基于运行期Ⅱ最大压应力的分析K 1j 14.4316.3716.4115.11 K 2j 15.5816.5216.5516.44 K 3j 19.2916.4116.3417.75 K 1j 均值4.815.465.475.04 K 2j 均值5.195.515.525.48 K 3j 均值6.435.475.455.92 R j1.620.050.070.88 通过正交试验分析可知,基于隧洞最大位移的分析和基于运行期Ⅱ最大压应力的分析结果均表明4个参数的主次关系为:洞径>外水压力>喷混凝土支护距掌子面距离>掘进步长,其中洞径和外水压力的影响十分显著,其他两个因素敏感性不十分明显㊂4 结 论本文从工程实际出发,在有限元计算的基础上研究了TBM 法施工深埋输水隧洞变形机理,主要得到以下结论:(1)隧洞施工过程围岩变形主要以向隧洞临空面变形为主,且变形是连续的过程,距掌子面约1倍洞径的断面已开始发生变形,待掌子面掘进至该断面时围岩变形完成约25%,掌子面超过该断面1倍洞径时围岩变形完成约90%,超过两倍洞径时变形基本全部完成㊂(2)支护结构施工超过掌子面2倍洞径后,其变形量级很小;支护结构受力主要以环向压应力为主,内水压力能在一定程度上抵消围岩压力,改善支护结构受力状态;同时施加内水压力㊁外水压力时支护结构受力最大的部位主要在洞底内侧㊂(3)洞边墙围岩塑性变形比洞顶㊁洞底大约20%㊂(4)根据参数敏感性分析可知,各参数对隧洞受力和变形的影响主次关系为:洞径>外水压力>喷混凝土支护距掌子面距离>掘进步长,其中洞径和外水压力的影响十分显著,其他两个因素敏感性不十分明显㊂参考文献:[1] 水利部印发关于实施国家水网重大工程的指导意见和实施方案[J].水利建设与管理,2022,42(01):3.[2] 苏华友.双护盾TBM 开挖深埋隧洞围岩稳定性研究[D].成都:西南交通大学,2009.[3] 苏利军.深埋软岩隧洞双护盾TBM 施工围岩稳定控制理论与技术[D].武汉:武汉大学,2010.[4] 温森,贺东青,杨圣奇.隧洞变形引起的TBM 施工事故综合风险分析[J].岩土力学,2014,35(06):1727-1734.[5] 吴剑疆,罗立哲.深埋输水隧洞施工风险评价[J].水利规划与设计,2021(11):122-127.[6] 吴世勇,周济芳,陈炳瑞,等.锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖方案对岩爆风险影响研究[J].岩石力学与工程学报,2015,34(04):728-734.[7] 王军.X 输水隧洞施工TBM 选型[J].西北水电,2020(06):77-79.[8] 潘博.深埋软岩隧洞双护盾TBM 施工衬砌结构研究[D].兰州:兰州交通大学,2021.[9] 褚秀军.输水隧洞围岩支护结构受力变形分析[J].西北水电,2022(04):63-66.[10] 党亚山.复杂断裂带引水隧洞围岩稳定分析及处理措施[J].西北水电,2022(01):64-68.[11] 王智阳,王浩杰,张晓平.大埋深高地应力硬岩TBM 隧洞围岩破裂变形规律研究[J].工程地质学报,2022,30(05):1678-1688.[12] 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reservoir site is extremely important ,which directly restricts the geolog⁃ical exploration work and project development.By summarizing the common reservoir site forms of the upper and lower reservoirs in the pumped storage power station ,analyzing the formulation of kinetic energy index in the early stage ,and studying the method of determining the normal wa⁃ter level and the drawdown depth ,the basic process of reservoir site choosing is summarized ,which can provide a guidance for the choosing of reservoir site at the preliminary design stage of the pumped storage power station.Key words :pumped storage ;reservoir site ;kinetic energy indexes ;head ratio ;drawdown depth 收稿日期:2022-12-19 作者简介:马秀伟(1986-),男,山东省日照市人,高级工程师,主要从事水工结构设计工作.0 前 言抽水蓄能是当前技术最成熟㊁经济性最优㊁具备大规模开发条件的绿色低碳㊁清洁灵活的调节电源[1],与风电㊁光伏等联合运行效果最好,当前在保障全球电力系统安全运行和促进新能源大规模发展方面的重要性日益突出㊂2021年9月,国家能源局发布‘抽水蓄能中长期发展规划(2021 2035年)“[2]㊂ 十四五”是落实中长期发展规划㊁加快推进抽水蓄能高质量发展的关键时期,中国抽水蓄能产业将迎来快速发展的新局面㊂仅2022年,全国实现核准48个项目,总装机规模6890万kW,总投资达4514亿元㊂截至2022年底,全国已建㊁在建抽水蓄能装机规模16692万kW,其中已建抽水蓄能装机容量4549万kW,核准在建抽水蓄能装机容量12143万kW㊂做好 十四五”抽水蓄能项目开发建设工作意义重大,是构建以抽蓄作为储能主体推动风光大规模发展的战略窗口期㊂抽水蓄能电站一般由上㊁下水库及输水发电系统等建筑物组成,其中,上㊁下水库库盆土石方工程量大㊁投资占比高㊁对工程投资指标影响大[3],直接制约项目可行性㊂与常规水电站相比,抽水蓄能电站选址受自然资源限制较少,上㊁下水库库址选择与布置也相对灵活,在抽水蓄能行业大力发展的背景下,前期阶段库址选择的准确性和经济性尤为凸显,开展库址筛选研究工作,有较好的指导意义㊂本文通过归纳抽水蓄能电站上㊁下水库常见的库址形态,分析前期阶段动能指标拟定的过程,研究正常蓄水46马秀伟,赵智伟,皮漫.抽水蓄能电站库址筛选分析===============================================。
深埋隧洞开敞式TBM通过软岩破碎带施工方法研究
专 题 研 究
口 盔露蜘
量 过 大 ，将 导 致 ＴＢＭ 成 洞 洞 径 过 ＪＪ＼， ＴＢＭ 后 配 套部 分 局 部卡 住 无 法 通过 。仰 拱部 位 收 敛 变形 可 能造 成 已 完成 的 仰 拱 喷混 开 裂 。 （图 １）
（２） 大 面 积坍 塌 ＴＢＭ 进 八破 碎 带 ，刀 盘 前 方 的 围岩 出现 大 面 积 的 垮 塌 ，进 而 出 渣 量 增 大 ，产 生 较 大 的 塌 腔 如 支 护 不 及 时 ，塌 腔 逐 步 扩 大 ， 出 现 持 续 塌 方 ，后 果 将 极 为 严 重 ；如 塌 方 压 住 护 盾 和 刀 盘 ， 使 ＴＢＭ 刀 盘 无 法 转 动 ，将 造 成 ＴＢＭ 卡 机 事 故 。 大 面 积 的 岩 石 坍 塌 会 砸 坏 油 管 ，便 钢 结 构 变 形 ， 列 钻 机 系 统 、拱 架 安 装 系 统 等 造 成 严 重 的 破 坏 ， 给 作 业人 员 安全 带来 威 胁 。 （图 ２） （３） 软 岩 遇 水 泥 化 软 岩 具 有 遇 水 泥 化 的 特 十生， 在 刀 盘 部 位 ， 软 岩 泥 化 会 糊 住 刀 具 和 刀 盘 ， 导 致 出 渣 口 堵 塞 、 无 法 出 渣 、 刀 盘 至 转 ， 加 剧 围 岩 塌 方 ， 造 成 恶 性 循 环 。 软 岩 破 碎 带 出 现 渗 漏 水 日寸， 围 岩 自 稳 能 力 更 差 ， 经 过 渗 水 浸 润 ， 形 成 琉 态 泥 ，进 而 加 剧 塌 腔 的 扩 大 。 隧 洞 腰 线 部 位 出 现 软 弱 围 岩 和 渗 漏 水 ， 在 吸 水 泥 化 后 会 造 成 撑 靴 支 撑 力 不 够 ， 或 是 撑 靴 无 法 就 位 的 情 况 ，从 而 无 法 掘 进 。 （图 ３）
深埋特长隧洞TBM法掘进同步衬砌施工
深埋特长隧洞TBM法掘进同步衬砌施工纪鹏【摘要】针对特长隧洞TBM法施工难题,文章以辽宁大伙房水库输水主体工程为例,分析了引水隧洞施工存在的主要工程地质问题,介绍了台车现场组装调试、隧洞支护、长距离独头通风等施工关键技术,并对不良地质地段施工处理措施进行了探讨.【期刊名称】《东北水利水电》【年(卷),期】2017(035)004【总页数】3页(P39-40,55)【关键词】深埋特长隧洞;TBM法;同步衬砌【作者】纪鹏【作者单位】辽宁润中供水有限责任公司,辽宁沈阳?110166【正文语种】中文【中图分类】TV52+3;TV554特长隧洞在掘进施工过程中影响因素较多，如岩性变化大、地质构造多、地应力大、涌水量大、通风困难等，对深埋特长隧洞施工安全与施工质量造成较大影响。
就现阶段而言，国内特长隧洞施工方式一般有2种——钻爆法和TBM法。
钻爆法技术在隧道施工中已相对成熟，而法能够提升隧洞施工速度，保证作业内容的连续进行与施工安全，具有钻爆法无法比拟的技术优势。
而受到施工条件的限制，TBM法施工在洞内组装、连续出渣、同步衬砌、长距离独头通风等方面存在问题，亟需通过技术引进与创新以推动技术的大范围推广应用。
大伙房水库输水主体工程位于辽宁省本溪市与抚顺市两市境内，设计将凤鸣水库水资源经由穆家电站引至大伙房水库，并由大伙房水库向辽宁省中南部城市供水[1]。
工程设计引水隧洞长85.32 km，其中有大约60.84 km隧洞以TBM法施工为主，辅以钻爆法的施工方式。
设计隧洞断面为圆形，直径为m。
考虑施工空间及地质条件因素，工程确定TBM设备型式为开敞式TBM，并结合全环内通式衬砌模板台车对隧洞进行同步衬砌。
对隧洞施工标段地质条件进行调查，得到引水隧洞施工主要面临的工程地质问题有以下几个方面[2]：1）围岩稳定性较差。
TBM施工标段围岩主要为微风化—新鲜，岩性抗压强度较高，稳定性良好。
但隧洞围岩赋存条件十分复杂，区域断层分布较多，仅主洞线附近就有29条断层；断层类型以压扭性断层为主，对区域围岩稳定性影响最为严重。
TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类研究
TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类研究摘要：目前，我国水资源空间分布与人口、资源、环境、社会经济发展之间存在着矛盾，因此建设大型的跨流域调水系统是解决问题的重要途径，也是实现国家水资源优化配置的重大战略举措。
受选线限制，大量长距离输水隧洞在建设过程中，将不可避免地穿越具有复杂地质构造的山岭地区，面临着自然环境恶劣、不良地质多发等不利因素。
鉴于此，本文对TBM施工深埋水工长隧洞围岩综合分类进行分析，以供参考。
关键词：深埋水工长隧洞;TBM;地质勘察;地质风险;围岩工程地质分类引言由于物探资料的多解性和精确性限制，如何通过物探成果准确地解译出围岩的工程地质特性，建立物性参数和围岩类别的对应关系，是未来需要进一步研究的内容。
此外，如何利用TBM掘进参数(扭矩、推理、转速)、岩渣特征等对围岩类别进行判断，也需要在大量的工程实践中进一步完善，在经过工程实践检验之后，有望进入国家或水利行业标准和规范中。
1TBM掘进破岩过程分析长距离输水隧洞TBM掘进过程中，在TBM盘刀推力逐渐增加时，岩石会逐渐向两侧位置扩张，并逐渐压实，使岩石内部出现放射状裂纹，TBM盘刀即能够进入岩体，侧向裂纹扩张到岩石表面过程中，形成了岩石碎片，出现了岩石碎片的动能，可显著降低围岩反力，因此盘刀能够侵入一定深度的岩体内，一般设置5－15mm贯入深度，详见图1。
2深埋长隧洞的特点2.1工程地质条件极为复杂与浅埋隧洞相比，深埋长隧洞多穿越特征迥异的地形地貌、地质、水文地质和构造地质单元，其地质条件普遍非常复杂多变。
2.2深埋长隧洞多以TBM法施工由于深埋长隧洞通常没有布置施工支洞的有利地形条件，以及生态环境保护的要求，决定了TBM法施工成为深埋长隧洞工程的必然选择。
但TBM施工过程中没有进行常规施工地质的条件，不能进行全程地质编录，特别是护盾式TBM，无法观察围岩情况，难于收集第一手资料。
3TBM施工围岩综合分类的基本原则（1）尽量在常用隧洞分类方法的基础上进行补充与完善，平顺衔接。
第五章第一节 TBM施工需要的围岩裂隙等级划分及地质参数测试技术的研究
第五章TBM施工隧道的工程地质因素及衬砌结构研究以往我国铁路隧道的全套地质工作及衬砌设计都是对应于钻爆法施工的。
采用T BM施工后，一些既有的规程、规范已不再适用。
为给实际工作提供科学依据，必须研究提出与T BM相匹配的方法、规定及必要的设计参数。
第一节 TBM施工需要的围岩裂隙等级划分一、岩石可钻性、钻眼速度指标的测定技术研究岩石坚固性在钻孔方面的表现称可钻性，它不是岩石单方面的属性，而是岩石与钻具相互作用下的综合特性。
本次研究采用研制的使携式岩石凿测器测定岩石的凿碎比功和钎刃磨钝宽两项指标来表示岩石的可钻性。
凿碎比功(a)是指凿碎单元体积岩石所消耗的功，而从单位时间的破岩量可转化成钻眼速度，它反映了岩石的坚硬程度。
钎刃磨钝宽(b)是指凿480次以后距钎刃两端各4mm处的磨钝宽度平均值(mm)，它反映了岩石的磨钝能力。
并提出了秦岭隧道岩石的等级划分标准。
(见表5-1-1、5-1-2)。
表5-1-1秦岭隧道岩石凿碎比功分级测试成果表明，秦岭隧道岩石的凿碎比功a为44～80k g.m/cm3，属中硬至极坚硬。
实测钎刃磨钝宽大部分地段为0.3～０.6mm，属中等磨蚀性，局部D yK76+200～Ｄy K78+600段为0.7～０.8mm，属强磨蚀性：含绿色矿物混合花岗岩所夹蚀变闪长岩脉为0.2mm，属弱磨蚀性。
表5-1-2秦岭隧道岩石钎刃磨钝宽分级研究成果表明，岩石可钻性与TBM掘进效率具有较好的相关性，即岩石的可钻性是影响TB M掘进效率及工作条件等级划分的主要地质参数之一，岩石的凿碎比功越大(坚硬程度越高)岩石的磨蚀性越强，TB M的掘进效率越低，刀具消耗越大，两者间的相关关系详见地质参数与TBM 掘进效率测试研究成果部分的相应图件。
且当岩石的凿碎比功小于60kg.m/cm3、钎刃磨钝宽小于0.3mm时，T BM掘进效率较高、TBM工作条件较好；当岩石的凿碎比功为60～70k g.m/cm3、钎刃磨钝宽为0.3～0.6mm 时，TBM掘进效率及TB M工作条件一般；当岩石的凿碎比功大于和等于70kg.m/cm3、钎刃磨钝宽大于0.6mm时，T BM掘进效率较低、TBM工作条件较差。
敞开式tbm穿越深埋中强蚀变岩区钢结构承载性能研究
提供依据，保障敞开式 TBM 在蚀变岩区的顺利掘
*基金资助：国家重点研发计划项目（2016YFC0401805）
壳-弹簧方法
MIDAS GTS/NX
1007-6980（2019）04-0001-04
进及洞室安全。
2
蚀变岩特征
某深埋敞开式TBM隧洞工程全长超过40 km，开挖
洞径6.5 m，净洞径5.3 m，最大埋深超过2 200 m。隧洞
出口 TBM 自出口逆坡向上游掘进，设计掘进里程
约 18 km，在进尺约 3.3 km 处进入华力西中期侵入
的二长花岗岩蚀变带，从隧洞揭露的蚀变岩看，
蚀变岩具有范围大、性状差、分布不规则的特
点，蚀变岩洞段存在变形、塌方掉块、承载力
低、泥化、塌方等工程地质问题。敞开式 TBM 穿
3
钢结构支护系统模型建立
计 算 采 用 MIDAS GTS/NX 软 件 的 结 构 - 弹 簧 方
ห้องสมุดไป่ตู้
·2·
水利水电工程设计
图1
潮湿状强蚀变岩顶拱变形情况
法，计算模型主要由钢拱架、钢筋排及被覆钢板
三部分组成，钢结构每一段的钢壳采用壳单元模
拟，壳体之间采用全耦合方式连接，可以传递剪
力及弯矩，钢筋排采用全联接梁单元进行模拟。
越中强蚀变岩区时，洞周围岩蚀变程度不均一，
以强蚀变岩夹中等蚀变岩为主，洞壁大范围塌
方，拱架变形，少数连接槽钢焊接点断裂，左壁
下部岩体破碎，岩石强度低。右壁下部岩石较破
碎，细小裂隙较发育，结构面附近岩石属强蚀变
岩，岩石强度极低，手捏即碎。如图 1 所示，强蚀
变岩为潮湿-湿状态时，在顶拱位置表现出明显的
TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型
TBM掘进围岩挤压大变形机理与本构模型黄兴;潘玉丛;刘建平;刘泉声【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【摘要】通过对反映了TBM卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验结果分析,揭示了深部软弱地层TBM掘进围岩挤压大变形机理:挤压大变形主要由TBM开挖卸荷瞬时产生的峰前卸荷损伤扩容和峰后破裂碎胀造成的体积扩容组成,峰前岩石内部原生裂隙扩展和新裂隙萌生、扩展导致扩容变形,以及峰后裂隙汇聚贯通成宏观破裂面和多级次生破裂形成,破裂后块体间发生错动或翻转等相对运动引起峰后碎胀大变形,其中峰后的碎胀变形是构成大变形最主要的部分.获取了各特征应力(损伤扩容应力σ1cd、极限承载强度σ1m和线性应变软化应力σ11)与围压σ3的相关关系,建立了各变形破坏阶段的临界准则;建立了卸荷损伤扩容阶段的损伤演化方程;基于三轴卸围压试验成果建立了弹性—卸荷屈服损伤扩容—峰后脆性跌落—线性应变软化—残余理想塑性5阶段挤压大变形本构关系.对挤压大变形本构模型在FLAC3D进行了数值实现,并验证了模型的合理性和数值实现程序的正确性.【总页数】12页(P1245-1256)【作者】黄兴;潘玉丛;刘建平;刘泉声【作者单位】中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;武汉大学土木建筑工程学院,湖北武汉430072;武汉大学岩土与结构工程安全湖北省重点实验室,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】TD322【相关文献】1.深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理 [J], 刘泉声;黄兴;时凯;朱元广2.挤压性软岩隧道围岩大变形机理模型试验研究 [J], 薛海巍;刘承宏;马良;陈宇博;李新志;朱永全3.挤压性软岩隧道围岩大变形机理模型试验研究 [J], 薛海巍;刘承宏;马良;陈宇博;李新志;朱永全4.双护盾TBM掘进过程中隧道围岩强度及变形测试研究 [J], 刘远程;邓荣贵;傅支黔;刘润杭;王拓5.挤压性围岩隧道大变形机理及分级标准研究 [J], 刘志春;朱永全;李文江;刘泮兴因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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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。