敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例

岩爆为深埋隧洞施工的主要灾害之一，为有效解决敞开式TBM在强岩爆地层施工中安全风险高、效率低这一核心问题，依托引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM段在岩爆防治措施上的多年实践与研究，形成具有针对性的强岩爆防治技术体系。研究结果表明： 1）引进微震监测岩爆超前预测系统后，通过监测实施过程中数据的不断分析与修正，能大致推断出掌子面前方约15 m范围内围岩可能出现的岩爆等级； 2）采取合理的超前钻孔应力释放预处理措施，可以降低围岩出露TBM护盾后岩爆发生的规模与频率； 3）通过对治理工艺进行优化，可实现高岩爆风险区围岩的快速封闭； 4）采用合理的支护材料，能有效防止滞后性强岩爆对初期支护体系的破坏。系统的防治体系有助于强岩爆地层的施工安全管控，也可达到加快施工进度的目的，对类似工程具有一定借鉴意义。     

高埋深软硬岩互层地质条件下敞开式TBM岩爆段施工方法研究

基于喜马拉雅山区域某软硬岩性互层地质条件下的深埋隧洞工程，为解决该区域TBM施工过程中的岩爆问题，统计分析了TBM施工过程中的岩爆特征；在施工过程中开展了多种岩爆规避试验，形成了一套较完整的有针对性的施工方法： 1）岩爆风险巡查常态化； 2）超前地质预报和超前处理措施相结合； 3）支护材料和支护方式合理化； 4）掘进参数动态调整。在后续的施工中加以应用，取得了较好的效果，可以为类似地质条件下的安全施工提供参考。     

软弱隧道围岩拱顶塌方模型试验及其数值模拟

在软弱岩体中修建隧道,塌方是常见的事故之一,严重威胁施工人员安全、阻碍施工进度,从而增加工程投资成本。以Ⅳ级围岩为研究对象,采用模型试验和数值模拟手段对软弱岩体拱顶塌方破坏机理开展了研究,并得出结论,隧道开挖后,软弱围岩塌落破坏成拱,表明围岩具有一定的自承能力;随着隧道开挖的进行,围岩应力重分布呈现出阶段性特征,拱顶上方约一倍洞径高度范围内的围岩受扰动明显,是施工应重点加强支护的区域;隧道塌方破坏会引起地层的位移,故在施工中应对地层活动进行实时监控量测,并以此为依据反馈指导设计和施工。     

深埋高地应力水工隧洞地应力特征及岩爆脆性破坏深度预测研究

为解决高地应力情况下水工隧洞开挖时产生的岩爆问题,以新疆某高埋深水工隧洞为依托,并结合现场水压致裂法和钻孔套芯解除法测试获得的地应力数据。研究深埋引水隧洞区域地应力场分布规律,通过强度理论判断岩爆发生的可能性;在考虑高地应力与围岩开挖二次应力状态作用前提下,通过岩爆破坏区深度理论公式,结合现场数据计算出岩爆破坏深度。结果表明： 1）隧洞处平均初始地应力应力基本在23 MPa左右,最大水平主应力为28.6 MPa,属于高地应力隧洞; 2）三向主应力间的总体关系为σH（最大水平应力）>σZ（自重应力）>σh（最小水平应力）,属于σHZ（走滑型）初始地应力场,以水平构造应力为主导; 3）隧洞最大主应力与最小主应力之间差值较大,依据摩尔-库仑准则,表明该隧洞开挖的临空面会存在较大的剪应力,易引起隧洞发生岩爆; 4）在隧洞开挖过程中,隧洞将会发生中—强等级的岩爆,发生岩爆脆性破坏最大深度为0.68 m。     

考虑围岩应力释放效应的岩爆滞后性模拟研究

现有岩爆判据可用于宏观上把握岩爆发生可能性,但对其所特有的滞后性现象机制研究不足。自围岩应力释放角度出发,利用数值模拟工具,研究分析岩爆滞后性特征。对不同应力释放率下围岩弹、塑性应变能分布特征以及围岩破坏区范围及特征进行分析研究。结果表明： 1）应力释放率与弹性模量之间呈指数关系,应力释放率较低时,围岩主要为弹性变形。2）随着释放率的逐步提高,洞壁围岩出现塑性屈服区,且弹性应变能与塑性应变能密度之间发生调整,并最终于洞壁一定深度处形成弹性能量集中区。3）应力释放率不同时,洞室围岩塑性区范围不同,且随着应力释放率的逐步提高,屈服状态自剪切屈服向剪切与张拉屈服并重转变,不同应力释放率下岩爆等级不同。研究结果对于认识岩爆滞后性现象具有一定的作用。     

深埋隧洞TBM超前地质预报及预处理关键技术研究

为有效解决复杂不良地质条件造成的施工风险，系统开展TBM施工超前地质预报工作，综合采用TRT7000、TSP203、超前地质钻孔、微震监测等技术手段，结合地勘、地面物探及已揭露围岩特征，实现对不良地质的准确有效判识；针对隧洞沿线实际地质条件，对TBM设备进行优化设计，提高TBM设备应对断层破碎带、突涌水、挤压大变形及岩爆等灾害的能力；在此基础上，提出TBM施工灾害超前预处理技术方案，以减少卡机现象，避免埋机等事故风险。     

缓倾砂岩夹泥岩隧道岩爆段初期支护变形特征及控制技术研究——以蒙华铁路段家坪隧道为例

针对蒙华铁路段家坪隧道岩爆段初期支护在较小变形下发生破坏现象，通过室内试验、超前地质预报、地应力测试等技术手段，分别揭示洞周围岩强度、掌子面前方地质情况和初始地应力状态，同时对初期支护变形破坏特征进行归纳总结并分析成因，得出： 围岩特性、地质构造特征、工法是影响初期支护变形破坏的重要因素，局部水平向高地应力是主因。采取增强支护参数、增设缓冲层、锚杆+加筋底板、加装阻尼器等技术措施控制初期支护变形破坏。研究结果表明： 1）以水平构造应力为主的高初始地应力条件下，若隧道洞身围岩竖向节理发育，开挖宜首选二台阶法。2）拱部及仰拱初期支护混凝土破坏类型为剪压破坏,格栅钢架主筋破坏类型为偏心受压屈曲。3）以水平构造应力为主的高初始地应力状态下，宜根据围岩特性、支护原理及现场实际选择相应的技术措施。     

某隧洞工程TBM不良地质处置探究

为解决某隧洞工程面临的断层破碎带、软弱围岩大变形、塌方、大坡度、涌水突泥、岩爆、高地热等不良地质问题，设计具有电液混合脱困、刀盘扩挖、护盾延长、超前钻机、应急排水、空气冷却装置等功能的敞开式TBM，并在实际应用中增加螺旋清渣机、钢拱架顶升等功能，与拦水坝、超前注浆、管棚支护等施工手段相结合，有效度过最大涌水量达772.57 m3/h的涌水段、232 m的岩爆段、445 m的蚀变段、塌方段、60 m的涌泥涌沙段，最后根据实际应用效果，指出针对性设计存在的不足和需要改进的地方。     

深埋隧道地压多通道微震监测技术应用研究

针对北武夷山隧道大埋深、大跨度、多头掘进汇合处的高地应力以及可能诱发的岩爆灾害等问题,采用全数字型多通道微震监测技术开展监测和预警研究。提出了结合微震事件率倍比、微震能量倍比与微震定位事件簇群密度三个参数的综合预警方法,首次将微震事件率倍比与微震能量倍比两个微震参数应用于铁路隧道岩爆动力破坏监测预警中,首次根据各微震参数的理论意义与专家经验提出不同参数在岩爆发生概率中的权重值,把各参数的预警指标与隧道埋深和围岩分级联系起来,制定了基于多微震参数的岩爆发生概率的综合定量评分体系。该研究在实际监测应用中多次对岩爆进行了有效的监测预警,对安全施工起到了很好的指导作用。     

基于围岩虚拟支护力特性的隧道塌方机制及控制研究

为研究隧道塌方事故的典型模式及其演化规律,基于塌方案例统计分析结果,阐明隧道开挖面失稳塌方和关门塌方2类安全事故的基本特性,推导隧道围岩虚拟支护力纵向分布曲线,进一步从围岩应力释放角度揭示了虚拟支护力与2类塌方事故的关系,并给出了塌方事故的控制要求。研究表明： 1）开挖面失稳塌方和关门塌方2类由围岩和结构失稳引发的隧道塌方事故在事故次数（68%）、死亡人数（53.7%）和涉险人数（68%）方面占比较大,其中关门塌方事故单次事故涉险人数最多,潜在危害最大。2）隧道开挖面处的围岩虚拟支护力随着黏聚力的减小而降低,开挖面后方2倍半径处围岩的虚拟支护力已大部分释放（＜5%pi）。3）围岩变形和虚拟支护力释放的第2阶段内,围岩变形急剧,围岩虚拟支护力急剧释放且释放量较大,此阶段是隧道塌方控制的重点。     

乌兹别克斯坦甘姆奇克隧道岩爆特点及其形成机制

在总结乌兹别克斯坦安琶铁路甘姆奇克隧道岩爆特点的基础上,结合隧道工程地质条件,对岩爆的发生机制进行分析。研究表明： 甘姆奇克隧道的岩爆主要是由于本隧道的花岗闪长岩和正长斑岩属脆性围岩及围岩内赋存很高的水平向构造残余应力引起的; 隧道在埋深仅40 m的条件下就发生岩爆,且岩爆发生在拱顶-拱腰段,主要是由于与隧道轴线接近垂直的水平向地应力为最大主应力的缘故;该隧道的岩爆按形成机制可分为完整岩体的薄片状弹射、近水平向层状岩体折断崩落、岩块崩出+周边围岩塌落和边墙板状岩体折断崩出4种模式。     

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩（节理密集带）、Ⅴ级围岩（蚀变岩）存在初期支护侵限的风险。提出如下建议： 1）设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量; 2）在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。     

不同土质围岩条件下隧底围岩脱空规律与结构受力特征研究

针对铁路隧道隧底围岩脱空病害问题,采用室内试验与数值模拟方法,探明不同土质围岩类型、隧底结构形式条件下隧底围 岩脱空演变规律,给出不同土质围岩类型条件下隧底围岩脱空类型;进而,明确不同脱空类型条件下隧底结构受力特征。研究结果 表明: 1)在相同隧底围岩类型条件下,底板结构形式比仰拱结构形式更易发生围岩脱空现象;相同隧底结构条件下,黏性土、卵石 土、砂质土3 种隧底围岩的脱空程度依次降低。2)隧底围岩脱空类型主要与围岩类型有关;卵石土、黏性土和砂质土围岩最终脱空 类型依次为多处小范围局部脱空、整体性脱空、隧底中心区域大范围脱空。3)在相同围岩脱空类型条件下,底板结构受力特征变化 比仰拱结构更为剧烈,应力集中现象更为明显,更易引发隧底结构损坏。4)随着脱空范围增大,隧底结构弯矩变化量、轴力减小量 均呈增大趋势,轴力分布逐渐呈“中间大,两端小”的不均匀分布形态。     

板岩隧道顺层塌方分析及预防失稳措施研究

为避免板岩隧道围岩楔形体掉块和顺层塌方的发生,针对板岩的力学性质和变形特性,从隧道施工方面对板岩隧道围岩的工程特性和易形成塌方的地质构造类型进行总结,并以半山隧道初期支护长段落顺层塌方为例进行深入的分析和研究。结果认为:当顺层构造岩层和节理产状与隧道走向夹角较小、多组节理相互切割与岩层面形成不利结构面组合长段落斜穿隧道时,受施工开挖爆破震动、地下水浸润、重力作用以及大断面开挖形成临空面的影响,围岩及支护结构局部薄弱处出现失稳破坏,由于牵引作用不断扩大并持续发展造成较长段落的坍塌。最后,提出了顺层构造、节理密集带和隧道开挖后不利结构面组合对围岩稳定性的影响分析方法,针对板岩地质隧道施工提出了预防围岩失稳的措施和支护结构的优化措施。     

岭角隧道节理裂隙岩层稳定性离散元分析

为了研究不同埋深的破碎岩层对隧道稳定性的影响,以及节理裂隙较软岩层下隧道塌方过程的形态规律,依托岭角隧道工程,分别建立不同埋深破碎岩层下隧道开挖、支护的简化模型,应用离散单元法对岩层张开节理、塑性区及支护结构内力进行分析。结果表明:当破碎岩层分布于隧道拱肩及拱顶位置时,隧道稳定性最差,此时其支护结构上的内力值相对最大;节理裂隙较软岩层下隧道塌方一般经历断面收缩变形、大面积岩体塌落、塌方完成三个形态阶段。     

考虑水影响的关角隧道断层区围岩亚分级研究

在断裂构造发育区段围岩情况变化频繁,如何根据现场揭露的围岩情况采取相应的支护措施防止坍塌和大变形是这类区段施工的难点。以关角隧道断层区隧道施工为研究对象,对有水和无水条件下的支护结构受力进行了计算。计算结果表明围岩越差,在有水和无水时,衬砌内力相差越大,即恶化越严重。结合该工区围岩特征、受断层影响情况和地下水发育情况将关角隧道断层区围岩等级划分为Ⅳ1、Ⅳ2、Ⅴ1、Ⅴ2级,提出了相应的现场定性判别标准。为了应对断层区围岩可能发生坍塌、大变形,同时应对的工法转换带来的设备、工序变化,加快断层破碎带区段的施工进度,结合断层区围岩亚分级提出对应的开挖方法为上下台阶和上下台阶预留核心土法。     

极高地应力区隧道地质特征及围岩变形机制研究

以某在建高速铁路隧道作为工程实例,结合地质情况,从初始应力、岩体结构和地下水分析了影响围岩的因素。运用理论分析和现场监控量测反馈结果等综合方法,从监控量测数据时态曲线特征、方向性、累计变化量、变形速率、时效性、现场围岩变形情况、隧道施工影响、变形段变形差异性等方面系统分析了极高地应力区隧道围岩变形特征及机制,并得出如下主要结论:1)极高地应力区围岩应力释放有一定的过程,不同的围岩应力释放的速度可能不同,爆破对围岩产生扰动,将一定程度加速围岩应力的释放。2)围岩地质条件不同,变形规律会表现出一定的差异性。3)围岩的变形机制,层状围岩的变形破坏一般形成几个区域:破坏区,崩塌,滑动滑移,张裂、弯曲及折断。4)本隧道围岩变形特征主要是由极高地应力和岩体结构综合决定的,隧道初期支护变形情况一定程度上是隧道围岩变形特征的有效反映。     

隧道穿越倾斜煤层采空区段施工力学特征分析

为研究隧道穿越倾斜煤层采空区段时，采空区围岩的力学变化对隧道超前加固措施及支护结构的影响，采用Flac 3D软件模拟计算隧道穿越采空区的各施工阶段，分析采空区围岩施工力学特征的动态变化过程及隧道支护结构的受力特征。结果表明： 1）隧道在穿越上覆煤层采空区时，采用超前小导管注浆加固能有效阻止围岩的变形破坏； 2）中隔壁拆除后，初期支护结构承担了大部分围岩应力，拱腰及拱脚部位最小主应力值分别增加了13%、41.3%，改善了隧道结构的受力条件； 3）在采空区段锚杆轴力最大值为226 kN，发挥了很好的锚固作用； 4) 隧道穿越下伏煤层采空区时，采用填石注浆的加固改善比例为154.3%，治理措施较为合理。隧道二次衬砌结构的施作更是隧道安全的保障。