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深部复合地层TBM隧道支护作用机理分析
时间:2022-05-23 07:34 | 栏目:桥梁隧道论文 | 浏览:次
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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 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
复合岩层的组合形式复杂，在复合岩层结构面走向平行于隧道轴线的地层工况下，以“上软下硬”的地层组合形式最为典型。本章选用上部泥岩（软岩）和下部砂岩（硬岩）的复合岩层，该岩层组合在沉积地层较为常见。泥岩和砂岩材料均取自四川省仁寿县（图 2-1），通过 X 射线衍射（XRD）分析得到试验材料的矿物组成（表 2-1 和图 2-2（a））。通过扫描电镜（SEM）得到试验材料的微观结构，泥岩的微观结构相对松散，并含有较多的孔隙和裂隙；而砂岩的微观结构致密，含有较少的孔隙和裂隙。基本力学性质见表 2-2，软岩和硬岩的弹模和强度差异较大，微观结构导致了泥岩和砂岩宏观力学特性的差异。
2.2 复合岩层力学与声发射特性（ Mechanical properties and AEbehaviour of the mixed strata specimens）
复合岩层特殊的地层组合方式使得破裂演化规律与均质岩层有较大差异。软岩结构松散、弹模小，前期由于孔隙和微裂纹的压密，会有相对较多的声发射事件，峰后应变软化较为明显，表现为延性破坏；硬岩质地紧密、弹模大，前期由于压密产生的声发射事件较少，主要表现为峰值时的脆性破坏。软岩与硬岩的组合体产生了特殊的损伤破裂演化特征。图 2-7 为含圆形孔洞复合岩层的声发射演化规律曲线，由图可知声发射事件、累计事件与加载时间的关系。当复合岩层倾角为低角度时（0º和 30º），声发射特征与软岩相似，前期有相对较多的声发射事件；当复合岩层倾角为高角度时（
60º和 90º），声发射特征表现与硬岩相似，表现为峰值时的脆性破坏。
3 深部复合地层 TBM 隧道支护作用规律........................................................................... 28
3.1 试验系统研制................................................................................................................... 28
3.2 隧道试验模拟方法........................................................................................................... 31
3.3 基于横断面试验的支护作用规律分析........................................................................... 39
3.4 基于纵断面试验的支护作用规律研究........................................................................... 46
3.5 本章小结........................................................................................................................... 51
4 深部复合地层 TBM 隧道支护作用机理........................................................................... 53
4.1 数值模拟方法................................................................................................................... 53
4.2 深部复合地层 TBM 隧道支护作用机理分析 ................................................................ 56
4.3 围岩变形与支护作用的影响因素分析........................................................................... 66
4.4 深部复合地层 TBM 隧道支护作用机理讨论 ................................................................ 76
4.5 本章小结........................................................................................................................... 77
5 深部复合地层 TBM 隧道围岩稳定控制........................................................................... 79
5.1 复合岩层变形模式的神经网络预测方法....................................................................... 79
5.2 深部复合地层非协调变形控制方法............................................................................... 84
5.3 本章小结........................................................................................................................... 89
5 深部复合地层 TBM 隧道围岩稳定控制
5 Stability control of the surrounding rock of the TBMtunnelling in deep mixed strata
前述章节通过岩石力学试验、物理相似模拟试验以及数值模拟研究揭示了深部复合地层 TBM 隧道支护作用机理，本章结合前述章节的研究结果，通过神经网络研究了复合岩层变形全过程和变形模式的实验预测方法，然后结合实际工程进一步提出以控制复合岩层非协调变形为核心的围岩稳定控制措施。
5.1 复合岩层变形模式的神经网络预测方法 （Prediction of thedeformation mode in mixed strata using neural networks）
围岩变形预测为隧道围岩稳定控制提供了重要的数据支撑，基于预测结果及时调整支护时机、支护方法和支护强度，确保 TBM 隧道支护结构安全。根据围岩变形的时空演化规律，灵活采用合适的开挖和支护方法，以控制围岩变形在基准值以下，保证围岩的长期稳定。隧道的围岩变形演化具有时空特征，是一个高度非线性的过程。围岩变形经历缓慢变形-急剧变形-变形趋缓-位移收敛的过程，深部复合地层洞周围岩的变形又呈现非均匀分布，软岩和硬岩存在非协调变形的特点，很难通过确定性的理论模型进行预测。同时，对于数据的解译十分依赖于研究人员的经验，很容易造成误判和漏判。本节通过搭建神经网络，旨在利用神经网络强大的非线性拟合能力对复合岩层变形全过程和变形模式进行预测。数据来源于第二章复合岩层的试验图像，通过迭代训练得到预测模型，最后给出了预测结果。
6 结论与展望
6 Conclusions and prospects
6.1 主要结论（Main conclusions）
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，得到的主要研究成果如下：
（1）深部复合岩层的力学、声发射特征以及变形演化特征的影响规律
① 获得了复合岩层在有侧限单轴压缩条件下的声发射特征、强度参数以及破裂损伤随岩层倾角的变化规律。随着地层倾角的增加，声发射特征由软岩为主的延性特征转变为以硬岩为主的脆性特征，声发射事件峰值的位置与复合岩层倾角密切相关。复合岩层的强度和弹性模量都随着倾角的增加，呈现先减小后增加的趋势，同时复合岩层强度的各向异性程度大于变形的各向异性程度。
② 获得了复合岩层在不同倾角情况下的变形破裂演化特征。当复合岩层倾角为低角度时，结构面控制了岩体的变形，变形主要发生于洞周的结构面处，并在软岩中扩展，实际工程中表现为软岩挤压大变形。V 型切口破坏由洞内沿着结构面向外侧扩展，岩体发生了渐进式的剥落。当复合岩层倾角为高角度时，软岩和硬岩共同承载了围岩压力，同时硬岩对软岩有支撑作用。V 型切口破坏由洞内沿垂直结构面的方向扩展，峰后硬岩受到更为严重的破坏，实际工程中表现为深部高地应力隧道的岩爆灾害。
③ 获得了复合岩层非协调变形与损伤演化的关系，并结合数值模拟分析了倾角对复合岩层的损伤演化类型和分型维数的影响规律。复合岩层中软、硬岩的非协调变形控制了岩体的损伤破坏演化过程，可以从控制岩体的非协调变形角度进行支护系统设计，进而控制复合岩体的稳定性。通过数值模拟得到的岩体破裂模式与室内试验较为相似，统计损伤破坏类型可知，较高的岩层倾角增加了剪切损伤，限制了拉伸损伤。损伤裂纹的分型维数随着倾角的增加，呈现先增加后减小的趋势，在倾角为 60º时达到最大值，表明其具有最复杂的损伤裂纹形式。
③ 获得了复合岩层非协调变形与损伤演化的关系，并结合数值模拟分析了倾角对复合岩层的损伤演化类型和分型维数的影响规律。复合岩层中软、硬岩的非协调变形控制了岩体的损伤破坏演化过程，可以从控制岩体的非协调变形角度进行支护系统设计，进而控制复合岩体的稳定性。通过数值模拟得到的岩体破裂模式与室内试验较为相似，统计损伤破坏类型可知，较高的岩层倾角增加了剪切损伤，限制了拉伸损伤。损伤裂纹的分型维数随着倾角的增加，呈现先增加后减小的趋势，在倾角为 60º时达到最大值，表明其具有最复杂的损伤裂纹形式。
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