TBM的地質(zhì)適應(yīng)性不佳,在斷層破碎帶、富水裂隙帶與軟硬不均巖層等不良地質(zhì)中容易出現(xiàn)TBM卡機災(zāi)害,而在深長隧道TBM施工中軟硬復(fù)合巖層屢見不鮮,因此有必要研究TBM在深埋復(fù)合巖層中掘進時卡機災(zāi)害致災(zāi)機理及防治措施。本文采用室內(nèi)試驗、理論研究及數(shù)值模擬分析相結(jié)合的方法,探究復(fù)合巖層常規(guī)三軸壓縮及流變力學(xué)特性,提出能合理描述復(fù)合巖層力學(xué)行為的力學(xué)模型,據(jù)此分析深長隧道圍巖變形的時空演化規(guī)律,結(jié)合ABH工程探究深埋軟硬復(fù)合巖層條件下TBM掘進卡機災(zāi)害控制措施。主要研究內(nèi)容及成果如下:(1)采用水泥、石英砂和水等材料配制了軟、硬兩種類巖石材料,制作了不同層間傾角軟硬層狀復(fù)合類巖石標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣,進行了復(fù)合巖層類巖石試樣三軸壓縮流變試驗,基于室內(nèi)試驗結(jié)果,分析了層間傾角對復(fù)合巖層流變破壞強度、破壞模式、流變變形及長期強度的影響規(guī)律。(2)在經(jīng)典Mohr-Coulomb模型及Burgers流變模型的基礎(chǔ)上,通過引入累計損傷演化率,建立了巖石損傷軟化本構(gòu)模型以及巖石損傷流變本構(gòu)模型,用以分別描述巖石在加載過程中的瞬時變形及流變變形特性。將本構(gòu)模型進行二次開發(fā)并用于數(shù)值計算,基于室內(nèi)試驗結(jié)果對模型的準(zhǔn)確性及有效性進行了驗證,對比結(jié)果表明模型可以較好反映巖石受力變形及損傷劣化特征。(3)以ABH項目中TBM掘進隧道為工程背景,進行了深埋復(fù)合巖層中圓形隧洞開挖后隧洞圍巖變形及破壞特征物理模型試驗,研究了隧洞洞周收斂位移及破壞特征,分析了邊界荷載恒定條件下洞周圍巖內(nèi)部主應(yīng)力及主應(yīng)變演化規(guī)律,試驗結(jié)果表明隧洞洞周圍巖損傷破壞規(guī)律同時受洞周圍巖應(yīng)力特征及圍巖巖性特征所控制。(4)進行了深埋復(fù)合巖層圓形隧洞開挖過程中圍巖變形及破壞特征數(shù)值模擬研究,探究了層間傾角、層間距、支護力以及開挖暴露時間對隧洞洞周圍巖變形及破壞特征影響規(guī)律。(5)總結(jié)分析了TBM掘進卡機災(zāi)害工程實例,探究了TBM掘進施工隧洞卡機災(zāi)害防治措施及TBM卡機脫困方法,以ABH輸水隧洞TBM施工工程為依托工程,采用本文建立的巖石損傷流變本構(gòu)模型,進行了TBM掘進機在穿越斷層破碎帶時TBM機身與圍巖相互作用數(shù)值計算,探究了超挖間隙與停機時間對TBM機身摩阻力的影響規(guī)律,研究結(jié)果將有助于TBM在該區(qū)域中安全快速高效的掘進。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TV223
【部分圖文】：

巖穩(wěn)定性差、地應(yīng)力增大、地下水賦存復(fù)雜、地層存在瓦斯等問題屢見不鮮，而 TBM 的地質(zhì)適應(yīng)性不佳，不如常規(guī)鉆爆法靈活，由此引發(fā)的突涌水、卡機（盾）、爆炸等工程災(zāi)害屢見報道，通過對國內(nèi)外 98 例 TBM 施工工程實例分析后發(fā)現(xiàn)，在 TBM 施工中，圍巖大變形、突涌水、巖爆及瓦斯突出（含煤地層）是導(dǎo)致 TBM 重大工程事故的主要工程地質(zhì)問題，尤其是軟巖大變形造成的卡機災(zāi)害，所占比例高達 37%[11]。TBM 施工設(shè)備龐大，設(shè)備造價高昂，因此 TBM 卡機災(zāi)害不但造成長時間卡機停工嚴(yán)重威脅設(shè)備和施工作業(yè)人員的安全，嚴(yán)重時造成護盾損毀，嚴(yán)重影響工程進度，進一步造成巨大的經(jīng)濟損失和嚴(yán)重社會影響。分析我國典型 TBM 卡機災(zāi)害案例可以看出，TBM卡機主要發(fā)生在深部軟硬復(fù)合巖層中，復(fù)合巖層巖性較單一巖層更為復(fù)雜，而深部地層中的高地應(yīng)力和巖體中的軟弱結(jié)構(gòu)構(gòu)成了圍巖擠壓大變形的基本條件，TBM 開挖擾動改變了巖體的應(yīng)力狀態(tài)，造成開挖擾動區(qū)圍巖體相繼進入峰前損傷擴容和峰后破裂碎脹狀態(tài)使得圍巖產(chǎn)生強烈擠壓大變形[13]。當(dāng)掌子面圍巖快速變形甚至發(fā)生塌方時，會導(dǎo)致 TBM機頭被卡，而當(dāng) TBM 開挖時護盾區(qū)域圍巖產(chǎn)生的擠壓大變形超過圍巖與護盾間的預(yù)留間隙時，隧洞圍巖與 TBM 護盾開始接觸并產(chǎn)生擠壓力，當(dāng) TBM 掘進時的推進力小于圍巖與護盾間的摩阻力時就會造成機身護盾被卡甚至被毀，典型 TBM 被卡情形如圖 1-1 所示。隧洞圍巖

博士學(xué)位論文常規(guī)三軸壓縮、循環(huán)加卸載條件及復(fù)雜應(yīng)力路徑下的應(yīng)變響應(yīng)特征，分析了層間縮破裂特征的影響規(guī)律；Gholamreza 等[25]進行了層狀復(fù)合砂巖單軸壓縮及巴西劈著重分析了不同層間傾角下砂巖破裂面衍生規(guī)律，給出了層狀砂巖在單軸壓縮及條件下的破壞模式；Ramamurthy[26]總結(jié)了前人關(guān)于復(fù)合巖層力學(xué)特性與層間傾角系，指出復(fù)合巖層抗壓強度隨層間傾角的演化規(guī)律主要呈 U 型（U-type）、波ndulatory type）及雙肩型（Shoulder type）三種。

路線析和數(shù)值計算三者相結(jié)合的4 所示，具體研究方法如下試驗，分析層間傾角對復(fù)合破壞特征。進行復(fù)合巖層中周圍巖變形及破壞特征及其驗驗證中。模型進行復(fù)合巖層 TBM 掘合巖層中隧道開挖過程中道洞周變形破壞的關(guān)鍵點，比等。研究背景，研究 TBM 掘進時間、及超挖間隙對 TBM提出深埋復(fù)合巖層 TBM 深部復(fù)合巖層 TBM 卡機災(zāi)害控制機理研究
【參考文獻】

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本文編號：2835845