護(hù)盾式TBM掘進(jìn)穿越斷層破碎帶時,圍巖收斂變形過大易引起TBM卡機(jī)。文章以某輸水隧洞工程為背景,采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬研究,探究TBM在穿越斷層破碎帶時機(jī)身所受摩阻力的變化特征,分析超前支護(hù)強(qiáng)度及超挖間隙等因素對護(hù)盾式TBM機(jī)身受力及卡機(jī)風(fēng)險的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,護(hù)盾式TBM機(jī)身在軟弱破碎地層中所受摩阻力是TBM掘進(jìn)穿過該區(qū)域時卡機(jī)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵控制因素。機(jī)身處于斷層破碎帶時,護(hù)盾處圍巖徑向相對收斂變形達(dá)到0.16 m,超過預(yù)留變形,護(hù)盾所受的擠壓力及前進(jìn)摩阻力較高,護(hù)盾所受最大摩阻力約為108.71 MN。施加錨桿后洞周最大收斂位移減小了17.06%左右,說明錨桿支護(hù)作用對斷層破碎帶處洞周圍巖變形影響顯著。 

【文章來源】：現(xiàn)代隧道技術(shù). 2020,57(06)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

數(shù)值計算模型簡圖

在不考慮TBM護(hù)盾與支護(hù)條件下，計算所得隧洞洞周圍巖變形規(guī)律如圖2所示，圖中給出了掌子面位于20 m與60 m處時洞周圍巖變形曲線（LDP曲線）。從圖中可以看出，掌子面支撐效應(yīng)影響范圍約為掌子面后方4倍半徑處與掌子面前方2倍半徑處。掌子面位于硬巖層中時，洞周圍巖變形較小。當(dāng)掌子面位于軟弱破碎圍巖中時，隧洞洞周變形顯著增大，硬巖區(qū)圍巖對軟弱破碎區(qū)洞周圍巖變形具有約束作用，離軟硬分界面距離越遠(yuǎn)，硬巖區(qū)圍巖對軟巖區(qū)洞周圍巖變形影響越小。由此可見，TBM掘進(jìn)穿越軟硬復(fù)合地層時隧洞洞周圍巖變形規(guī)律與穿越單一硬質(zhì)或軟弱地層時并不相同。軟硬復(fù)合地層中，軟弱圍巖與硬質(zhì)圍巖相互影響、共同變形，因此進(jìn)行軟硬復(fù)合地層TBM施工設(shè)計時除了考慮軟弱圍巖大變形特征外，還應(yīng)合理考慮硬質(zhì)圍巖對軟弱地層中洞周圍巖的變形約束作用。當(dāng)隧洞開挖掘進(jìn)20 m時，掌子面位于硬質(zhì)砂巖中，圍巖質(zhì)量較好、強(qiáng)度較高，洞周最大收斂變形出現(xiàn)在距掌子面約10 m處，最大收斂變形約為0.02m；當(dāng)隧洞開挖掘進(jìn)60 m時，隧洞掌子面位于軟弱破碎圍巖中，圍巖質(zhì)量差、強(qiáng)度低，洞周最大收斂變形約為0.08 m。由此可見，TBM掘進(jìn)穿越軟弱破碎帶時護(hù)盾處圍巖徑向相對收斂變形達(dá)到0.16 m，超過圍巖與護(hù)盾間的預(yù)留變形0.1 m，圍巖將會與TBM護(hù)盾間發(fā)生接觸擠壓，TBM有可能由于圍巖擠壓作用發(fā)生卡機(jī)災(zāi)害。

隧洞開挖后，當(dāng)圍巖收斂變形超過TBM護(hù)盾與開挖輪廓面之間的預(yù)留變形量時，TBM機(jī)身護(hù)盾與洞周圍巖相接觸，二者相互作用，TBM穿越不同地層時洞周圍巖收斂變形曲線如圖3所示。對比圖3與圖2可以看出，考慮TBM機(jī)身護(hù)盾與管片對圍巖的支護(hù)作用后，隧洞洞周圍巖大變形主要發(fā)生在TBM機(jī)身段，且該段圍巖收斂變形表現(xiàn)出兩端小中間大的趨勢。由此可見，TBM穿越軟硬復(fù)合地層時，TBM機(jī)身前盾處受圍巖擠壓作用最強(qiáng)，減小TBM機(jī)身前盾所受摩阻力是預(yù)防TBM機(jī)身被卡的關(guān)鍵。圖4給出了TBM開挖掘進(jìn)過程中機(jī)身所受摩阻力與掘進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，當(dāng)TBM機(jī)身接近入口端時，TBM機(jī)身位于硬質(zhì)巖層中，機(jī)身所受摩阻力較小。隨著TBM進(jìn)一步向前掘進(jìn)，模型邊界對圍巖變形的影響逐漸減小，TBM機(jī)身所受摩阻力逐漸增大；而當(dāng)TBM機(jī)身進(jìn)入軟巖地層中時，護(hù)盾所受摩阻力顯著增大。當(dāng)TBM機(jī)身位于硬質(zhì)巖層時，護(hù)盾所受摩阻力約為54.40 MN；而當(dāng)TBM機(jī)身處于軟弱破碎地層中時，護(hù)盾所受最大摩阻力約為108.71 MN。因此，TBM機(jī)身在軟弱破碎地層中所受摩阻力是TBM掘進(jìn)穿過該區(qū)域時卡機(jī)災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵控制因素。

【參考文獻(xiàn)】：
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本文編號：3394985