TBM—裂隙岩体相互作用下隧道围岩块体系统动态演化过程及稳定性机理研究

Due to the strong interaction between TBM, rock mass and rock mass stability, the dynamic evolution process, failure mode and instability mechanism of surrounding rock blocks during TBM tunneling in jointed rock mass are still a difficult problem. However, the currently available excavation methods, such as D&B or mining method, cannot particularly consider the interaction of rock mass and machine in jointed rock mass, and they are totally based on continum theories. By model test, theory analysis and numerical simulation, and focus on the interaction between TBM, rock mass and rock mass stability, the mechanical behavior of surrounding rock during TBM tunneling in multi-scale block system with TBM-rock mass interaction is investigated in the research project as follows: (1) to determine the dynamic evolution process, morphology, scale law and distribution of surrounding rock during TBM tunneling in the multi-scale TBM-block system; (2) to explore the mechanism of stability, disturbed zone, arching effect and supporting pressure during TBM tunneling in the multi-scale TBM-block system. The contribution will further strengthen the modern tunneling excavation theory and provide theoretical method and technique for TBM tunneling and its design.

裂隙岩体中TBM隧道开挖围岩块体系统的动态演化过程、破坏模式和失稳机理由于TBM-岩体-岩体稳定性之间相互作用关系极强一直未能得到满意解决。而现有隧道开挖理论是以连续介质假设的传统理论为基础，主要针对传统隧道开挖方法（例如钻爆法或矿山法），没有反映裂隙岩体中TBM隧道岩-机相互作用特殊问题。本研究将针对TBM-裂隙岩体相互作用多尺度块体系统中隧道开挖围岩力学行为，借助室内试验、理论分析及数值试验等手段，以裂隙岩体中TBM-岩体-岩体稳定性之间的相互作用关系为核心，开展：（1）研究TBM-裂隙岩体多尺度块体系统中隧道开挖围岩块体动态演化过程、形态、分布及尺度律；（2）研究TBM-裂隙岩体多尺度块体系统中隧道开挖影响分区、压力拱性态与支护荷载分布的力学机制以及稳定性机理，建立“TBM-块体理论”可视化分析方法。成果将进一步丰富现代隧道开挖理论，并为TBM隧道设计和施工提供理论方法和技术指导。

裂隙岩体中TBM隧道开挖围岩块体系统的动态演化过程、破坏模式和失稳机理由于TBM-岩体-岩体稳定性之间相互作用关系极强一直未能得到满意解决。而现有隧道开挖理论是以连续介质假设的传统理论为基础，主要针对传统隧道开挖方法（例如钻爆法或矿山法），没有反映裂隙岩体中TBM隧道岩-机相互作用特殊问题。本项目针对TBM-裂隙岩体相互作用多尺度块体系统中隧道开挖围岩力学行为，借助室内试验、理论分析及数值试验等手段，以裂隙岩体中TBM-岩体-岩体稳定性之间的相互作用关系为核心展开研究。主要研究内容包括：（1）裂隙岩体多尺度块体结构特征和基本力学特性研究；（2）TBM-裂隙岩体多尺度块体系统中隧道开挖围岩块体动态演化过程、形态、分布及尺度律研究；（3）TBM-裂隙岩体多尺度块体系统中隧道开挖数值试验及模型试验结果对比分析。.取得的代表性成果有：.（1）揭示了裂隙岩体中TBM隧道掘进围岩失稳机理，建立了TBM-裂隙岩体相互作用下的块体分类方法，给出了刀盘-开挖面、护盾-洞周和撑靴-洞周三类相互作用定量关系；.（2）提出了块体行为学概念，对TBM刀盘运动对块体行为的影响进行了深入研究，获得了TBM裂隙岩体中掘进全过程块体行为的动态演变规律，建立了TBM隧道块体理论稳定性分析方法，并通过模型试验进行验证。.（3）基于块体实验室（BLKLAB）软件平台开发了相互作用下隧道开挖模块（BLKLAB-TBM），实现了TBM三维信息模型建模和TBM隧道块体稳定性识别算法。.本项目取得的重要成果，其科学意义和应用体现在：.（1）首次揭示的TBM-裂隙岩体相互作用下的岩石块体失稳机理和失稳模式，诠释了了裂隙岩体中TBM掘进“卡机”本因，为解决TBM掘进过程中常见的“落、碰、砸”难题提供了新的途径；.（2）独立开发的TBM-裂隙岩体相互作用下的块体系统稳定性分析模块（BLKLAB-TBM），实现了TBM三维信息模型建模和TBM隧道块体稳定性可视化快速识别算法，可为实际工程中的失稳块体识别提供快速且准确的判别方法，便于隧道工程师使用，并在两个实际依托工程中得到了验证。