TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策

通过对大量文献资料和工程实例的研究,论述了TBM(隧道掘进机)近半个世纪发展及其在隧道建设中的应用现状和问题。对大量国内外工程实例分析后发现优先采用TBM掘进技术已成为未来隧道建设总的发展趋势。从岩石力学和工程地质角度对岩石TBM掘进过程中遇到的诸如软岩大变形、突水、岩爆等不良工程地质问题导致卡机或管片变形、破损等工程事故进行了剖析,并对采用的工程处理措施作了总结对比。随着今后TBM掘进技术在我国大规模应用,对复杂工程地质条件的客观全面认识和施工方案的及时调整成为影响施工安全和经济效益的关键因素。     

某轴流送风机叶片断裂事故计算分析

本文是理论计算与工程实际相结合的典型例子．某电厂锅炉送风机，多次发生叶片断裂事故，严重影响了电厂生产的正常运行，受电厂委托，我所就风机动叶片断裂事故，采用有限元方法对转子、支承结构、壳体和动叶片均进行了一系列的计算分析，找出了故障原因，并提出了改进措施．     

边坡锚固工程的可变更地质设计

由于工程地质条件的复杂性和施工前勘探工作量的限制,边坡施工详图设计在施工阶段进行修正、变更是正常的。可变更地质设计就是施工前设计做好变更的充分准备;施工中及时反馈新的地质和变形信息,分析其工程意义;在施工前阶段研制的有关计算机辅助设计系统的帮助下,按新的工程地质条件变更设计,快速返回施工中,指导施工。本文以施工阶段变更设计的工程实例说明边坡设计、施工中及时反馈加工处理新获得的信息,保证信息正常流动对优化设计是十分关键的。把可变更地质设计正式纳入边坡设计规范是十分必要的。     

地下工程软弱岩体围岩结构的地震探测技术

控制地下工程软弱岩体特征的一个重要前提是围岩工程地质条件评价以及围岩的地质结构的定量认识,而目前软岩巷道支护难的主要原因是对巷道工程地质条件和围岩结构认识不清、支护对象不明确。基于以上分析,本文以显德汪矿主运输巷道为试验研究对象,采用地震技术对软弱岩体围岩结构进行了全断面探测,实现了岩体结构的空间定位和精确探测,进而为支护形式和支护参数的选择提供了直观可靠的工程地质依据。     

新型水下爆破切割弹的工程应用及数值模拟研究

通过钢管爆破切割实验和LS-DYNA 数值模拟软件分析研究了爆破切割弹解决卡钻问题的可行性, 然后针对安庆铜矿某一矿井的卡钻事故, 并结合井下地质情况, 在分析卡钻原因的基础上, 设计一种新型水下爆破切割弹. 通过加入12 根铜管将线性聚能引入到新型水下爆破切割弹中, 从而在爆破过程中形成了环形切割器, 利用聚能射流侵彻钻杆以达到破坏钻杆的目的. 通过爆破切割实验和工程实践可知, 新型水下爆破切割弹能够有效解决卡钻事故, 可为类似工程提供参考.     

三峡引水工程秦巴段主要地质灾害及其工程影响

为了研究三峡引水工程秦巴段的地表地质灾害特征及其工程影响,本文在简要分析秦巴山地区域工程地质条件和线路工程地质条件的基础上,重点分析秦巴山区典型地质灾害分布特征及其对引水工程的影响,初步揭示：(1)秦巴山区浅表层地质灾害具有类型多、成群带分布、规模大小差异明显;(2)秦巴山区地质灾害形成发展的主要影响因素是构造地貌、高陡边坡、斜坡结构和易滑地层组合,主要诱发因素为局部集中强降雨和线性工程（主要是公路）切坡及河流冲蚀作用;(3)地表地质灾害主要影响引水设施施工安全、施工便道、主要场地（水库和渡槽）等的安全,需要引起重视。     

海损事故和塑性力学

介绍了1985—1986年华东某省海损事故情况及1977—1985年全国海损事故统计情况。在分析了大量的海损事故原始报告的情况下,总结了海损事故发生的原因及其严重后果,并设想了有效的防撞设计方法。笔者通过对大量船体碰撞后的变形研究,提出了子块结构假设,这为正确确定力学计算模型提供了原则性指导。此外笔者还统计了多条船舶无破洞凹陷变形实际尺寸的凹深与凹面最小尺寸的比值,其最大值可作为塑性变形能估计的参数。本文对减少海损事故和杜绝沉船事故的发生将有一定的参考价值。     

TBM施工隧洞围岩级别划分探讨

已有不少专家在TBM施工围岩级别划分方面进行过有益探索,为后来的工作提供了很好思路。目前的问题是,所提出的分级指标难以获取、离散性较大、有一些与施工直接相关的指标的定量化问题未能解决,尚未形成明显共识的分级系统或方法。为此,有必要针对水工隧洞TBM施工围岩类别划分进行详细探讨。本文提出以现行《水利水电工程地质勘察规范》中水工隧洞围岩分级方法为基础,参考秦岭隧道TBM施工围岩分级方法,根据TBM施工的工作效率、碴料特征和涌水状况进行分级修正,建立适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级修正模型,实现TBM施工水工隧洞的围岩分级,并以2个实例进行验证。     

上海地铁隧道建设中工程地质条件及主要地质问题研究

随着上海地铁隧道建设大规模的展开,建设中面临的工程地质问题日趋凸现。本文结合上海市特有的地质条件,分析了与地铁隧道建设相关的工程地质条件,包括工程地质结构特征及浅部含水层地下水位特征。在此基础上,对地铁车站基坑开挖以及区间隧道施工可能面临的工程地质问题进行了分析研究,绘制了市中心地区工程地质问题严重性程度分区图,可为工程设计、施工提供从参考依据。     

关于用岩体分类预测TBM掘进速率AR的讨论

以Maen、Pieve、Cogolo和Varzo 4条隧道为例,本文分析说明了岩体质量分类系统不能预测TBM净掘进速率PR的原因:由于影响岩体可掘进性的因素与影响岩体质量的因素不一样,且岩体质量分类系统多采用半定性半定量的评分形式描述岩体条件,故岩体的质量分数值与TBM的净掘进速率PR很难有一一对应的关系。因此,岩体质量分类系统和基于此的预测模型不能够用来预测TBM的净掘进速率PR。根据TBM施工隧道岩体分类的目的及TBM施工的特点,提出预测TBM净掘进速率PR的岩体分类系统应与评价岩体稳定的岩体分类系统分开进行。用岩体可掘进性分类系统预测净掘进速率PR,用岩体质量分类系统预测TBM利用率U,从而计算出TBM的掘进速率AR。     

公伯峡电站开挖边坡古风化岩松弛与工程特性变化研究

利用公伯峡电站泄水洞左岸边坡开挖过程中获得的各种资料,分析、研究边坡在开挖后岩体松弛程度和工程特性的变化。分析表明,边坡开挖后,一定深度范围内边坡岩体将松弛,松弛带的厚度可以通过现场调查、地震波速、声波速度来划分。岩体发生松弛后,松弛带岩体力学参数明显降低。开挖后尽快支护是防止边坡岩体松弛有效方法之一。     

基于卷积神经网络对TBM塌方段的反演分析

本文在已有研究工作的基础上，利用岩石扭剪掘进指标（TPI）和现场贯入指标（FPI），采用卷积神经网络和时间序列预测法，研究TBM掘进塌方段分析和预测的可能性。作者在输入功率与破岩效率相当的原理支持下，提出了将某一循环段的掘进效率指标FPI和扭剪掘进指标TPI作为训练和预测单元的技术路线。吉林引松工程TBM大数据库中记录了199列施工期间的各项参数和17处塌方事件，数据总量大、质量高，具有很高的科研价值。以上述指标作为机器学习的训练对象，对正常掘进段和石灰岩区域大规模塌方段66+000-66+350（桩号）进行了分析和预测。结果表明：塌方段实测FPI、TPI数值显著偏小，三项预测误差指标给出了“阳性”这一评价结论。相关研究成果为TBM领域的大数据机器学习提供了新的方法，为实现超前地质预警创造了有利条件。     

瓦屋山水电站厂房区红层岩体古滑坡稳定性研究

红层岩体以其岩体结构的软硬相间及软弱夹层发育而在边坡稳定方面表现为"易滑地层"。瓦屋山水电站厂房区边坡为顺向坡,砂岩类岩石与黏土岩类岩石呈缓倾、互层状(倾角10°~20°)产出。构造与表生改造作用下,在这两类软硬相间的岩石界面上常形成分布较为连续的软弱夹层,这类岩体较易沿软弱夹层产生顺层滑动。地质历史时期,瓦屋山厂房区就是在这样的地质背景下,形成了多个古滑坡体,如颜湾和庙子岩古滑坡,它们在自然状态下已基本稳定。随后因风化剥蚀等作用,古滑坡体形态被改变或被来自后缘斜坡的坡残积层所掩埋,使其在勘察期间难以被发现。庙子岩滑坡即是这样一个被掩埋的古滑坡体坡,施工开挖过程中,由于切脚及降雨作用,使其重新滑动复活。本文以反复剪试验得到的滑动面抗剪参数,采用边坡稳定极限分析能量法(Energy Method Upper Baond Limit Analysis),简称EMU法,对庙子岩古滑坡在各种工况下的稳定作了计算,并据其结果采取了相应的抗滑处理。本文可作为红层岩体地区该类型滑坡勘察和工程处理设计的参考。     

金华山软岩铁路隧道施工过程围岩屈服接近度分析

隧道施工过程中围岩处于复杂应力状态下,隧道围岩屈服区演化特征的确定对于围岩稳定性分析和开挖支护方案优化具有重要的意义。采用屈服接近度指标衡量围岩破坏接近程度可以合理地描述复杂应力状态下围岩的应力危险性,对Mohr-Coulomb类岩体材料的屈服接近度函数进行了相应的推导,并在非线性有限元用户子程序上编程予以实现。介绍了赣州-龙岩铁路DKl33+095～DKl38+237段软弱围岩单线隧道正台阶步施工方案以及湿喷纤维混凝土支护方案。为了对该隧道施工过程中隧道围岩屈服区的演化特征进行合理评价,采用非线性有限元法对软弱围岩条件下的铁路隧道施工过程进行了数值模拟,分析了施工过程中隧道围岩屈服接近度分布特征,判定了隧道台阶步施工过程中隧道围岩的稳定性。分析结果表明:该隧道施工过程中围岩破坏区主要发生在下台阶步施工过程中;屈服接近度指标比传统的塑性区分布提供的信息更加丰富,有利于工程技术人员定量地评价隧道开挖支护方案。     

ZONAL DISINTEGRATION MECHANISM OF DEEP CRACK-WEAKENED ROCK MASSES UNDER DYNAMIC UNLOADING

Size and quantity of fractured zone and non-fractured zone are controlled by cracks contained in deep rock masses. Zonal disintegration mechanism is strongly dependent on the interaction among cracks. The strong interaction among cracks is investigated using stress superposition principle and the Chebyshev polynomials expansion of the pseudo-traction. It is found from numerical results that crack nucleation, growth and coalescence lead to failure of deep crack- weakened rock masses. The stress redistribution around the surrounding rock mass induced by unloading excavation is studied. The effect of the excavation time on nucleation, growth, interaction and coalescence of cracks was analyzed. Moreover, the influence of the excavation time on the size and quantity of fractured zone and non-fractured zone was given. When the excavation time is short, zonal disintegration phenomenon may occur in deep rock masses. It is shown from numerical results that the size and quantity of fractured zone increase with decreasing excavation time, and the size and quantity of fractured zone increase with the increasing value of in-situ geostress.     

澜沧江某水电站右坝肩工程边坡倾倒变形问题的数值 模拟研究

澜沧江某水电站处于青藏高原东部边缘地带,属于高山峡谷地形地貌,高地应力环境,岩体卸荷裂隙很发育,使得倾倒变形和岩体质量、断裂活动及地震构造一样成为影响工程边坡岩体稳定的主要因素。针对工程边坡的大变形问题可采用离散元的数值模拟分析方法。通过建立理论开挖和工程边坡开挖离散元模型,可分别得出倾倒变形破坏机理发展过程为初期弱倾倒变形岩体的层内剪切错动、强倾倒变形岩体的层内拉张变形、强倾倒变形岩体的切层张-剪破裂及极强倾倒破裂岩体的折断张裂(坠覆)破裂和工程边坡的变形范围、确定开挖面及加固方式等。通过工程边坡模型的计算结果和现场地质调查成果的比较表明,计算结果和实际情况基本吻合。     

岩质高边坡卸荷带形成及其工程性状研究

首先针对边坡开挖或河谷下切的卸荷过程, 讨论了边坡应力场的分布, 提出了边坡二次应力的“驼峰应力分布”规律。在此基础上, 分析了伴随边坡二次应力场的形成, 岩质高边坡卸荷带的形成机理。进-步, 结合三峡船闸高边坡的开挖和监测实践, 讨论了卸荷带的工程地质意义及其力学性状表现。最后, 利用本文的基本观点, 对三峡船闸高边坡卸荷带进行了合理的数值模拟研究。     

小湾水电站进水口高边坡变形机理分析及工程意义

小湾水电站进水口高边坡地质条件及开挖坡型复杂,断层、节理裂隙发育并相互切割,坝顶平台至进水口底板平台平均开挖坡度88°,最大高差106m,其中垂直开挖段81m,最大水平退坡深度170余米。伴随边坡开挖过程中,边坡上部岩体产生了一系列的变形破裂现象,主要表现为沿混凝土坡面分布的张开宽度和延伸长度不一的裂缝及起壳现象。本文结合边坡的实际工程地质条件和监测结果数据,对变形破裂现象的形成机制进行了系统的分析。结果表明,裂缝产生的原因主要是由于地处高地应力区岩体在边坡开挖过程中产生的卸荷回弹表现,是正常的卸荷松弛变形。在此基础上,对边坡的稳定性分析表明,该边坡稳定性良好。     

岩溶围岩分级初步探讨

岩溶隧道施工中多处遇各种形态岩溶,通常应根据开挖情况对原设计围岩级别作调整,从而提出岩溶围岩级别划分问题。对岩溶围岩级别的几个基本概念进行解释,提出以“岩溶发育程度修正系数”为核心的岩溶围岩分级模型和建议标准,以武隆隧道横洞段为例进行应用探讨。实践证明,本方法分级结果与隧道施工实际基本相符。本方法因考虑了岩溶发育的可能性及岩溶形态等综合因素,是原分级方法基础上针对岩溶围岩的修正,其分级结果比较接近施工实际,但尚需大量工程实践验证。