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《武汉大学》 2010年
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深埋软岩隧洞双护盾TBM施工围岩稳定控制理论与技术

苏利军  
【摘要】:随着我国国民经济的发展和科学技术的进步,地下空间的利用越来越得到重视,且各种隧洞(道)逐渐朝长、大、深的方向发展,全断面岩石掘进机(简称TBM)的技术和经济优势日益体现,而双护盾TBM(简称DSTBM)因其良好的安全性与复杂地层适应性,已越来越多地出现在了我国的地下空间开拓主战场,且可以预见地将为我国未来的诸多大型调水工程的实施提供先进的手段。本文针对采用双护盾TBM施工的深埋软岩隧洞的围岩稳定控制理论和技术问题,对高地应力下的围岩稳定分析及管片结构计算与设计、双护盾TBM施工过程中的快速围岩类别识别及预测、施工期软岩变形特征及影响因素、软岩大变形洞段中的施工方案决策等关键问题进行了系统研究。 基于高地应力地深埋长隧洞弹塑性有限元模拟,研究得出了围岩应力与变形对不同埋深、不同岩性、不同应力场的变化规律。研究表明:深埋隧洞围岩变形、最大拉应力、最大压应力、剪切破坏区均随埋深的增加而增大;在重力地应力场中和全地应力场中的硬岩和软岩有不同的应力和变形响应规律。该部分研究为深埋隧洞管片结构计算与设计提供了依据,并据此进行管片结构计算与设计验证。 基于对双护盾TBM施工过程中的围岩类别识别及预测需求分析,研究了TBM各技术参数和工作参数,利用引大济湟工程TBM掘进参数记录资料和对应的施工地质编录资料,采用多元线性回归方法,得到了TBM掘进隧洞围岩质量指标BQTBM与TBM掘进参数之间的关系表达式:BQTBM=18.406F0.373/P0.127(相关性判定系数R2=0.865),为在围岩隔离环境中快速进行围岩识别与预测提供了与国内设计体系一致的经验方法,便于及时地反馈设计与施工,达到在施工过程中进行信息化设计、及快速、经济、安全施工的目的。 采用三维粘弹塑性模型,对基于卸荷变形的软弱围岩的流变特性及时效变形特征进行了分析和研究。针对围岩地应力场和岩体力学参数的不确定性,开展了多方案的计算分析;同时对施工过程中可能采取的超前导洞开挖方案进行了比较分析与论证。研究表明:高地应力下软岩段围岩的变形具有明显的流变性,表现为围岩瞬时变形和初始变形速率较大,经过一段时间后变形趋于稳定,呈衰减蠕变特征;围岩力学参数中,岩体的瞬时变形模量对软岩的变形影响较为显著;初始地应力场对隧洞开挖变形的影响十分明显,围岩初始应力值越大,隧洞开挖后的变形量及塑性区深度也越大;一般而言,超前导洞的洞径越大,开挖后围岩的应力释放效率越高,但超前导洞洞径太小时围岩的应力释放效率不明显。该部分研究建立了软岩变形量与围岩地应力场和岩体力学参数间的关系,为双护盾TBM施工深埋长隧洞在软岩大变形洞段施工稳定控制提供了理论依据。 基于软岩变形与支护特性的分析,得出软岩洞室支护结构的特性要求。借鉴新奥法施工隧洞的围岩与支护稳定耦合思路,研究提出了基于预制钢筋混凝土管片与豆砾石充填及灌浆层的不同特性的衬护时机及分期衬护程序实现方法,及围岩支护结构的后处理加固措施。研究了双护盾TBM不同于敞开式TBM的结构特点和不同于敞开式TBM和钻爆法的施工特点,在对国内外超前地质预报方法的原理及适用条件的分析基础上,提出适宜双护盾TBM施工深埋隧洞的超前地质预报方法并给出了实用方案:采用地质分析法进行宏观预判→采用BEAM法进行日常地质预报→在宏观预判和日常预报的基础上,结合TBM掘进参数和渣料性状进行实时识别与鉴定→特殊条件下的水平超前钻探、TSP探测等特殊预报。基于软岩卸荷变形规律研究,提出了双护盾TBM避困临界掘进速度的概念并给出了其计算方法、保证措施。结合引大济湟工程实例,研究了在软岩洞段正常掘进状态下的双护盾TBM设备改造、超前灌浆,及卡机状态下的双护盾TBM设备脱困、超前导洞等关键施工方法和措施。该部分为本文前面各章的综合应用研究,给出了双护盾TBM在软岩大变形洞段施工稳定与变形控制技术方案决策思路与方法。
【学位授予单位】:武汉大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U455.43;U451.2

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 熊晓晖;富水深埋TBM斜井围岩卸荷特性研究[D];重庆大学;2015年
中国硕士学位论文全文数据库 前6条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
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中国硕士学位论文全文数据库 前7条
1 徐海粟;岩石研磨性的预测方法研究[D];东北石油大学;2016年
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5 吕丹;盾构切刀摩擦磨损特性研究[D];中南大学;2012年
6 王凯;盾构机盘形滚刀及切刀磨损预测模型研究[D];中南大学;2011年
7 陈浩;TBM掘进效率与围岩相关性研究[D];西南交通大学;2010年
【同被引文献】
中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 余丽;卸荷裂隙岩体变分问题及内时理论的研究应用[D];南昌大学;2013年
2 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];武汉大学;2010年
3 乔金丽;盾构隧道开挖面的稳定性分析[D];天津大学;2009年
4 薛新华;岩土介质流—固耦合非线性损伤力学理论与数值分析[D];浙江大学;2008年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 张振;TBM姿态控制技术研究[D];浙江大学;2016年
2 饶云意;单对水平支撑TBM支撑推进协调性研究[D];浙江大学;2016年
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9 亓轶;采动对新街矿区管片结构斜井稳定性影响规律及合理保护煤柱宽度的确定[D];北京交通大学;2013年
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【二级引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
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中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 崔原,刘军;秦岭Ⅰ线隧道北口施工对TBM设备管理的几点体会[J];建筑机械;2000年07期
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8 万毅;全断面隧道掘进机(TBM)切割圈的研制[J];江西冶金;2002年05期
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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3 祁海燕;;TBM钢筋排架安装系统应用[A];水与水技术(第4辑)[C];2014年
4 吴德润;赵国光;唐洪乐;;TBM顶底复吹技术在梅山炼钢厂的运用[A];中国金属学会2003中国钢铁年会论文集(3)[C];2003年
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6 李建华;吕瑞虎;李文俊;;TBM(盾构)技术应用现状及几个主要技术关键的探讨[A];2012年中铁隧道集团低碳环保优质工程修建技术专题交流会论文集[C];2012年
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8 ;弗吉尼亚州罗宾斯双护盾TBM破非正式记录[A];第十三届海峡两岸隧道与地下工程学术及技术研讨会论文集[C];2014年
9 唐烈先;唐春安;黄满斌;徐奴文;;TBM掘进隧洞岩爆实时监测系统的构建[A];和谐地球上的水工岩石力学——第三届全国水工岩石力学学术会议论文集[C];2010年
10 ;印度喜马拉雅山脉首条TBM隧道贯通[A];第十三届海峡两岸隧道与地下工程学术及技术研讨会论文集[C];2014年
中国重要报纸全文数据库 前5条
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3 商报首席记者 刘敏;轨道建设提速4倍 巨无霸TBM挖出“重庆速度”[N];重庆商报;2012年
4 通讯员 资谊;煤炭行业首次TBM工法 设计通过专家论证[N];中国铁道建筑报;2011年
5 王佳 记者 王杰学;青藏高原首台TBM成功始发[N];西藏日报(汉);2013年
中国博士学位论文全文数据库 前2条
1 熊晓晖;富水深埋TBM斜井围岩卸荷特性研究[D];重庆大学;2015年
2 张寒冰;TBM支撑—推进—换步系统建模与同步控制研究[D];天津大学;2016年
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3 王子谦;TBM支撑推进换步机液系统数字仿真分析[D];天津大学;2014年
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5 林文凯;铁路隧道围岩蠕变对TBM圆形衬砌力学特性的影响研究[D];西南交通大学;2017年
6 陈青梅;TBM支撑—推进—换步机构动力学特性分析[D];天津大学;2016年
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9 沈斌;TBM边缘滚刀组合优化布置研究[D];中南大学;2014年
10 涂文平;受限空间下TBM减速器结构设计及其动态特性[D];大连理工大学;2014年
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