高原深埋TBM施工隧洞岩爆风险评估及对策研究

摘要

21世纪以来，我国隧洞工程发展总趋势是“长、大、深”，即长度大、大断面和大埋深。地下隧洞围岩的稳定性直接影响着地下工程的成败，而岩爆是大型地下工程中常常遇到的重要地质灾害之一。以高原深埋TBM施工隧洞岩爆为研究对象，补充了隧址区片岩室内岩石力学试验，归纳了隧址区4种岩样室内岩石力学试验结果，分析了研究区原岩应力场和二次应力场，运用强度理论和神经网络对研究区的岩爆进行了风险评估，在此基础上提出了岩爆洞段的施工措施。研究岩爆的风险与施工对策，有利于及早发现问题，降低岩爆带来的损失，同时为雅鲁藏布江下游的规划设计提供依据。取得如下几点研究成果:
　　(1)片岩室内力学试验结果表明:常规三轴试验中，轴压受围压影响较大，较小的围压都可以使轴压的峰值强度明显提高。在卸围试验中，卸围条件下的应力-应变曲线包含弹性-屈服-脆性-塑性四个阶段，且曲线存在明显的屈服阶段;对不同卸围速率试验分析发现，卸围速率过快会导致试样的加速破坏。
　　(2)对研究区的原岩应力场和二次应力场的分析，研究区属极高应力区，估算出最大主应力值约为80MPa，且主应力值随埋深的增加而增加。此外，基于有限元分析方法实现了原岩应力场的数值模拟。结果表明，隧洞轴线最大主应力值约为76MPa，由于受断层的影响，其在断层附近减小了约10MPa。随后，对埋深2000m条件下的二次应力场的空间分布特征进行分析，结果表明，岩爆发生位置可能受应力差的影响，引水隧洞掌子面到2倍洞径区是岩爆高发段。
　　(3)运用强度判据和能量判据分别对研究区的岩爆进行评估。结果表明，该区域以弱～中等岩爆为主，部分区域存在强烈岩爆发生的可能。此外，运用BP神经网络对岩爆倾向性进行评估，其结果为弱～中等岩爆，与判据结果基本一致。
　　(4)由于岩爆的成因主要取决于隧洞的应力条件和施工触发，提出本工程岩爆洞段的施工应采取预防为主，防治结合的方案。同时考虑到距掌子面到2倍洞径处为岩爆多发段，从支护措施方面考虑，及时有效地实施支护不仅能够改善地应力的大小和分布，同时还能使隧洞周边岩体的应力状态从平面变为空间三向受力状态，进而实现减缓或避免岩爆地质灾害的发生。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 地应力研究现状

1．2．2 岩爆机理及风险评估研究现状

1．2．3 岩爆洞段TBM施工技术研究现状

1．3 论文研究思路、内容及技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究思路

1．3．3 技术路线

第2章 地质环境条件

2．1 自然地理条件

2．1．1 地理位置与交通

2．1．2 气候

2．1．3 水文

2．2 区域地质背景

2．2．1 区域地质构造

2．2．2 地震

2．3 工程地质条件

2．3．1 地形地貌

2．3．2 地层岩性

2．3．3 地质构造

2．4 水文地质条件

2．5 隧洞工程地质分段与特征

第3章 隧址区岩石的物理力学特性

3．1 概述

3．2 岩石的物理特性

3．3 岩石的单轴抗压强度与压缩试验

3．3．1 试验过程

3．3．2 试验结果及分析

3．4 岩石的抗拉强度

3．4．1 试验过程

3．4．2 试验结果及分析

3．5 岩石的三轴试验特征

3．5．1 试验制备和试样设计

3．5．2．试验结果及分析

3．6 岩石的卸荷特性研究

3．6．1 不同围压下的卸荷三轴试验

3．6．2 不同速率下的卸荷三轴试验

3．7 本章小结

第4章 隧洞的原岩应力场及二次应力场分析

4．1 概述

4．2 原岩应力场的初步估算

4．2．1 垂直应力场分布规律

4．2．2 水平应力场分布规律

4．2．3 最大应力方向

4．3 原岩应力场的数值模拟研究

4．3．1 三维地质力学模型的建立

4．3．2 成果分析

4．4 二次应力场的平面分布特征研究

4．4．1 静水压力式的天然应力场

4．4．2 非均布天然应力场

4．5 二次应力场轴向分布特征的数值模拟

4．5．1 计算模型确定

4．5．2 成果分析

4．6 本章小结

第5章 隧洞围岩的岩爆风险评估

5．1 概述

5．2 岩爆的评判及分级

5．2．1 岩爆的影响因素

5．2．2 岩爆的烈度

5．3 基于理论方法的岩爆风险性评估

5．3．1 强度理论判据法

5．3．2 能量理论判据法

5．4 基于BP神经网络的岩爆风险性评估

5．4．1 神经网络模型的建立

5．4．2 神经网络的训练与测试

5．4．3 引水隧洞岩爆预测及结果分析

5．5 本章小结

第6章 岩爆洞段TBM施工对策研究

6．1 TBM概述

6．2 TBM掘进施工过程中的主要工程地质问题

6．2．1 高地应力

6．2．2 断层破碎带

6．2．3 软岩

6．2．4 地下水

6．2．5 研究区主要地质问题

6．3 岩爆洞段TBM的施工对策

6．3．1 弱岩爆洞段的施工对策

6．3．2 中等岩爆洞段的施工对策

6．3．3 强烈岩爆洞段的施工对策

6．4 基于岩爆风险评估的TBM选型建议

6．4．1 TBM选型影响因素分析

6．4．2 TBM选型建议

6．5 本章小结

结论与建议

致谢

参考文献

攻读学位期间取得学术成果