深部复合地层TBM隧道支护作用机理分析

本文依托国家 973 项目课题“深部复合地层围岩与 TBM 的相互作用机理及安全控制（2014CB046905）”，以深部复合地层 TBM 隧道为工程背景，通过岩土变形计算机视觉量测系统、声发射监测系统、应变量测系统，结合自主研制的中小型电机双轴加载隧道相似模拟试验系统，运用室内试验、数值模拟、理论分析以及智能算法相结合的方法，对深部复合地层 TBM 隧道围岩破裂演化特征、支护作用机理以及围岩稳定性预测与控制进行了系统研究
1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景及意义（Research background and significance）

随着国家经济的发展，地下铁道、输水隧道、国防工程的不断建设，深部地下工程越来越多的成为了人们研究的重点，在其开发过程中，隧道在往深处发展。何满潮[1]经过多年来对深部工程的深入研究，提出了对深部的定义：深部是指随着开采深度的增加，工程岩体出现非线性物理力学现象的深度及其以下深度区间，位于该深度区间的工程为深部工程。深部工程的围岩具有高地应力、高低温、高渗透压以及强烈的开采扰动等特性，即“三高一扰动”，无法通过采用常规的施工工艺与支护对策进行围岩稳定有效控制。深部的地应力特征区别与浅部，图 1-1 为世界 30 多个国家的地应力分布图，其中侧压力系数 K1 和 K2 分别为最大水平应力、最小水平应力与垂直应力的比值。可以看出随着地层深度的增加，逐渐从浅部的构造应力主导的状态向深部静水压力的状态转变。

1.2 国内外研究现状（Research status at home and abroad）

1.2.1 复合岩层变形演化规律研究

复合岩层由有两种或两种以上岩性的岩层组成[8]，国内外学者对于横向各向同性、软硬相间的复合岩层破裂演化规律进行了大量的研究工作。Tien 等[9]配制了横向各向同性的类岩石材料，通过单轴压缩试验研究了横向各向同性类岩石材料的破坏模式，破坏分为沿结构面的拉伸劈裂，与结构面交叉的拉伸破坏和与结构面交叉的滑移破坏。Cheng等[10]通过单轴压缩试验研究了软硬相间复合岩层的强度和变形的各向异性特征，总结得到当岩层倾角从 0º增加到 90º，峰值应力、峰值应变和弹性模量呈现先减小后增加的趋势。Yang 等[11]通过 CT 扫描技术研究了软硬相间的复合岩层在不同侧压力下的破裂演化规律，研究发现复合岩层变形的不协调性，并且破坏模式与倾角密切相关。岩石-混凝土[12-15]、岩石-煤岩[16-19]的复合岩石也具有类似的复合岩性结构特征，国内外学者已做了大量的工作。上述研究工作均忽略了层间粘结强度的影响，研究表明[20]层间粘结强度对试样的强度影响较小，但是对破裂模式影响显著。层状岩体同样具有类似横向各向同性的岩层结构[21-29]，研究发现声发射特征表现出明显的各向异性特征，并与剪切行为有关。岩体主要发生顺层剪切破坏，并且两个结构面夹层内部岩体表现出梁的特征。剪切滑移导致了垂直结构面的方向上的张拉破裂。非均匀变形主要受岩层倾角和剪应力的影响。同时，国内外学者通过巴西圆盘劈裂试验研究层状岩体的抗拉强度与破裂模式的特征[30-35]。可以看出当前研究缺乏实际工程中典型的“上软下硬”复合岩层（图 1-2），同时忽略了复合岩层层间粘结强度的影响。复合岩层以结构面走向与隧道轴向的关系分为两种地层工况，结构面走向平行于隧道轴线（图 1-4（a）），以及结构面走向垂直于隧道轴线（图 1-4（b））。分析复合地层洞周围岩的变形破坏演化规律有助于评价隧道稳定性，为研究围岩与支护的相互作用规律奠定基础。

2 深部复合岩层的力学特性与变形特征

2 Mechanical behavior and deformation characteristics ofthe mixed strata specimens

上软下硬复合岩层是 TBM 隧道施工中一类常见的特殊地层条件，分析隧道洞周复合岩层的变形破坏演化规律有助于评价隧道稳定性以及研究围岩和支护的相互作用。与此同时，地应力是 TBM 隧道施工中影响围岩岩体稳定性的重要因素[108]，高地应力容易诱发硬岩岩爆，或者导致软岩挤压大变形等一系列工程灾害。本章旨在研究地应力升高时复合岩层的变形破坏演化规律，首先介绍复合岩层试样的制备方法，然后通过岩石力学伺服试验系统，获得复合岩层试样在有侧限单轴压缩条件下的力学性质与破坏特征，最后通过数值模拟定量分析复合岩层的损伤演化过程。

2.1 试验材料与试验过程（Experimental materials and test procedure）

2.1.1 试验材料与试样制作