深部复合地层隧道TBM施工风险与设计制造关键技术

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1、周建军盾构及掘进技术国家重点实验室深部复合地层隧道TBM施工风险与设计制造关键技术引言深部复合地层地质特征深部复合地层TBM施工风险复合地层TBM施工实例目录设计制造中关键技术引言（一）深部复合地层TBM施工的必然趋势1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利工程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家重大工程的整体安全西部大开发战略，公铁网快速发展。西部地区山高谷深，公铁交通工程大量埋深达到800米、长度超过10公里的深长隧道。未来5年，规划待建的铁路隧道500余座，总长9000多公里，其中特长隧道122座，总长达1760公里，埋深超过

2、800米的隧道总长度将超过1000公里。（一）深部复合地层TBM施工的必然趋势1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利工程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家重大工程的整体安全。预计未来5~10年内，将会有越来越多的矿井进入超千米深部开拓开采阶段，我国也将成为世界上资源开采深度最大的几个国家之一，深部巷道的掘进比例将会大幅度提高。目前煤炭开采埋深超1000m的隧道每年有2200km。（一）深部复合地层TBM施工的必然趋势1、深长隧（巷）道是大型特大型交通、矿山、水利工程建设的关键控制性工程，其建设安全关系到国家重大工程的整体安全。国

3、民经济持续快速发展对西部地区水资源开发提出了巨大需求，合理的水资源开发已成为保障我国能源安全、改善能源结构、优化地区水资源调配的重大战略举措。滇中调水、伊犁河调水和南水北调西线工程（二）深部复合地层TBM施工的优势深部地层水平应力与垂直应力趋近，TBM形成的圆形断面最有利于隧道围岩稳定；TBM掘进对围岩开挖扰动小，并能及时施作管片等全断面封闭支护，有利于围岩稳定；TBM实现开挖和支护机械化连续作业，掘进速度可以达到钻爆法的3~6倍，大大提高掘进支护效率，降低工人的劳动强度，改善掘进工作面的生产环境。安全、文明、经济、自动化与信息化程度高（三）深

4、部复合地层围岩与TBM的相互作用机理及安全控制研究的三个关键科学问题一、深部复合地层地质特征成因复杂、影响因素众多岩体自重构造运动地形条件地震作用深埋地层，高地应力是危及工程岩体安全的主导因素。目前，一般认为地应力为20~30MPa为高地应力。岩爆是在地下空间开挖过程中，频发于高地应力地区、脆性硬岩地质条件下的一种动力失稳地质灾害。高地压下硐室开挖致灾机理开挖卸荷引起岩体应力场的扰动和重分布，导致围岩应力值和方向发生变化。……（一）高地应力-岩爆距离掌子面2~10m以内，往后逐渐减少。倍洞径到1.2~1.5倍洞径处，往后逐渐减少岩爆高发区岩爆形

5、式岩爆诱因内因：高储能岩体的存在，应力接近岩体强度外因：附加荷载的触发破裂松脱、爆裂弹射、更严重的表现为爆炸抛射。掌子面开挖后的5～20h是岩爆发生高峰期，一般TBM设备在5h的时间里可掘进十几米，而这个距离和时间正好处于TBM设备的支护区域内岩爆发生期岩爆机理工程岩体破坏时内部储存的弹性应变能大量转化为破坏动能表现形式破裂松脱、爆裂弹射、爆炸抛射工程危害1、威胁施工人员、设备安全；2、影响施工进度；3、造成超欠挖；4、初期支护失效；5、严重事诱发地震。（二）高压涌突水上层滞水承压水潜水随埋深增加，地下水渗透压力增加。地下水常赋存于孔隙、构造裂

6、隙、溶蚀裂隙、溶洞等。高水压地下硐室开挖致灾机理破坏地下水的存储和转移通道及含水层结构，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生急剧改变，以致地下水体所储存的能量以流体（常含固体物质）高速运移形式瞬间释放而产生的一种动力破坏。围岩类别石灰岩碎屑岩变质岩粘土岩最小涌水量100~200125~300150~20010~40围岩被冲溃所需的最小涌水量(m3/h)高水压地下硐室开挖致灾形式破坏地下水平衡系统，改变了隧道围岩水压环境；围岩渗水导致隧道近场围岩有效应力增加，从而加剧近表围岩的破坏失稳。高水头环境下，施工导致连通性增大，张开度增加。水压劈裂作用导致

7、导水裂隙的进一步扩张。高水头环境下，渗流携带泥砂，易发生大规模突水突泥事故。高水压地下硐室开挖工程危害涌水事故频发，伴有涌泥、涌砂，淹没坑道、冲毁机具；地面沉降、甚至塌陷；水资源减少和枯竭,水质污染；施工被迫中断,重大人员伤亡。（三）高地温高地温的定义：温度大于28℃地温随深度增加而增大，地下硐室随开挖深度增大而高温热害问题加剧。高地温问题已成为隧道工程、采矿工程及其他地下工程常见的地质灾害问题。国名隧道名称长度/km最大埋深/m温度/℃日本安房公路隧道4.3570075瑞士Simplon19.731214055.4美国特科洛特公路隧道6.40

8、228747中国齐热哈塔尔引水隧道15.63170075意大利亚平宁铁路隧道18.518200063.8国内外部分隧道的地温值高地温致灾机理1、高温改