与TBM相关的主要工程地质问题研究
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摘要
TBM掘进技术作为当今世界上最为先进的隧道开挖方法已被广泛应用于世界各国的能源、交通、水利、国防等部门的地下工程建设中。然而,由于TBM对于地质条件的适应性较差,在隧道施工条件愈加复杂、技术要求更高的今天,TBM施工过程中出现了多种工程地质问题甚至发展成严重的工程事故,造成很大的经济损失。因此,对TBM掘进技术的适宜性进行客观全面地评价,研究复杂地质条件下TBM施工中主要工程地质灾害的成因、规律以及预测预报方法和防治措施,在现代隧道技术研究中具有非常重要的地位。
本文首先从经济、技术角度对TBM掘进技术和常规钻爆法两种主要的隧道开挖方式的适宜性和适用范围进行了客观全面的评价,随后针对TBM施工隧洞的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别,并结合上公山隧洞对该方法进行了验证。结果表明,作者提出的基于TBM掘进效率的围岩分级方法能够比较真实地反映隧洞围岩对于TBM掘进的适宜性,且在工程实践中是可行的,具有较好的实用价值。
在归纳、总结国内外大量TBM施工隧洞工程实例的基础上,指出软岩大变形、突涌水、岩爆以及瓦斯突出等是影响TBM正常掘进的主要工程地质灾害,尤其是软岩大变形和突涌水;并从岩石力学和工程地质角度对各种工程地质灾害的形成机制和规律进行了剖析,提出了相应的预测预报方法和防治措施。
最后,以上公山隧洞TBM开挖为例,采用先进的FLAC~(3D)软件建立相应的工程地质模型,分别对埋深、地形起伏和断层破碎带对TBM正常掘进的影响进行了数值模拟,研究了隧洞开挖后围岩的应力重分布和变形规律。
本研究可望为今后我国隧道工程规划和施工方案选取等重大决策提供依据,对于缩短工程工期、节省投资、提高经济和社会效益,以及提高我国隧道建设水平等方面都具有非常重要的意义。
As the most advanced tunnel excavation method in the world, TBM excavation technique has been applied extensively in tunnel construction of energy source, traffic, water conservancy and national defence in many countries. However, because of TBM's poor applicability for complicated engineering geologic condition, many problems occur in TBM excavation, even cause serious accident, resulted in great economics loss. So, it is very important to have an all-sided and objective evaluation of TBM's applicability, and study the genesis, rule, prediction methods and countermeasures of main engineering geologic hazards occurred in TBM excavation.First of all, the author take an all-sided and objective analysis of primary two tunnel excavation techniques - TBM excavation and drill-blasting method from the points of economy and technology. Then, aimed at rock classification of TBM tunnels, pointed out that rock classification of TBM tunnels should contrapose drillability of rock, and adequately consider the primary geologic factors which affect TBM driving efficiency. Claimed that classifying wall rock into three category on the basis of 'engineering rock mass classification standard', according to uniaxial compressive strength, wear resistance and integrity of rock mass. By applying it to TBM engineering practice of Shanggongshan tunnel, the result indicated this means can really reflect drillability of rock and possess preferable use value, and are feasible in engineering practice.After summing up a great deal of TBM engineering examples, pointing out that large deformation of weak rock, sudden water inflow, rock burst and gas projection are primary engineering geologic hazards which affect TBM driving, above all large deformation of weak rock and sudden water inflow. Taken apart of formation mechanism and orderliness of all kinds of engineering geologic hazards, and brought forward relevant prediction methods and countermeasures.Finally, established engineering geologic model using advanced FLAC~(3D) according to engineering geologic condition of Shanggongshan tunnel, and modeled the influence to TBM driving of buried depth, hypsography and faults fractured zone. Studied the rule of stress redistribution and distortion after tunnel excavation.
The research can offer reference for great decision of tunnel projects planning and construction scheme selection. It has very important significance for shortening time limit, reducing investment outlay, improving economic and social benefit, increasing tunnel construction level and so on.
本文首先从经济、技术角度对TBM掘进技术和常规钻爆法两种主要的隧道开挖方式的适宜性和适用范围进行了客观全面的评价,随后针对TBM施工隧洞的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别,并结合上公山隧洞对该方法进行了验证。结果表明,作者提出的基于TBM掘进效率的围岩分级方法能够比较真实地反映隧洞围岩对于TBM掘进的适宜性,且在工程实践中是可行的,具有较好的实用价值。
在归纳、总结国内外大量TBM施工隧洞工程实例的基础上,指出软岩大变形、突涌水、岩爆以及瓦斯突出等是影响TBM正常掘进的主要工程地质灾害,尤其是软岩大变形和突涌水;并从岩石力学和工程地质角度对各种工程地质灾害的形成机制和规律进行了剖析,提出了相应的预测预报方法和防治措施。
最后,以上公山隧洞TBM开挖为例,采用先进的FLAC~(3D)软件建立相应的工程地质模型,分别对埋深、地形起伏和断层破碎带对TBM正常掘进的影响进行了数值模拟,研究了隧洞开挖后围岩的应力重分布和变形规律。
本研究可望为今后我国隧道工程规划和施工方案选取等重大决策提供依据,对于缩短工程工期、节省投资、提高经济和社会效益,以及提高我国隧道建设水平等方面都具有非常重要的意义。
As the most advanced tunnel excavation method in the world, TBM excavation technique has been applied extensively in tunnel construction of energy source, traffic, water conservancy and national defence in many countries. However, because of TBM's poor applicability for complicated engineering geologic condition, many problems occur in TBM excavation, even cause serious accident, resulted in great economics loss. So, it is very important to have an all-sided and objective evaluation of TBM's applicability, and study the genesis, rule, prediction methods and countermeasures of main engineering geologic hazards occurred in TBM excavation.First of all, the author take an all-sided and objective analysis of primary two tunnel excavation techniques - TBM excavation and drill-blasting method from the points of economy and technology. Then, aimed at rock classification of TBM tunnels, pointed out that rock classification of TBM tunnels should contrapose drillability of rock, and adequately consider the primary geologic factors which affect TBM driving efficiency. Claimed that classifying wall rock into three category on the basis of 'engineering rock mass classification standard', according to uniaxial compressive strength, wear resistance and integrity of rock mass. By applying it to TBM engineering practice of Shanggongshan tunnel, the result indicated this means can really reflect drillability of rock and possess preferable use value, and are feasible in engineering practice.After summing up a great deal of TBM engineering examples, pointing out that large deformation of weak rock, sudden water inflow, rock burst and gas projection are primary engineering geologic hazards which affect TBM driving, above all large deformation of weak rock and sudden water inflow. Taken apart of formation mechanism and orderliness of all kinds of engineering geologic hazards, and brought forward relevant prediction methods and countermeasures.Finally, established engineering geologic model using advanced FLAC~(3D) according to engineering geologic condition of Shanggongshan tunnel, and modeled the influence to TBM driving of buried depth, hypsography and faults fractured zone. Studied the rule of stress redistribution and distortion after tunnel excavation.
The research can offer reference for great decision of tunnel projects planning and construction scheme selection. It has very important significance for shortening time limit, reducing investment outlay, improving economic and social benefit, increasing tunnel construction level and so on.
引文
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