TBM施工隧洞塑性變形圍巖的處理與監(jiān)測(cè)分析

針對(duì)tbm施工隧洞中的圍巖分類問題,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類應(yīng)針對(duì)圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》圍巖穩(wěn)定性基本分級(jí)的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的耐磨性和巖體的完整性,將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個(gè)級(jí)別,對(duì)于當(dāng)今隧洞圍巖分級(jí)方法的進(jìn)一步發(fā)展,以及提高我國(guó)tbm施工隧洞的設(shè)計(jì)和施工水平具有一定的實(shí)用價(jià)值。

從設(shè)計(jì)和施工的角度,總結(jié)了開敞式tbm在塑性變形洞段施工的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。主要是:(1)塑性變形洞段的tbm施工,更適合于采用開敞式tbm;(2)及時(shí)進(jìn)行仰拱封閉,可以有效地阻止圍巖塑性變形的大幅度增長(zhǎng);(3)采用開敞式tbm施工隧洞的斷面尺寸設(shè)計(jì),應(yīng)預(yù)留允許的收斂變形量;(4)采用開敞式tbm施工,應(yīng)適當(dāng)配備超前加固、初期支護(hù)的輔助設(shè)施,保證施工安全、順利地進(jìn)行。

文章針對(duì)tbm施工隧洞的圍巖分類問題,分析了西南某水電站深埋隧洞影響洞室穩(wěn)定性的因素,以《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中的圍巖分類方法(hc分類)為基礎(chǔ),依據(jù)巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖體的完整性系數(shù)、巖體結(jié)構(gòu)為主要因素來探討適合tbm施工深埋隧洞的圍巖分類。

已有不少專家在tbm施工圍巖級(jí)別劃分方面進(jìn)行過有益探索,為后來的工作提供了很好思路。目前的問題是,所提出的分級(jí)指標(biāo)難以獲取、離散性較大、有一些與施工直接相關(guān)的指標(biāo)的定量化問題未能解決,尚未形成明顯共識(shí)的分級(jí)系統(tǒng)或方法。為此,有必要針對(duì)水工隧洞tbm施工圍巖類別劃分進(jìn)行詳細(xì)探討。本文提出以現(xiàn)行《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中水工隧洞圍巖分級(jí)方法為基礎(chǔ),參考秦嶺隧道tbm施工圍巖分級(jí)方法,根據(jù)tbm施工的工作效率、碴料特征和涌水狀況進(jìn)行分級(jí)修正,建立適合于tbm施工的水工隧洞圍巖分級(jí)修正模型,實(shí)現(xiàn)tbm施工水工隧洞的圍巖分級(jí),并以2個(gè)實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。

隧洞是建筑物引水系統(tǒng)的重要組成部分,地下隧洞開挖后深部圍巖應(yīng)力場(chǎng)的狀態(tài)變化對(duì)預(yù)測(cè)圍巖失穩(wěn)和開裂具有十分重要的意義。本文討論了圍巖應(yīng)力分析中的本構(gòu)模型和圍巖應(yīng)力分析中m-c準(zhǔn)則的應(yīng)用,用rfpa軟件對(duì)隧洞開挖過程中圍巖的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬,很好地驗(yàn)證了理論上的一些結(jié)論。

盤道嶺隧洞襯砌結(jié)構(gòu)變形、裂縫等病害問題日益突出,在重點(diǎn)病險(xiǎn)洞段選取監(jiān)測(cè)斷面,構(gòu)建變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng),埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)、應(yīng)變計(jì),進(jìn)行隧洞圍巖蠕動(dòng)變形及襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測(cè)。隧洞圍巖位移、溫度與襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變隨時(shí)間的相關(guān)關(guān)系表明,監(jiān)測(cè)期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變與圍巖位移整體呈負(fù)相關(guān)、但相關(guān)性較弱,與溫度呈正相關(guān)且相關(guān)性較強(qiáng),說明監(jiān)測(cè)短期內(nèi)襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變主要受溫度效應(yīng)影響。盤道嶺隧洞圍巖存在的蠕變變形是一個(gè)較為緩慢的過程,且多點(diǎn)位移計(jì)部分測(cè)點(diǎn)位移量與襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化表現(xiàn)出一定相關(guān)性,圍巖蠕動(dòng)變形勢(shì)必導(dǎo)致襯砌結(jié)構(gòu)病害不斷加劇。因此,應(yīng)加強(qiáng)不同部位、深度隧洞圍巖蠕動(dòng)變形的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè),預(yù)判圍巖蠕變對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定狀況的影響及發(fā)展趨勢(shì)。

本文針對(duì)tbm施工隧洞中的圍巖分類問題,通過分析研究國(guó)內(nèi)外大量tbm施工實(shí)例和一些現(xiàn)場(chǎng)及室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果,指出tbm施工條件下的隧洞圍巖分類應(yīng)針對(duì)圍巖的可鉆掘性,充分考慮影響tbm掘進(jìn)效率的主要工程地質(zhì)因素,提出了在《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》圍巖穩(wěn)定性基本分級(jí)的基礎(chǔ)上,依據(jù)巖石的單軸抗壓強(qiáng)度、巖石的耐磨性和巖體的完整性將tbm施工條件下的隧洞圍巖分為a(好)、b(一般)、c(差)3個(gè)級(jí)別的圍巖分類新方法,并將該方法應(yīng)用于掌鳩河引水供水工程tbm施工段工程實(shí)踐,取得了良好的效果。

根據(jù)布東水電站無(wú)壓引水隧洞圍巖產(chǎn)生的塑性變形特點(diǎn),結(jié)合施工進(jìn)程中的實(shí)際情況,采用了掛鋼筋網(wǎng)、噴混凝土、拱架及錨桿等處理措施限制巖體塑性變形,取得了良好效果。

錦屏二級(jí)水電站深埋引水隧洞處于西南高應(yīng)力區(qū),地質(zhì)條件復(fù)雜,巖爆、突水、塌方等工程地質(zhì)災(zāi)害突出,掌握tbm開挖圍巖損傷演化規(guī)律,設(shè)計(jì)有效的支護(hù)方案防治tbm施工過程地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是非常重要的。為此,開展tbm施工過程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究tbm開挖過程中圍巖損傷的演化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明:沿洞軸線方向,tbm開挖時(shí)掌子面前約10m的范圍內(nèi)圍巖已受到不同程度的損傷,tbm開挖后圍巖損傷破裂主要集中在掌子面后7m的范圍內(nèi),其中以掌子面后3m時(shí)為最;沿洞徑方向,圍巖受損傷的范圍約9m,根據(jù)損傷程度的不同,劃分為松動(dòng)區(qū)、損傷區(qū)和擾動(dòng)區(qū),依次為距洞壁3,3～9和9～22m的范圍。從力學(xué)的角度揭示損傷演化的機(jī)制和松動(dòng)區(qū)、損傷區(qū)和擾動(dòng)區(qū)劃分的依據(jù),為支護(hù)措施設(shè)計(jì)與支護(hù)時(shí)機(jī)的選取提供科學(xué)依據(jù)。分析討論傳感器選取、傳感器布置、現(xiàn)場(chǎng)噪音及地質(zhì)條件等各種因素對(duì)圍巖損傷結(jié)果的影響及進(jìn)一步發(fā)展和研究的方向。

傳統(tǒng)圍巖分級(jí)方法側(cè)重于圍巖的穩(wěn)定性,對(duì)于tbm施工隧道工程,圍巖與tbm均扮演重要角色,有必要建立一套服務(wù)于tbm隧道工程的圍巖分級(jí)新方法。依托引漢濟(jì)渭引水隧洞工程的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),對(duì)場(chǎng)切深指數(shù)fpi與地質(zhì)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性進(jìn)行分析,建立tbm隧道的圍巖可掘性分級(jí);對(duì)影響tbm利用率的主要地質(zhì)因素進(jìn)行分析,建立tbm隧道的適應(yīng)性分級(jí)。綜合考慮工程的圍巖可掘性及tbm適應(yīng)性,以施工速度為指標(biāo),建立基于掘進(jìn)性能的tbm施工圍巖綜合分級(jí)。分級(jí)選取巖石強(qiáng)度、巖體完整性、地下水狀態(tài)、初始地應(yīng)力狀態(tài)、隧道軸線與主要軟弱結(jié)構(gòu)面夾角等5方面因素指標(biāo),對(duì)tbm推力、貫入度、利用率和施工速度進(jìn)行影響關(guān)系綜合分析。結(jié)果表明,新建立的tbm施工圍巖綜合分級(jí)方法可以進(jìn)行tbm掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)與工期、成本分析,有效解決開敞式tbm工程實(shí)用圍巖分級(jí)問題。

巖樣單軸壓縮塑性變形及斷裂能研究——首先研究了應(yīng)變軟化階段巖石試件軸向塑性變形。假設(shè)局部化開始于峰值強(qiáng)度而軸向塑性位移根源于局部化的剪切位移。剪切帶的相對(duì)塑性剪切位移與應(yīng)力水平及剪切帶寬度有關(guān)，剪切帶寬度由梯度塑性理論確定。剪切帶的相對(duì)塑性...

彈塑性變形與極限載荷分析

在分析tbm施工圍巖歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,針對(duì)定性說明變量,將數(shù)量化理論ⅰ的數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化為多元線性回歸模型,再對(duì)圍巖樣本進(jìn)行多元線性回歸分析,導(dǎo)出了可以指導(dǎo)tbm施工圍巖分類的回歸方程。

針對(duì)首次立井煤礦tbm掘進(jìn)硬巖巷道工程應(yīng)用實(shí)際,進(jìn)行了巷道圍巖穩(wěn)定性分析和施工信息化監(jiān)測(cè),并采用abaqus有限元數(shù)值軟件研究了巷道圍巖位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和塑性區(qū)的分布規(guī)律,分析了擬定支護(hù)方案的巷道圍巖穩(wěn)定性。結(jié)果表明,巷道頂部的最大下沉量為33.26mm,巷道圍巖的塑性區(qū)范圍為0.8~1.2m。確定支護(hù)方式為錨網(wǎng)支護(hù)。在試驗(yàn)巷道掘進(jìn)過程中,進(jìn)行了圍巖內(nèi)部裂隙發(fā)育情況、巷道收斂變形和錨桿受力監(jiān)測(cè)。巷道頂板圍巖破損深度達(dá)1.5m,兩幫最大收斂量為12mm,錨桿軸力變化范圍為43.1~65.1kn。tbm施工硬巖巷道月進(jìn)尺達(dá)404m,相比傳統(tǒng)的鉆爆法和綜掘法單進(jìn)提高5~10倍,工程應(yīng)用表明,該工法安全高效。

隧洞圍巖如何分級(jí)(或稱分類),才能滿足tbm施工條件下的隧洞施工需要,是一值得研究的問題。結(jié)合大伙房輸水工程對(duì)tbm施工條件下的隧洞圍巖分級(jí),主要針對(duì)工程巖體的可掘進(jìn)性進(jìn)行研究,并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),這對(duì)tbm隧洞圍巖的分級(jí)方法進(jìn)一步研究和tbm隧洞施工都有利。

結(jié)合西安-南京線桃花鋪1#隧道采用隧道掘進(jìn)機(jī)(tbm)施工實(shí)踐,運(yùn)用有限元法,針對(duì)tbm施工隧道中常見的軸線偏移問題,定量分析了tbm施工隧道超欠挖對(duì)隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響,得出的結(jié)論可供同類工程參考。

以雙護(hù)盾tbm施工為例,將施工中能獲取的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行分類整理,并進(jìn)行較為系統(tǒng)的分析比較,從中篩選出與雙護(hù)盾tbm高度相關(guān)的參數(shù)信息,為構(gòu)建圍巖分類體系模型的參數(shù)選取奠定了基礎(chǔ),力求在此基礎(chǔ)上構(gòu)建一個(gè)較為合理的tbm施工工程地質(zhì)圍巖分類基本模型。

長(zhǎng)距離輸水隧洞的tbm施工技術(shù)復(fù)雜,工序繁多,且受到眾多不確定性因素(尤其是地質(zhì)條件)的影響,給工程施工進(jìn)度的安排及計(jì)劃帶來了相當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)。在分析圍巖巖性分布隨機(jī)特性的基礎(chǔ)上,提出了基于markov過程的地質(zhì)巖性風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法,確定了沿隧洞軸線上巖性的分布概率,克服了以往方法難以量化地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的弊端,為定量分析地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)提供了新的途徑。在顧及巖性不確定性和工作活動(dòng)時(shí)間隨機(jī)性條件下,建立了針對(duì)不同巖性的tbm施工隨機(jī)循環(huán)網(wǎng)絡(luò)仿真模型,采用monte-carlo方法,對(duì)工程工期、完工概率以及資源利用情況進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)分析。工程實(shí)例應(yīng)用表明本方法的可行性及有效性。

隧洞施工中如支護(hù)變形過大,往往會(huì)造成侵限斷面或者初期支護(hù)發(fā)生變形破壞,二次襯砌時(shí)需要對(duì)侵限部位處理,增加了施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn),若處理不當(dāng),極易發(fā)生安全事故,存在安全隱患.本文敘述了處理遼寧省大伙房輸水隧洞一期工程初期支護(hù)脫落、底板開裂隆起等隧洞開挖后侵占隧洞襯砌斷面問題的施工技術(shù),為類似施工提供參考.

結(jié)合工程實(shí)例,通過對(duì)財(cái)神梁隧道全斷面法和臺(tái)階法兩種不同開挖方法下典型斷面的圍巖變形監(jiān)測(cè),研究了其穩(wěn)定性狀況,并對(duì)圍巖變形曲線進(jìn)行了回歸分析,從而優(yōu)化開挖方法和指導(dǎo)施工。

根據(jù)彈塑性熱力耦合大變形有限元理論,獲得熱軋過程中的數(shù)值仿真模型,分析軋制過程中軋件單道次軋制的變形規(guī)律以及平均應(yīng)變率、摩擦因數(shù)等參數(shù)對(duì)軋制變形的影響。計(jì)算結(jié)果表明,軋件的應(yīng)變?cè)谲堉七^程中逐漸增大,并且在軋件表面的應(yīng)變要大于其中心應(yīng)變;軋件表面在軋制入口處應(yīng)變率最大,軋件中心最大應(yīng)變率發(fā)生在接觸區(qū)約1/3處;軋件表面應(yīng)變受摩擦因數(shù)的影響較大,軋件中心處應(yīng)變及整體應(yīng)變率受摩擦因數(shù)影響較小。

本文基于clough雙分量模型的思想,提出了鋼桿件彈塑性單元?jiǎng)偠确治龅乃矐B(tài)廣義clough模型概念,結(jié)合考慮幾何非線性,建立了桿系鋼結(jié)構(gòu)彈塑性變形實(shí)用分析方法。通過鋼剛架模型試驗(yàn)的分析,驗(yàn)證了本文分析方法的有效性,同時(shí)指出了幾何非線性對(duì)桿系鋼結(jié)構(gòu)彈塑性變形分析結(jié)果的影響。