深部软弱地层TBM围岩力学行为试验研究

为揭示TBM深部软弱围岩变形破坏力学特性，开展了反映深埋隧道TBM机械开挖卸荷本质——高初始围压下缓慢准静态卸荷这一卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验，研究结果表明：缓慢卸荷条件下的岩石峰前应力一应变曲线接近于常规三轴压缩峰前应力一应变曲线，卸荷屈服阶段产生损伤扩容，侧向变形加速增长，从体积压缩开始转向扩容；应力达到峰值强度后，岩石首先发生1～2级脆性跌落，随着围压继续缓慢卸荷，岩石沿一条斜率较小的近似斜直线发生伴随有多级次生微破裂的线性应变软化；岩石变形全过程由弹性变形段、峰前卸荷损伤扩容段、峰后脆性跌落段、含有多级微破裂的线性应变软化段以及残余强度阶段组成；岩石缓慢卸荷发生宏观张剪复合破坏，并伴有轴向劈裂裂纹，破裂断面为由许多劈裂裂纹相互贯通形成具有一定宽度的剪切带，剪切带内劈裂的岩片在轴向挤压力和沿破裂面的剪切力共同作用下被挤压和摩擦成许多细颗粒和岩粉。

冻结岩体单裂隙应力场分析及热-力耦合模拟

我国寒区分布面积广泛,岩体冻融损伤问题涉及低温环境下温度场、渗流场和应力场的耦合,严重威胁着寒区岩体工程的安全稳定。在考虑水分迁移的条件下,以水冰相变为切入点,结合断裂力学、弹塑性力学理论,分析冻胀荷载作用下饱和岩体裂隙应力场分布规律与尖端应力强度因子。考虑温度对冻结率的影响,采用等效热膨胀系数法模拟冻胀荷载,运用FLAC3D软件建立单裂隙冻胀热–力耦合模型,编制FISH程序进行计算,得出冻胀作用下裂隙附近应力场分布,并与理论值进行对比分析。

深部挤压性地层TBM掘进卡机孕育致灾机理

为揭示TBM通过深部高地应力挤压性地层发生卡机的孕育致灾机理,基于TBM卡机孕育致灾机理的理论分析,通过FLAC3D计算护盾区域围岩的三维应力场、位移场,从而计算出护盾前移所受的摩擦阻力,并根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。同时分析了TBM护盾长度L、超挖量ΔR对卡机的影响,结果表明:①护盾前移所受摩擦阻力Rf随护盾长度L增加而非线性增大;②护盾长度一定时,超挖量ΔR越大,护盾前移所受的摩擦阻力越小,但超挖量ΔR的增大将受到超挖技术水平和机械制造水平的限制;此外,考虑掘进工作面空间效应,将护盾分节阶梯式设计,加大尾护盾与围岩间的间隙ΔR,可以很大程度上减少围岩对护盾的挤压力,减少护盾被卡的风险;③可从护盾长度和超挖量及两者的合理组合角度提出TBM卡机的预防措施。

TBM围岩挤压大变形特性分析与等级划分

为了预测评价TBM穿越深部软弱地层时围岩挤压大变形,分析了TBM开挖卸荷围岩挤压大变形力学特性。将TBM围岩挤压大变形定义为TBM开挖后变形速率大、变形量达到TBM扩挖预留的围岩与护盾间的变形间隙,同时收敛速度慢,变形时效性显著的一种变形。指出当围岩挤压变形与开挖半径间的比值大于等于1%且挤压变形与扩挖间隙的比值大于等于1时便产生挤压大变形,并根据这2个指标将TBM围岩挤压变形划分为无挤压变形、轻微挤压变形、中等挤压变形、严重挤压变形和非常严重挤压变形5个等级。