深部软弱地层TBM掘进围岩挤压变形卡机机理及分析预测方法
项目介绍
AI项目解读
基本信息
- 批准号:41602326
- 项目类别:青年科学基金项目
- 资助金额:20.0万
- 负责人:
- 依托单位:
- 学科分类:D0705.工程地质环境与灾害
- 结题年份:2019
- 批准年份:2016
- 项目状态:已结题
- 起止时间:2017-01-01 至2019-12-31
- 项目参与者:卢兴利; 刘学伟; 潘玉丛; 刘建平; 魏莱; 彭星新;
- 关键词:
项目摘要
Squeezing deformation will be produced easily when TBM advances through deep soft ground with high in-situ stress, which may exceed the overcut between the surrounding rock and the shield, and then contact and extrude the shield, leading to shield jamming while the thrust supplied by the propulsion system is not sufficient to overcome the friction on the shield. The Mechanism and simulation analysis method of squeezing deformation and its induced shield jamming is the key and difficult points of this program. This study focuses on the key scientific problem of ‘mechanism, continuous-discontinuous model and simulation analysis method for damage-dilatancy and fracture-bulking squeezing deformation’, combining with the research methods of experimental study, theoretical analysis, numerical simulation and field test, the mechanism of squeezing deformation under TBM excavation unloading will be revealed, and the corresponding mechanical model for damage-dilatancy and rupture-bulking squeezing deformation process will be established; then, based on the theory of Convergence-Constraint Method, by studying on the interaction mechanism between surrounding rock and shield, the mechanism of shield jamming will be revealed, and forecast analysis models of shield jamming are set up, which includes mechanical model of the generation process and criterion of shield jamming; finally, upon on the above results, the simulation analysis method of squeezing deformation and shield jamming process will be put forward based on the Combined Finite-Discrete Element Method (FDEM). The research results would provide theoretical support for prediction and analysis of squeezing deformation and the induced shield jamming disaster.
TBM穿越深部高地应力软弱地层时围岩易产生挤压变形,当其变形量超过扩挖预留的围岩与护盾间变形间隙,围岩接触并挤压护盾,对护盾产生的摩阻力超过推进系统推力时将导致护盾被卡。其中,挤压变形卡机的孕育发生机理及分析预测方法是研究的重点和难点。本项目围绕关键科学问题“围岩损伤扩容-破裂碎胀挤压变形机理、连续-非连续力学模型和分析模拟方法”,采用室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,揭示TBM掘进卸荷条件下挤压变形机理,建立描述围岩损伤扩容-破裂碎胀挤压变形过程的力学模型;其次,基于收敛约束法研究护盾区挤压变形时空演化规律及其与护盾相互作用机制,揭示卡机孕育发生机理,建立卡机分析预测模型(卡机孕育过程力学模型和卡机判别准则);在此基础上,基于有限元-离散元耦合分析方法(FDEM),提出挤压变形与卡机过程模拟分析方法,为TBM掘进挤压变形与卡机灾害分析预测提供理论支撑。
结项摘要
TBM穿越深部高地应力软弱地层时围岩易产生挤压变形,当其变形量超过扩挖预留的围岩与护盾间变形间隙,围岩接触并挤压护盾,对护盾产生的摩阻力超过推进系统推力时将导致护盾被卡。其中,挤压变形卡机的孕育发生机理及分析预测方法是研究的重点和难点。本项目围绕关键科学问题“围岩损伤扩容-破裂碎胀挤压变形机理、连续-非连续力学模型和分析模拟方法”,采用室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,首先开展了反映TBM开挖卸荷特征的砂质泥岩三轴卸围压试验和三轴卸荷蠕变试验,分析了卸荷和蠕变过程中的软岩损伤、变形、破坏规律,揭示了挤压变形机理,即深部软弱围岩挤压变形由TBM开挖卸荷产生的峰前损伤扩容和峰后破裂碎胀引起。考虑了掌子面空间效应和围岩粘性时效特性,研究了护盾区域围岩挤压变形的时空演化规律及其对护盾接触-挤压-摩擦相互作用过程的控制作用,揭示了TBM卡机灾害的孕育发生机理:护盾区域围岩挤压变形时空效应显著,护盾区域围岩挤压变形随着与开挖面距离增大而增大,在某一点处其径向位移达到扩挖预留变形间隙,从这一点开始围岩与护盾接触并挤压护盾,进而在TBM推进时,围岩对护盾产生摩擦阻力,当TBM前移时推进系统所提供的推力不足以克服护盾所受的摩阻力时,便发生TBM卡机。并据此建立了挤压变形卡机灾害孕育致灾过程力学模型,提出了卡机灾害判别准则。将质量阻尼、准静态摩擦和损伤卸荷强度准则引入到FDEM计算方法中,改进了接触对的检索方式,实现了TBM掘进围岩破裂碎胀挤压变形和卡机过程的模拟,形成了挤压变形卡机孕育发展模拟预测的FDEM方法。项目以新疆ABH输水隧洞为依托工程,开展了挤压变形卡机灾害预测分析研究,研究成果在依托工程得到了应用和验证。本项目揭示的挤压变形卡机灾害致灾机理和提出的挤压变形卡机FDEM分析预测方法对挤压变形卡机灾害的预测和控制具有重要指导意义。
项目成果
期刊论文数量(8)
专著数量(0)
科研奖励数量(2)
会议论文数量(0)
专利数量(5)
Cutting force measurement and analyses of shell cutters on a mixshield tunnelling machine
混合盾构掘进机壳形铣刀切削力测量与分析
- DOI:10.1016/j.tust.2018.08.052
- 发表时间:2018-12
- 期刊:Tunnelling and Underground Space Technology
- 影响因子:6.9
- 作者:Xing Huang;Quangsheng Liu;Lei Chen;Yucong Pan;Bin Liu;Yongshui Kang;Xuewei Liu
- 通讯作者:Xuewei Liu
Mechanism and forecasting model for shield jamming during TBM tunnelling through deep soft ground
深部软土地基TBM掘进盾构卡阻机理及预测模型
- DOI:10.1080/19648189.2017.1327895
- 发表时间:2019-09
- 期刊:European Journal of Environmental and Civil Engineering
- 影响因子:2.1
- 作者:Xing Huang;Quansheng Liu;Xingxin Peng;Guangfeng Lei;He Liu
- 通讯作者:He Liu
Experimental Study on the Dilatancy and Fracturing Behavior of Soft Rock Under Unloading Conditions
卸荷条件下软岩剪胀破裂行为试验研究
- DOI:10.1007/s40999-016-0144-9
- 发表时间:2017-09-01
- 期刊:INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING
- 影响因子:1.7
- 作者:Huang, Xing;Liu, Quansheng;Liu, Jianping
- 通讯作者:Liu, Jianping
Application and prospect of hard rock TBM for deep roadway construction in coal mines
硬岩TBM在煤矿深部巷道施工中的应用与展望
- DOI:10.1016/j.tust.2017.12.010
- 发表时间:2018-03
- 期刊:Tunnelling and Underground Space Technology
- 影响因子:6.9
- 作者:Xing Huang;Quansheng Liu;Kai Shi;Yucong Pan;Jianping Liu
- 通讯作者:Jianping Liu
引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控
- DOI:--
- 发表时间:2017
- 期刊:岩土力学
- 影响因子:--
- 作者:黄兴;刘泉声;彭星新;雷广峰;魏莱
- 通讯作者:魏莱
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其他文献
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- 作者:黄兴;潘玉丛;刘建平;刘泉声
- 通讯作者:刘泉声
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- 作者:陈昱文;黄小猛;李熠;陈悦;徐挚仁;黄兴
- 通讯作者:黄兴
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- 通讯作者:黄兴
其他文献
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基于多算法改进融合的TBM掘进岩-机作用模型与智能决策方法
- 批准号:
- 批准年份:2020
- 资助金额:63 万元
- 项目类别:
相似国自然基金
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