Numerical investigation of TBM jamming in fault zones and control measures

摘要

目前隧洞建设呈现长洞身、大洞径、大埋深、地质复杂、灾害频发的发展趋势，对于深长隧洞施工，TBM在掘进速度、成洞质量、造价与环保方面具有显著优势。然而TBM地质适应性差，在穿越断层等不良地质时极易遭遇突水突泥、塌方、大变形等地质灾害，诱发TBM卡机，造成工期延误和严重经济损失。因此，对TBM卡机机理及安全控制措施研究很有必要。本研究利用3DEC软件，构建了隧洞穿越断层TBM卡机防控措施优化数值计算模型，开展了TBM穿越断层破碎带支护参数优化和卡机安全防控关键技术研究，并取得了以下成果:　　(1)研究了断层几何参数对围岩变形和破坏特征的影响规律　　通过开展不同断层倾角(30°、60°、90°、120°和150)、不同断层带宽度(4m、8m、12m、16m和20m)和不同断层影响带宽度(12m、24m、36m、48m和60m)的数值计算，研究了断层倾角、断层带宽度和断层影响区宽度对TBM穿越断层断裂带时围岩变形和破坏特征的影响规律。　　(2)提出了围岩变形控制最优支护体系°分析了不同支护参数和防控体系下的围岩变形控制效果，揭示了围岩纵横向表面位移特征、围岩内部应力场和围岩破坏特征。研究发现，增大衬砌厚度对围岩变形的控制效果优于增大衬砌刚度，减小锚杆间距对围岩变形的控制效果优于增加锚杆长度，施加锚杆+混凝土衬砌可有效降低围岩变形，并综合围岩控制效果优化了围岩支护体系。　　(3)形成了TBM卡机防控技术°研究了刀盘扩挖、超前管棚、超前注浆、应力释放率等防控措施下TBM和围岩的相互作用关系，揭示了掘进过程中TBM刀盘、护盾的摩擦阻力演化特征。研究表明，刀盘扩挖+超前管棚+超前注浆+应力释放率组合措施可有效预防TBM卡机，并结合实际工程在TBM卡机防控中进行了验证和应用。

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