隧道悬臂掘进机施工围岩力学效应分析.pdf

万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 隧道悬臂掘进机施工围岩力学效应分析 专业 桥梁与隧道工程 硕 士 生 王龙飞 指导教师 霍润科教授 摘要 随着我国经济社会的持续发展和城市化进程速度的不断加快，发展城市轨道 交通和开发地下空间已成为必然趋势。贵阳地铁三号线八标段所处地质条件复杂， 施工区间围岩软弱，沿线建构筑物繁多，施工难度系数大，对施工方法的要求高。 采用 FLAC3D 软件对悬臂掘进机和爆破法施工分别进行了模拟计算，从隧道围岩 位移场、应力场、塑性区及振速等变化特征进行对比分析，通过对围岩松动圈的 实地测量、理论计算、数值模拟，对松动圈的产生过程进行了分析，并确定了悬 臂掘进机施工围岩扰动范围，同时对支护参数进行适应性验证。论文主要的工作 和研究成果为 （1）通过对贵阳地铁三号线八标段花果园西 花果园东区间的地质特征、 周边环境进行分析，选择悬臂掘进机施工方法，概括了悬臂掘进机铣挖法凿岩机 制，总结了悬臂掘进机施工的适用性要求和施工工艺，分析了影响悬臂掘进机施 工效率的环境因素。 （2）引入荷载梯度释放法，采用 FLAC3D 软件对悬臂掘进机和爆破法施工分 别进行了模拟计算，分别从围岩应力、围岩位移、塑性区、地表沉降、地表振速 等方面对比分析，得出悬臂掘进机施工围岩位移、围岩应力随开挖进行呈现梯度 变化规律，发现悬臂掘进机施工对围岩破坏程度、对地面扰动和地面构筑物破坏 程度影响较小，探讨了悬臂掘进机施工围岩的力学效应。 （3）应用松动圈理论，结合 FLAC3D 数值模拟计算塑性区对围岩松动圈的形 成过程进行分析，采用声波测井仪和地质雷达现场测量了松动圈的范围，运用 Mo hr-Coulomb 准则计算了松动圈范围，同时将考虑爆破扰动的损伤因子 D 引入 Hoe k-Brown 准则进行爆破法围岩松动圈分析。基于数值模拟、现场实测、理论计算松 动圈的大小及形成过程确定悬臂掘进机施工围岩扰动范围， 验证 Mohr-Coulomb 准 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 则的适应性。 （4）基于松动圈的支护理论对软岩松动圈的支护机理和支护对象进行分析， 借助悬吊理论确定的悬臂掘进机施工围岩的扰动范围计算锚杆的理论长度，采用 FLAC3D 软件对锚杆支护方案进行数值模拟和参数优化，并与现场支护方案进行 对比分析，验证了优化方案的可行性。 关键字关键字悬臂掘进机；数值模拟；力学效应；扰动范围；悬吊理论 论文类型论文类型基础研究 国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目（51578447） 国家自然科学基金项目国家自然科学基金项目（41172337 横向课题横向课题贵阳市轨道交通 3 号线一期工程地铁隧道悬臂掘进机施工力学特 性及结构体系设计研究 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 Mechanical effect analysis of surrounding rock of tunnel cantilever roadheader construction Specialtybridge and tunnel engineering NameWang Longfei InstrutorProf. Huo Runke ABSTRCT Guiyang metro line three eight blocks is complex in geological conditions, the interval of weak surrounding rock, along the various architectural structures, such as schools under wear, your yellow road viaduct and under construction in the concert hall, the ground buildings standing, construction difficulty coefficient is big, lead to have stringent requirements on the construction , this of excavation engineering require the use of cantilever machine for steps. The cantilever roadheader has the advantages of small damage to surrounding rock, continuous and smooth excavation surface, minimal excavation disturbance and noise, and almost no impact on the residents and buildings on the ground. Based on the three line segments between HuaguoYuan east to HuaguoYuan west engineering practice, with the help of three-dimensional large geotechnical calculation software FLAC3D finite difference for standard double, single line tunnel for cantilever machine and construction for numerical simulation analysis, it is concluded that the cantilever machine for urban subway construction in weak rock has a good adaptability, the main work and research conclusions are as follows 1 Based on the actual site of the flower section, the cutting mechanism, cutting mode and applicability of the construction of the cantilever roadheader are analyzed, and the environmental factors that affect the construction efficiency of the cantilever roadheader are analyzed, and the reasons and advantages and disadvantages of the construction of the cantilever roadheader are summarized. 2 The gradient load release is used to carry out the numerical sim 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 ulation of the mechanical effect of the cantilever roadheader construction, an d the exponential time lag function is used to carry out the three-dimensional si mulation of the dynamic loading for the FLAC3D dynamical calculation module blasting construction. Based on the analysis of the displacement field, str ess field, plastic zone and vibration velocity of surrounding rock in the process of tunnel excavation and support under two kinds of construction s with different levels of surrounding rock, the mechanical effect of surrounding rock un der cantilever tunneling machine construction is studied. 3 from the theoretical level to explain the concept of loose circle, and introduces the properties and classification of the loose circle, combined with FLAC3D numerical simulation analysis of the plastic zone of surrounding rock loose circle process are analyzed, and the acoustic logging tool and the geological radar measuring the scope of loose ring, using Mohr - Coulomb theory, unified strength criterion calculating the size of the loose circle, introducing considering disturbance of blasting damage factor D Hoek Brown - criterion in calculating of surrounding rock loose circle theory. Based on numerical simulation, field measurement and theoretical calculation of the size and ation process of the loose circle, the disturbance range of surrounding rock for cantilever roadhead construction is determined, and the strength criterion applicable to Guiyang area is obtained. 4 Analyze the support mechanism and support objects of the soft rock loose ring based on the support theory of the loose ring ,and caculate the theoretical length of the anchor rod with the help of the disturbance range of the surrounding rock in the construction of the cantilever roadheader determined by the suspension theory ,using FLAC3D The software pers numerical simulation on the theoretical bolt length,and compares and analyzes with the on-site support plan,which verifies the feasibility of the optimized plan. Keywordscantileverroadheader;numericalsimulation;mechanicaleffect; perturbation range; Theory of suspension Paper typeBasic Research 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 National Tatural Science Foundation of China 51578447 National Tatural Science Foundation of China 41172337 Horizontal subjectGuiyang Rail Transit Line 3 Phase l ProjectResearch on th e construral system design of the cantilever tunnel boring machine for subway tu nnels 万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 I 目录目录 1 绪论绪论.......................................................................................................................1 1.1 研究背景及问题的提出............................................................................1 1.2 国内外研究现状........................................................................................1 1.2.1 爆破法研究现状.............................................................................1 1.2.2 悬臂掘进机研究现状.....................................................................2 1.2.3 围岩松动圈理论研究现状.............................................................5 1.3 研究内容及技术路线.................................................................................6 1.3.1 研究内容.........................................................................................6 1.3.2 技术路线.........................................................................................7 2 工程背景及悬臂掘进机的适用性工程背景及悬臂掘进机的适用性.......................................................................9 2.1 工程概况....................................................................................................9 2.2 三号线八标地质特征................................................................................9 2.2.1 工程地质.........................................................................................9 2.2.2 水文地质.......................................................................................10 2.3 悬臂掘进机铣挖法凿岩机制.................................................................. 11 2.3.1 悬臂掘进机截割机理................................................................... 11 2.3.2 悬臂掘进机截割方式...................................................................12 2.4 悬臂掘进机的适应性要求......................................................................12 2.4.1 悬臂掘进机机型及参数选择.......................................................12 2.4.2 影响悬臂掘进机施工的环境因素...............................................14 2.5 施工工艺分析..........................................................................................15 2.6 本章小结..................................................................................................16 3 施工围岩力学效应分析施工围岩力学效应分析.....................................................................................17 3.1 隧道施工数值模拟..................................................................................17 3.1.1 模拟软件的选取...........................................................................17 3.1.2 三维模型的建立...........................................................................17 3.1.3 计算参数的确定...........................................................................18 3.1.4 特征监测点的布置.......................................................................19 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 II 3.2 数值模拟方法..........................................................................................20 3.2.1 数值模拟的实现过程...................................................................20 3.2.2 荷载梯度释放法...........................................................................20 3.2.3 FLAC3D 动力分析的模拟............................................................21 3.2.4 特征监测点的布置.......................................................................24 3.3 数值模拟分析..........................................................................................24 3.3.1 位移变化特征...............................................................................24 3.3.2 应力变化特征...............................................................................27 3.3.3 塑性区变化特征...........................................................................30 3.3.4 振速分析.......................................................................................32 3.3.5 锚杆受力特征...............................................................................34 3.4 本章小结..................................................................................................34 4 施工围岩扰动效应研究及支护优化设计施工围岩扰动效应研究及支护优化设计.........................................................37 4.1 隧道围岩松动圈......................................................................................37 4.1.1 松动圈的形成过程.......................................................................37 4.1.2 隧道围岩松动圈分类及其性质...................................................38 4.2 基于松动圈的支护理论..........................................................................39 4.2.1 软弱围岩松动圈的支护机理.......................................................39 4.2.2 围岩松动圈的支护对象...............................................................40 4.3 铣挖法与钻爆法隧道开挖过程中产生的松动圈..................................40 4.3.1 松动圈产生的过程分析...............................................................40 4.3.2 松动圈计算理论...........................................................................41 4.3.3 松动圈分析...................................................................................43 4.3.4 现场量测围岩松动圈...................................................................44 4.3.5 确定悬臂掘进机施工围岩扰动范围...........................................49 4.4 锚杆参数设计及优化..............................................................................50 4.5 数值模拟分析..........................................................................................52 4.5.1 位移分析对比...............................................................................52 4.5.2 应力分析对比...............................................................................53 4.5.3 塑性区分析对比...........................................................................54 4.6 本章小结..................................................................................................55 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 III 5 结论与展望结论与展望.........................................................................................................57 5.1 结论..........................................................................................................57 5.2 展望..........................................................................................................58 参考文献参考文献.................................................................................................................59 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研项目.............................................65 致谢致谢.........................................................................................................................67 万方数据 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 绪论 1.1 研究背景及问题的提出 随着我国社会经济的持续发展和城市化进程速度的不断加快，城市交通的供 给与人民需求之间矛盾日渐凸显，为继续贯彻新时代的科学发展观念，加快转变 城市交通发展理念的步伐， 将公共交通提到城市发展的首要位置。 截至 2019 年底， 中国已有 40 个城市开通城市轨道交通运营线路 208 条，投入运营线路总长 6736.2 km。其中，地铁运营线路[1]5180.6 km，占比 76.9。由此可见，开发城市地下空 间已成为必然趋势[2-5]。国际隧道协会预言21 世纪是地下空间开发的世纪[6]。地下 空间的科学开发和利用，使得城市化密集的地上功能转入地下，使得城市功能走 向立体化，极大的舒缓城市交通压力、土地资源紧缺的现状。 在山地、高原为主的地区修建城市地铁等工程中，普遍使用爆破法进行暗挖 隧道，但是在主城区，爆破法施工带来的振动、噪音、扰动等弊端，给城市居民 的社会生活带来极大不便，因此，探索城市地铁新的施工方式刻不容缓[7-10]。已在 煤矿开挖中成功应用的悬臂掘进机技术被引进到隧道的开挖当中并取得良好的效 果。施工作业具有连续性，施工围岩自稳性高，施工断面平滑，机械化程度较高， 便于综合配套，是城市暗挖隧道施工较为理想的施工方式。由于悬臂掘进机是逐 步切削隧道掌子面，围岩应力的释放是呈梯度的；而爆破法开挖掌子面是一次或 多次成形，围岩应力也是一次或多次释放，因此悬臂掘进机施工对围岩的扰动及 围岩应力场分布与爆破法施工也有很大不同。若仍以爆破法施工引起的结构荷载 进行设计，一方面，保守的设计会造成环境资源的浪费，甚至破坏；另一方面， 设计不足给隧道结构埋下较大的安全隐患，可能导致隧道围岩的局部或大面积因 失稳而坍塌，引发严重的人员伤亡事故。因此，极有必要探究清楚悬臂掘进机施 工围岩的力学效应。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 爆破法研究现状爆破法研究现状 目前，众多学者针对爆破法施工围岩稳定性方面做过很多研究，并取得丰硕 的研究成果。马建军[11]根据矿山产出情况，对巷道围岩初始应力场、爆破荷载、 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 支护方式进行稳定性分析，得出松动圈厚度是变动的。蒋楠[12]以冬瓜山铜矿为工 程实际，采用 FLAC3D 模拟分析得出围岩位移场、应力场曲线变化特征与输入的 动荷载波形相关。张友峰[13]以土质边坡为载体，通过改变阻尼、边界、输入的动 载，对边坡位移、应力、塑性区的特征进行稳定分析。熊良霄[14]以实际隧道工程 为依托，模拟并分析地震荷载下隧道的稳定性，以边界条件为变量，分析得出，7 8 倍洞径最为合理。张宪堂[15]对含水巷道施工的爆破震动研究中，得出巷道围岩 含水与爆破震动危害程度反相关。费鸿禄[16]以铁矿为工程背景，采用有限元模拟 分析爆破震动对巷道造成的动力损伤，并将有限元模拟结合现场实测结果确定巷 道破坏程度。李夕兵[17]依托沙呗矿为工程实际，采用离散元动力分析巷道的破损 机制，发现动力荷载作用下巷道的位移、应力变化幅度较大。赵占雷[18]采用有限 差分法对隧道稳定性进行模拟分析，发现埋藏深度与隧道抵抗地震的能力呈反相 关关系。刘炜[19]采用有限元法建立数值模型，研究爆破作用时间与瞬间应力对巷 道稳定性造成的影响，发现巷道损伤随作用时间、单段药量成正比。肖福坤[20]判 断使用有限差分法数值模拟巷道爆破作业最大药用量。张玉成[21]基于圣维南原理， 考虑施加动力荷载，提出新的等效方法，利用等效后的动荷载模拟爆破效果。 综上表明，我国爆破法隧道施工技术已经很成熟。爆破法在我国隧道施工中 已取得相对比较成熟的理论并积累了很多成功经验。而在修建城市地铁等工程的 过程中，工程地质条件复杂，下穿、侧穿较多建筑物，爆破施工的特点及自身的 局限性，不可避免会对固有构筑物造成一定的累计损伤。爆破施工引起的地面扰 动及环境噪音问题突出，且仍没有找到有效的解决方法，势必对市民生活产质量 生较大影响。 1.2.2 悬臂掘进机研究现状悬臂掘进机研究现状 现今，我国岩质隧道施工方法有爆破法与非爆破法，非爆破法中有掘进机法 （TBM）、盾构法、铣挖法、液压冲击法、静态破碎法等[22-23]。 盾构法主要适用土质隧道开挖。液压冲击法、静态破碎法工艺复杂且施工效 率低，不适于隧道里程长且断面大的工程。而岩石掘进机的购置费和运输、组装、 拆卸等费用高，且施工过程中很难改变开挖的走向和轮廓，使用受到地质限制。 目前正在研发新型机械，仍难满足复杂的多变的需求，软弱围岩依然是重点难题。 对极限强度大于 200 MPa 的硬岩，刀具损耗导致成本急剧增大，施工进度大幅度 降低，对大型及特长隧道有着较好的适应性[24]。将机械开挖的方式引入隧道施工 万方数据 西安建筑科技大学硕士学位论文 3 中，把铣挖机安装在液压挖掘机上，适宜软弱及需要特殊处理的围岩地段[25]。铣 挖设备有装配式挖掘机和整体式悬臂式掘进机[26-27]。 悬臂掘进机有横向铣挖头和纵 向铣挖头两种类型，安装连接板可匹配现有挖机。装配式铣挖机经济、轻便，适 用于围岩级别软弱地层； 悬臂掘进机的功能齐全， 作业环境优良， 用于中硬岩石[28]。 围岩强度和完整状况是影响悬臂掘进机作业效率的两个因素。与 TBM 法相比，铣 挖法更经济、适应较软弱围岩、操作便捷，但对极软地层的适应性较差[29]。随着 悬臂掘进机技术在隧道施工中的成功应用，众多学者开始对悬臂掘进机开挖隧道 进行探索研究。 国外采用铣挖法施工技术起步较早且较成熟，目前更多的学者专注于改善掘 进机作业环境、切割头和自动控制施工方面的研究。Jiang B 等[30]为了研究悬臂式 掘进机在铁路隧道施工中的适用性和效果，通过试验段施工情况的总结及对监测 数据的分析，研究结果表明悬臂掘进机在铁路隧道施工中不受断面的影响，还可 提高围岩的自稳性，相比传统爆破具有削弱支护措施、节省工程量，提高施工进 度的优点。Liu G 等[31]，建立了悬臂掘进机切割头基于集尘量，能耗和生产效率的 优化模型函数，通过改变与岩石强度有关的参数来优化切割头参数，研究对于切 割头的结构设计和动力学参数选择意义重大。Yuan T 等[32]介绍了悬臂掘进机自动 导向定位技术原理和特点，得出基于陀螺瞄准镜和电子罗盘的制导技术可用于 自主导航，使用给定方向的激光作为参考坐标系可以很容易与现有的导航技术结 合。Feng R 等[33]基于神经网络 PID 的控制方法，分析了动臂掘进机的横摆速度直 接对动臂掘进机效率和靠性的响，得到煤岩系数 f，切削深度 B 和偏航速度 V 之 间的关系。Bin Q T L[34]研究得出通过改变通风方式可以解决隧道施工过程中产生 粉尘的问题，讨论了动臂式掘进机在具有复杂横截面地铁隧道中的适应性。Xia Z 等[35]研究发现悬臂式掘进机的使用可以加快施工进度，减少围岩扰动，降低安全 风险，提高开挖质量，这是传统钻爆施工无法比拟的。Yang Z X 等[36]通过采矿振 动记录仪对 EBH300（A）掘进机振动信号进行采集，使用 MATLAB 进行时域分 析，对隧道掘进机结构设计和故障诊断具有现实意义。Chen F 等[37]为了解决机械 掘进工作面粉尘污染问题，通过建立 CFD 模型，比较了粉尘控制对工作面不同轴 向和径向出风率的影响，并给出有效的参数范围。Li H 等[38]为了提高巷道掘进中 坚硬岩石的切割效率，提出一种采用刀具辅助水力压裂的破岩方法，并以此方法 进行水力压裂辅刀具破岩实验，分析水力压裂对切削性能的