深部软弱地层TBM掘进挤压变形卡机及防控过程FDEM数值模拟研究

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在深长隧洞的开挖中,宜首选具有施工速度快、效率高、隧洞成型好、对周边环境影响小以及作业安全环保等优点的TBM(全断面隧道掘进机)工法。然而,遗憾的是,TBM法也不是万能的,其最大的问题在于适应性的问题,即在一条长达十几甚至几十公里的隧洞中,围岩的性质是千变万化的,TBM应对这种围岩条件变化时不如钻爆法灵活。这就造成了TBM卡机事故时常发生,从而带来巨大经济损失和工期延长。本文采用FDEM数值模拟方法研究了深部软弱地层TBM掘进挤压变形卡机及防控过程这一问题,主要研究内容如下:(1)系统总结了有限元——离散元耦合方法(FDEM)从提出至今的发展状况及在岩石力学领域的应用状况,前者包括算法改进、网格敏感性分析和参数标定等,后者主要为地下工程开挖及围岩稳定性控制模拟、岩石边坡稳定性分析、岩石水压致裂模拟、岩石破裂声发射模拟和岩石室内试验模拟等;并提出了它目前仍存在的不足,对今后FDEM的发展具有一定指导意义。(2)以室内试验和实际工程为参考尺度,研究了不同尺寸的室内样品所能采用的最大网格尺寸和最大加载速率;研究了实际隧洞开挖模拟时网格尺寸的选取方法。当采用核心材料软化法进行二维隧洞开挖模拟时,核心材料的软化需待模型处于准静态时(模型动能小于某一特定值,称为临界动能)方可进行下一步的软化,研究了临界动能的选择方法,同时分析了核心材料应至少采用多少软化步数和应采用怎样的软化曲线进行。(3)在实际工程中,岩石强度的时效性不可忽略,因为隧洞围岩或支护物在短期内是稳定的,然而经过一段时间后,可能发生破裂。根据时间效应引起岩石长期强度的劣化程度(与瞬时强度的比值)不随围压改变这一假设,提出了岩石粘聚力和内摩擦角随时间的劣化公式。研究了单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量的劣化对隧洞开挖后围岩破裂碎胀过程的影响,并得到实际工程的验证。(4)当掌子面和TBM双重径向支撑效应并存时,可采用网格覆盖网模拟TBM卡机过程,核心材料单元与TBM单元相互不发生接触,与围岩的接触作用各自单独计算,可直接体现TBM与围岩间的不均匀径向间隙。根据这一方法,研究了ABH输水隧洞TBM在连续掘进和停机状态下的卡机全过程。(5)围岩改性和设备改造是常用的预防TBM卡机的方法,前者通常包括预注浆和超前管棚/小导管/锚杆(属于三维问题)等,而后者一般有加大扩挖间隙、注入润滑剂和增大TBM额定推力等。研究了在预注浆和加大扩挖间隙下TBM卡机预防实施效果。也研究了当TBM发生卡机后的脱困全过程。
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