深部复合地层TBM隧道支护作用机理与稳定控制研究

【摘要】：TBM工法在交通、水利和矿山等领域应用广泛,在高山地区的TBM隧道施工中难以避免会遇到高应力环境下的软硬复合地层工况。深部软硬复合地层中的软岩和高地应力构成了围岩发生挤压大变形的基本条件,极易引起隧道工程的失稳破坏。基于深部复合地层TBM隧道施工的复杂工况条件,围岩稳定控制必须深入揭示支护体系的作用机理。本文依托国家973项目课题,采用室内试验、数值模拟、理论分析以及智能算法相结合的方法,包括特色的岩土变形计算机视觉量测系统,较为全面地研究了复合岩层的力学性质与破坏特征、深部复合地层TBM隧道掘进中的围岩变形与支护机理以及围岩变形的非均匀支护结构控制,取得了以下主要研究成果:(1)采用泥岩与砂岩胶结制作层间黏结强度已知的复合岩层试样,通过岩石力学伺服试验系统,获得了有侧限单轴压缩条件下的力学性质与破坏特征。复合岩层强度各向异性程度大于变形各向异性程度,声发射特征与复合岩层的倾角以及非协调变形密切相关。(2)自主研制了中小型电机双轴加载隧道相似物理模拟试验系统。该试验系统由加载试验机、隧道模型箱和支护模拟装置组成。其中,加载试验机采用伺服电机作为动力源,可实现单轴单、双向及双轴加载功能,能较好地模拟深部隧道工程复杂的受力环境;配套研制的横、纵断面隧道模型箱以及多重支护结构,为模型试验提供了条件支撑。(3)获得了深部复合地层TBM隧道不同工况下围岩破裂演化特征以及破坏模式。研究发现复合岩层中软、硬岩的非协调变形控制了岩体的损伤破坏演化过程;同时,采用神经网络建立了复合岩层变形全过程和破裂模式的实验预测方法,为复合地层TBM隧道支护作用机理研究提供了一种新方法。(4)基于模型试验和数值模拟,揭示了深部复合地层TBM隧道支护作用机理。研究表明支护不仅降低了围岩变形量,更增加了变形均匀性,调动了更大范围的围岩进行承载;同时,支护提高了围岩的整体性以及软、硬岩变形的协调性,调动了围岩的自承载作用,尤其是硬岩对软岩的支撑作用,减小了软岩与结构面处的损伤区范围。(5)为应对深部复合地层洞周围岩呈现非协调变形问题,提出了基于“衬砌+非均匀抗剪锚杆”联合支护的复合地层围岩稳定控制方法。数值分析表明,该方法能够有效控制复合地层的非协调变形,改善衬砌的局部受力状态,为深部复合地层TBM隧道支护设计提供参考。论文研究成果在深部复合地层TBM隧道支护作用机理与稳定控制方面具有较为重要的理论意义与实践应用价值。该论文有图89幅,表17个,参考文献145篇。