软岩平硐TBM施工围岩稳定性控制研究.pdf

supporting and segment support is analyzed, and the settlement of the segment support is one half times lower than that of the tunnel under the no supporting State with the continuous depth of excavation. The peak stress decreases and is linearly distributed. According to the theory to elastic hole, the optimized segment support parameters are designed, combined with the engineering example under the condition of TBM constructing segment support. Based on the SIR-20 geologic radar to scan and monitor the segment support area, it is very good to monitor the density of the surrounding rock supported by the display wall, and the elastic-plastic influencing range of the top floor is controlled effectively by the segment support. After the tube is added to the wall, the surrounding rock is tightly continuous, the support effect achieves the expected goal, the control effect is good, and the safety excavation is realized. The results could provide great scientific significance and value of guidance for supporting technology of roadway under the condition of TBM construction in soft rock adit. Key wordshorizontal tunnel construct;Tunnel Boring MachineTBM;segment support; numerical simulation; safety control. Research Type Application Research 目录 I 目录 1 绪论.........................................................................................................................................1 1.1 选题背景及研究意义..................................................................................................1 1.1.1 选题背景............................................................................................................. 1 1.1.2 研究意义............................................................................................................. 2 1.2 围岩稳定性控制国内外研究现状...............................................................................2 1.2.1 围岩稳定性控制国外研究现状..........................................................................2 1.2.2 围岩稳定性控制国内研究现状..........................................................................4 1.3 论文研究的主要内容.................................................................................................. 2 1.4 论文采取的研究方案及技术路线...............................................................................6 1.4.1 研究方案............................................................................................................. 6 1.4.2 技术路线............................................................................................................. 7 2 软岩平硐 TBM 施工地质特征及平硐围岩应力分析...........................................................8 2.1 工程地质概况.............................................................................................................. 8 2.1.1 地质条件............................................................................................................. 8 2.1.2 生产技术条件......................................................................................................9 2.1.3 软岩地质段特征分析..........................................................................................9 2.1.4 富含裂隙水地质施工影响分析........................................................................10 2.2 软岩平硐岩体力学特征分析.....................................................................................11 2.3 基于弹性孔理论的副平硐围岩应力分析.................................................................12 2.4.1 基于双向等压应力场内的圆形单孔分析........................................................12 2.4.2 基于双向不等压应力场内的圆形单孔分析....................................................13 2.4.3 多孔周围的应力分布........................................................................................14 2.4 本章小结..................................................................................................................... 15 3 软岩平硐 TBM 施工围岩运移规律物理模型实验............................................................ 16 3.1 概述............................................................................................................................ 16 3.2 软岩平硐 TBM 施工物理相似模型实验设计..........................................................16 3.2.1 平硐 TBM 施工软岩岩层模型构建.................................................................16 3.2.2 平硐 TBM 施工软岩岩层围岩稳定性监测系统.............................................17 3.2.3 三维物理相似模拟实验过程............................................................................19 3.3 实验结果分析............................................................................................................22 3.3.1 管片支护条件下副平硐应变分析....................................................................22 3.3.2 副平硐掘进条件下热红外辐射特征................................................................24 3.3.3 模拟岩层位移变形特征规律............................................................................26 目录 II 3.3.4 副平硐内部岩体变形光学分析........................................................................28 3.4 本章小结....................................................................................................................28 4 软岩平硐 TBM 施工围岩稳定性三维数值计算................................................................ 30 4.1 概述............................................................................................................................ 30 4.2 TBM 掘进副平硐三维数值计算模型构建................................................................30 4.2.1 模型构建........................................................................................................... 30 4.2.2 岩体物理力学参数及本构关系........................................................................31 4.2.3 数值模拟的计算程序.........................................................................................31 4.3 副平硐围岩塑性区分布及变形表征.........................................................................32 4.4 管片支护作用下副平硐围岩应力分布特征.............................................................34 4.5 副平硐掘进扰动作用下覆岩变形规律分析.............................................................36 4.6 TBM 掘进副平硐支护作用下管片内力分析............................................................39 4.6.1 管片受力分析数值模型....................................................................................39 4.6.2 管片结构内力分布规律特征分析....................................................................40 4.7 本章小结.................................................................................................................... 42 5 工程应用...............................................................................................................................43 5.1 软岩平硐施工 TBM 选型..........................................................................................43 5.1.1 机型选择........................................................................................................... 43 5.1.2 TBM 姿态及模式确定.......................................................................................43 5.2 TBM 掘进副平硐施工工艺........................................................................................44 5.2.1 TBM 副平硐掘进...............................................................................................44 5.2.2 管片拼装........................................................................................................... 45 5.2.3 壁后填充固结....................................................................................................46 5.2.4 底板回填与混凝土浇筑....................................................................................49 5.3 现场效果监测与分析................................................................................................ 50 5.3.1 监测原理及方案................................................................................................50 5.3.2 监测结果分析....................................................................................................51 5.4 本章小结.................................................................................................................... 53 6 结论.......................................................................................................................................54 致谢...................................................................................................................................55 参考文献...................................................................................................................................56 附录...................................................................................................................................60 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 煤炭工业作为关系国家能源安全的重要基础产业，在未来相当长时期内，煤炭依然 是我国主要能源，根据能源发展战略行动计划20142020到 2020 年煤炭占一次能 源的比重仍在 62左右，到 2030 年煤炭在我国一次能源消费结构中的比重仍占 55左 右[1]。而煤矿巷道的掘进更是涉及煤矿安全生产、矿井快速建设等问题的关键所在[2]，一 般矿井开拓方式有立井、斜井、平硐和综合开拓等方式，其中平硐开拓多采用矿山法施 工，在我国西部地区应用较为广泛[3,4]。 煤矿巷道采用巷道掘进机Tunnel Boring Machine， TBM掘进是全新的全断面掘进机 施工隧道的先进技术，在重大工程隧道施工中已经得到全面普及使用，其特点是施工安 全，巷道掘进效率得到明显提升。传统煤矿巷道采用钻爆法施工，而 TBM 施工法具有 快速、优质、安全、经济、环保等特有优势，尤其在长、大、深隧道施工中更为明显[5,6]。 此次平硐使用 TBM 掘进技术，将对煤矿建井时间周期极大缩短，从而实现安全、高效、 环保矿山建设目标具有重要意义，巷道支护技术是煤炭掘进工程中的一项关键技术[7,8]。 煤矿地质条件复杂多变，平硐支护方式的选择和支护参数的确定也相应变化。断裂构造 的形成受地质应力的影响，而煤矿巷道处于断裂构造的复杂多变地质条件下，由于岩层 节理发育，多组节理互相切割，破坏了围岩的完整性，由此副平硐巷道的围岩力学特性 也随之而发生改变，支护手段简单无法满足现场实际支护需求[9]。良好的巷道围岩稳定 性决定着煤矿安全、高效的生产，据统计全国煤矿顶板事故中有 1/31/2 就发生在巷道 工程中。煤矿平硐巷道掘进采用 TBM 施工法，其巷道复杂多变的地质条件与 TBM 的相 互作用和巷道围岩稳定性的安全控制是掘进中面临的重大基础问题[10-15]。 本文以神华新疆公司涝坝湾煤矿副平硐为工程背景，对 TBM 在软岩巷道中掘进方 法、掘进技术、平硐纵断面设计、管片加壁后注浆支护控制围岩稳定性等方面进行研究。 TBM 穿越石门子水库东边界以西 121m 水体下副平硐巷道，此段前后约 120m 为泥质岩 层，岩土稳定性差、围岩级别低、孔隙率大、且富含裂隙水、围岩赋存条件较为复杂， 致使巷道随着 TBM 机掘进而出现多种形式的破坏和失稳现象，例如沿节理面或层理面 涨裂、弯折内鼓等形式[16-19]，故在该泥质岩层软岩地段施工如何保证 TBM 顺利通过， 围岩稳定性控制必定成为要解决的问题。 TBM 施工巷道掘进和管片加壁后注浆支护对煤 矿安全、高效建设具有极其重要的意义。 西安科技大学硕士学位论文 2 1.1.2 研究意义 本文通过对涝坝湾煤矿副平硐 TBM 施工穿越石门子水库地质区段软岩岩层及管片 壁后注浆支护控制围岩稳定性问题的研究，以神华新疆能源有限责任公司涝坝湾煤矿为 工程背景，通过现场勘探、室内岩石力学实验、借助物理相似模拟实验、数值计算及现 场综合监测等手段，最后综合分析得出合理的施工方法和副平硐围岩控制管片支护参数 优化，为现场安全高效掘进施工提供科学依据。由于 TBM 巷道施工综合应用了计算机、 自动化、机械、系统科学等领域里的高新技术，因此 TBM 施工工艺应用于煤矿长距离 岩石巷道掘进施工，对煤矿安全、高效建设具有极其重要的意义，为相似地质条件下巷 道 TBM 掘进施工提供借鉴。 1.2 围岩稳定性控制国内外研究现状 1.2.1 围岩稳定性控制国外研究现状 时至今日，众多国外专家针对 TBM 掘进过程中围岩失稳致灾问题，运用了理论分 析、物理模型实验、数值计算与工程应用等综合分析手段，剖析地下采掘过程中围岩运 移规律，得出众多创新性研究成果。 1 理论研究方面。Sapignia.M 等[20]基于岩石力学分级RMR 法的方法，剖析 TBM 掘速率与 RMR 法的相关性，从而建立较为合理的围岩稳定评价方式。Simoes M.G.等[21] 结合现场地质条件，构建掘进过程中 TBM 的性能预测模型。Kahraman S.[22]针对现场实 际条件，改良了 TBM 超前钻探技术，进而达到围岩稳定性控制目的。Shahin H.M.等[23] 基于 TBM 施工技术， 剖析围岩运移规律与应力演化特征。 G. Barla[24]分析岩体时效特性， 进而得出岩体流变引起挤压变形主要诱因为剪应力达至峰值。S.Yagiz[25]总结得出影响 TBM 施工安全的主要问题为挤压大变形诱导围岩失稳致灾。Seung Han Kim 等[26]针对 TBM 工艺，剖析支撑压力对掌子面稳定性的影响。Chang[27]和 gertsch[28]建立了一些刀盘 受力预测公式，若采用煤矿普通炮掘工艺或综掘工艺，存在矿井建井工期长预计仅该平 硐需 126 个月、工效低及安全保障程度差等问题。 2 物理模型实验方面。二十世纪七、八十年代，意大利、美国、德国、南斯拉夫 及瑞典、瑞士、前苏联、日本等世界先进国家就三维物理模拟实验台的研究工作开展了 广泛的相关理论及实践内容的探索，涉及领域包括水利工厂大坝建设，矿井顶底板稳定 性，地下大型盘区建设中巷道围岩与支护问题，露天山体边坡稳定性研究等，对这些工 程问题的理论研究与实验设备的开发研制进行了深入实践。进入二十世纪七十年代中后 期及八十年代以后，国内、外相继出现了平面应变相似模拟实验架、立体模拟实验架和 平板模拟实验架等多种形式的相似模拟实验装置。譬如著名的德国当时为西德埃森岩 1 绪论 3 石力学研究中心的 10m2m2m 的立体模拟实验台。 德国在 60 年代建立的巷道平面应变 模型实验装置基础上，于 80 年代初又建立了巷道立体模型实验装置，模型尺寸为 2.5m4.0m3.0m，每个方向加载 96000KN。美国三向加载模型尺寸为 0.6m0.6m0.2m。 除此之外， 如前苏联、 澳大利亚、 波兰等国均建有立体模拟实验台[29]。 正如 Dollineger G.L. 等[30]采用试验分析了 TBM 施工过程对岩体应力变形的影响。21 世纪初，澳大利亚昆士 兰州大学 Julius Kruttschnitt 矿业研究中心的 R.Castro，R.Trueman，A.Halim[31]在研究自 然 垮 落 开 采 条 件 下 独 立 拉 伸 区 时 构 建 了 大 型 三 维 物 理 模 型 ， 模 型 尺 寸 为 3.5m2.5m3.3m。原岩应力本为三维状态，研究其作用对象采用立体模拟实验台较为合 适，但这类模型的铺装、风干等问题尚需改善。Gertscha R.等[32]通过一系列试验研究了 TBM 在硬、脆性岩体施工时，隧道半径和掘进速度的关系。 3 数值计算方面。国外围岩稳定性数值计算研究起步早，如西德、波兰、英国、 日本等国都对围岩稳定性控制进行了许多研究，成果显著。随着 TBM 在隧洞掘进中的 广泛使用，国外众多学者对 TBM 的破岩机制及隧道围岩演化规律从地质、力学、试验 等角度进行了深入分析和研究，多用数值模拟的方法来研究隧道围岩，按其特点可以分 为连续变形和非连续变形分析两种，主要包括有限元法、有限差分法、边界元法、离 散单元法，以及近年来迅速发展起来的快速拉格朗日分析法、非连续变形分析方法和无 网格划分法等[33]。譬如 Gong 等[34]对深部岩体中的节理间距采用 FLACFast Lagrangian Analysis of Continua， FLAC三维数值计算方法进行研究， 运用离散元方法， 模拟了 TBM 在掘进时岩体破裂发展形态及其和掘进速率的关系，深入解释了裂隙形成和发展的 3 个 阶段。 4 工程应用方面。TBM 施工法指的是在地层中修建隧道和大型管道的一种暗挖式 施工方法，时至今日已经在世界各种重大隧道工程中得到普遍使用[35]。传统煤矿巷道掘 进方法一般使用钻爆法，而 TBM 施工法集安全、高效、绿色环保和利于围岩稳定性控 制等优势，已经成为公路交通、重大水利工程和新型矿山等重大工程首选工法。1841 年 英国泰晤士河隧道采取 TBM 施工顺利完成施工， 至 1851 年美国 Charls 发明了连续掘进 的 TBM，到 1956 年 James.Robbins 设计使用滚刀 TBM，TBM 技术革新历经 200 年的追 赶超越逐渐走向成熟。如今在全世界范围内被广泛应用于地铁、公路、铁路等工程，满 足跨海、越江、穿山、城市等越来越多的工程，取得了骄人成绩。硬岩掘进机的厂家主 要是美国罗宾斯obbins﹑德国维尔特Wirth﹑德国德马克Demag﹑瑞典阿特拉斯-佳 伐Atlas-Jarva四家公司。目前世界上每年开挖的隧道有 30～40由 TBM 完成，其中 采用硬岩掘进机开挖的隧道长度累积超过 4000km。众所周知，岩体和滚刀的相互接触 是岩石分析计算的基础[36]。近年来硬岩掘进机随着制造业和新技术﹑新材料的发展运用 得到了长足发展。国外的硬岩掘进机的直径，随着工程对象需要而变化。水工隧洞，平 均在 3.2～10m，铁路隧道平均在 6～10m，城市大型下水道及公路隧道大部分采用 8～ 西安科技大学硕士学位论文 4 12m 全断面一次成型硬岩掘进机一次成洞。方案设计、工艺细化、经济技术比较，对复 合式硬岩掘进机的施工方法、掘进技术、瓦斯防治、壁后注浆、长距离巷道运输、通风、 供水、测量等多方面进行研究。再如 Peter J.T.[37]对 TBM 和钻爆法相结合的施工方法进 行了探讨。Shahriar 等[38]综合考虑地质条件、掘进机性能和施工方法等因素，研究 TBM 掘进过程中围岩运移规律。国外 TBM 施工案例如表 1.1 所示。 表表 1.1 国外国外 TBM 施工案例施工案例 项目名称地点型号 直径掘进长度地质情况用途 Limmern瑞士S-575 5.2m1050m粉质黏土，夹砂水电站 圣彼得堡俄罗斯S-441 10.6m120m软和硬黏土扶梯井 Glendoe英国S-351 5.03m8100m花岗岩，石英片岩水电站 德班港巷道南非S-327 5.15m530m海港沉积层，砂岩服务巷道 Pajares,2 标西班牙S-281 10.16m10880m砂岩，页岩铁路巷道 Sorenberg瑞士S-163 4.52m5300m黏土，泥灰岩，页岩燃气管道 Erschlieβung stollen Tscharner 瑞士S-155 9.53m2322m灰岩，泥灰岩，黏土运输巷道 1.2.2 围岩稳定性控制国内研究现状 迄今为止，众多国内学者针对 TBM 掘进过程中围岩失稳致灾问题，运用了理论分 析、物理模型实验、数值计算与工程应用等综合分析手段，剖析地下采掘过程中围岩运 移规律，得出众多创新性研究成果。 1 理论研究方面。隧道围岩变形和应力分布规律是开挖前首要考虑解决的问题 [39,40]。正如宋克志，袁大军等[41-43]基于 TBM 施工法隧道施工阶段管片力学特性剖析，研 究 TBM 施工阶段管片的受力变形特点，探索其局部破坏现象及其诱因，以此为基础， 构建了管片力学模型一端固定、一端简支的受力构件，为围岩稳定性研究提供了科学 依据。譬如陈卫忠等[44]对泥岩大变形随盾构施工法进行过程围岩稳定性研究，主要对盾 构隧道围岩混凝土衬砌管片应力及其位移场、孔隙压力、应力场分布规律进行了剖析归 纳得出了相关结论，为今后的泥岩地质段 TBM 隧道施工提供重要的参考价值。 2 物理模型实验方面。物理模型实验的测量内容通常有位移、应力/应变、变形、 裂隙的滑移及开裂等，通常采用的仪器有压力盒、扁千斤顶等，其中模型试验中直接测 量应力是比较困难的，它们往往用在加载系统中或模型边界处做初始应力的测量[45]。应 力测量一般分为直接法和间接法，常用的测力计等则是通过其它物理量的转换来间接测 量压力和应力，而应变的量测则可以直接在模型中进行[46]。正如柴敬[47]等为研究采场上 1 绪论 5 覆岩层运动过程中的应力应变，将准分布式布拉格光纤光栅技术FBG和基于脉冲预泵 浦布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术PPP-BO TDA联合应用于相似材料模型试 验的测试中，模型内部变形破坏多采用声发射测试仪、钻孔内窥仪及围岩松动圈测试仪 等测试仪器进行监测。 位移测量一般采用悬臂式测位仪， 它可以用来测量硐室周围位移， 也可用来测量节理之间的相对滑移及张开度[48]。如若进行多点量测时，则可以采用多点 位移计、多测点巡回监测仪及光学全站仪等等，其它测位计有百分表、千分表及差动变 压器式位移传感器，另外，也可利用激光散斑和白光散斑法量测位移及变形的技术[49]。 3 数值计算方面。马振乾等[50]针对煤层巷道围岩失稳致灾问题，基于数值计算方 法，剖析开挖时巷道围岩的应力分布以及位移变化特征，得出采掘诱导巷道顶部形成压 力拱结构，其扩展方向极易受到开挖深度的影响，优化巷道支护参数，进而提出相应支 护方式。崔峰等[51]等针对煤矿巷道支护问题，利用数值计算方法，研究水平分段放顶煤 下一阶段回采巷道在采动应力影响下的压力分布特征以及变形特征，最终提出在开采扰 动下的巷道支护优化方案。马亚杰等[52]依据现场特殊地质条件，基于 FLAC3D模拟软件， 研究采动致诱覆岩变形规律，以此为基础重新划分应力演变区域。陈俊生等[53,54]利用 ADINA 有限元软件， 对施工阶段管片的应力与应变时序演化规律进行了研究， 其模型为 一段 TBM 施工隧道，9 环管片结构支护，对其施加注浆压力和千斤顶压力，通过此模型 对施工阶段管片应力与应变分布规律的分析，表明 TBM 施工阶段衬砌管片纵向上的应 变和应力极易受到外荷载的影响，且管片之间的变形量随之发生改变。冷先伦等[55]应用 有限差分方法研究 TBM 开挖扰动下围岩破坏区域演化特征，得出相同条件下，TBM 开 挖隧道围岩位移和塑性区分别约为钻爆法的 65和 70。 4 工程应用方面。盾构掘进施工引起围岩变形和受力的大小主要受地层、隧道直 径、埋深和施工条件的影响[56]。我国硬岩掘进机技术起步较晚，1999 年，我国首次将 TBM 引入煤矿井筒建设工程中，隧道 TBM 施工技术成功应用于山西省乡宁县王家岭矿 井超长平硐10.8km开掘中，效果较好。2003 年塔山煤矿曾应用双护盾 TBM 机实施了 主平硐的施工，支护方式为锚喷支护，隧洞掘进直径 4.8m，设备采用美国罗宾斯 Robinns160 系列 154-273 型 TBM， 塔山矿区共 37 个断层， 主平硐穿越地质岩层较为坚 硬，由多个沉积岩地层到达二叠系含煤地层，隧道围岩介质多为砂岩、泥岩和硬质的混 合花岗岩、石英砂岩及砾岩，塔山矿主平硐 TBM 施工中，掘巷长度共计 3.4km，最高掘 进速度达到 560m/月，平均掘进速度为 483m/月，掘进速度远远大于同时钻爆法施工的 副平硐[57]。神华神东补连塔煤矿 2 号副井采用 TBM 施工，全长 2750m，于 2015 年 6 月 开工同年口月完工，平均月进尺 458m，最高月进尺 639m，为我国首次应用 TBM 及其 隧道施工工艺在长距离大坡度煤矿斜井建设中的工程应用。巷道支护技术是煤矿巷道工 程中的一项重要技术，煤矿地质赋存条件复杂多变，巷道的支护形式和支护参数也应随 之发生改变。因为地应力的作用煤矿巷道断裂构造得到有效发展，处于这些构造带中的 西安科技大学硕士学位论文 6 巷道，由于岩层节理发育，多组节理互相切割，围岩完整性遭到破坏，巷道围岩力学性 质遭到改变，所以支护首段单一无法保证破碎巷道的稳定性[58-60]。 就目前国内外研究成果表明，针对软岩平硐 TBM 施工围岩稳定性控制研究方面成 果颇丰，但目前的研究多局限于理论分析、数值模拟与工程实测，鲜有管片支护下矿山 TBM 施工巷