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_FONT+face=Verdana_深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析_FONT_.pdf2010年 6月 第29卷第6期
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.29No.6 lme.2010
深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字
冯夏庭，张春生²JGJT119-2008 建筑照明术语标准.pdf，李占海3，周辉，侯
中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北武汉430071：2.中国水电顾问集团华东勘测设计研究院 浙江杭州310014：3.东北大学资源与土木工程学院，辽宁沈阳110004)
ESTINGONFORMATIONANDEVOLUTIONOFTBMEXCAVATIO
LI Shaojun',FENG Xiating',ZHANGChunsheng’,LI Zhanhai',ZHOUHui'
DU Jing,CHU Weijiang
(1.StateKeyLaboratoryofGeomechanicsand ngineering, Instifute ChineseAcadem of Sciences,Wuhan,Hubei 430071,China;2.East China Investigation andDesign InstitutionUnder CHECC,Hangzhou,Zhejian 310014,Chind;3.School of Resources and Civil Engineering,Northeastern University, Shenyang,Liaoning 110004,China)
李邵军，等。深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析
岩爆估计等方面往往遇到很多问题。 20世纪80年代末发展起来的数字全景钻孔摄 像技术，实现了对钻孔空间信息的获取、量测、存 诸、分析、管理、平面和三维显示，为地质勘探、 工程安全监测及工程质量检测提供了新的手段[13.14] 当前，国内外对于数字钻孔摄像技术的研究和应用， 隧洞开挖损伤区形成和演化全过程进行测试分析的 文献却鲜有报道。本文针对深埋隧洞开挖损伤区这 核心内容，采用数字全景钻孔摄像技术，利用隧 同开挖超前地质钻孔，对3"弓水TBM掘进隧洞进行 了现场原位测试，直接观察深埋隧洞开挖损伤区形成 有演化过程中裂纹萌生、扩展、搭接全过程以及裂纹 的张开或闭合等特征。分析了开挖损伤区的范围、裂 隙的形成、发展与闭合的全过程演化特性及其与施 工进度的关系
本次测试采用中科院武汉岩土力学研究所研制 的数字钻孔摄像仪(DPBGS)[13,14]，其硬件部分由绞 车、全景探头、控制箱、仪器箱、摄像机、台式计 算机（含视频采集卡、1394卡）等部分组成，可以获 得钻孔全长孔壁360°的全景图像，其环向最高精度 可达0.1～0.2mm。另开发了完善的用以计算分析的 数字图像分析系统，具备对地质结构和裂隙特征的 测量、计算和分析功能。目前已在矿山、水利水电工 程、公路和铁路等领域得到了较为广泛的应用。
2.2测试方案及钻孔布量
图1开挖损伤区测试钻孔与隧洞间的剖面布置示意图 Fig.1 Sketch map of layout profile of testing boreholes and around excavating tunnels
通过对该测试钻孔全长数字摄像结果的计算和 统计分析，得到图3所示的地质概化图，并得到了 每条结构面和节理裂隙的产状。综合看来，该钻孔 反映出该区岩体完整性较差，统计完整岩体共 20.5m，占钻孔全长的60%，孔内发育有大量的节 理、裂隙、溶蚀裂隙和破碎带。
红掘进过程中开挖损伤区
根据对该钻孔不同时间段的数字摄像结果分 析，在3"引水隧洞TBM掘进过程中开挖损伤区有 如下几方面的演化特征： （1）由于受扰动和岩体应力调整的影响，SZ1 钻孔壁出现了众多剥落掉块区，最大剥落区宽 mm，长39mm，如图4，5所示。
(2）TBM掘进过程中，开挖损伤区产生了一系 列细小裂隙，裂隙宽2～8mm。主要裂隙在钻孔长 度方向分布为：29.5~30.0，31.1~31.5和31.8~ 32.3m(32.3m前部在3引水隧洞边墙掘进后被开挖
29卷第6期 李邵军，等。深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析
图5TBM掘进过程中开挖损伤区裂隙演化数字钻孔摄像 Fig.5Digital borehole camera of cracks in excavation damaged zone during TBM construction
TBM掘进完成后发生了裂隙宽度减小甚至逐渐闭 合的现象，如图5(d）所示。
3.3开挖损伤区演化与施工开挖的关系
根据上述测试成果综合分析可见，开挖损伤区 与TBM掘进的关系可描述如下： （1）TBM掘进过程中，至少影响其离掌子面前 方13.0m距离处的岩体，如图6所示的“TBM施 工后挖除区，裂隙宽度发生了明显的变化。而在数 字钻孔摄像测试图像上(见图7)，可以很清楚地看出 33.3m附近的裂隙发生了明显的剪切变形。33.32m 处的裂隙宽度从9.0mm减小为8.0mm，而33.35m 处的裂隙宽度从4.5mm增大到8.1mm。 (2）TBM掌子面经过钻孔所在断面后0～50m 是开挖损伤区裂隙密集产生的时段。 (3）当TBM隧洞支护15d后，边墙变形相应 也得到较好控制，但开挖损伤区后部围岩继续向边 墙方向变形，这种差异变形使得新生的裂隙在TBM 掘进完成后发生了逐渐闭合的现象。如图8所示， 2009年12月27日多处裂隙最大裂隙宽度小于2009 年12月15日的裂隙宽度，如31.9m处的裂隙，由 原来7.2mm减小到5.3mm。
3.4开挖损伤区形成与演化的机制分析
TBM施工的破岩过程包括盘刀侵入岩体和两 刀盘之间岩石碎片形成2个阶段6，较之钻爆法施 工，TBM掘进对围岩的影响相对较小。根据对TBM 施工过程中连续数字钻孔摄像观测，基于本文的试 验结果分析，深埋隧道TBM施工开挖损伤区演化 可以概括为3个阶段：
图7TBM掘进掌子面前方开挖损伤区裂隙演化特征 Fig.7 Evolution character ahead of EDZ working face during TBM construction
44某景区建设--环境工程施工组织设计图8测试断面与TBM掘进掌子面的关系 Fig.8Relationship between testing section and TBM face
(1）TBM破岩过程中的岩体开裂和原有裂隙变 化。由于施工开挖扰动，使得岩体内的应力重分布， 临近开挖面的岩体整体或者局部损伤产生裂隙，并 向纵深发展，形成开挖损伤区，如本文测试得到的 TBM掘进掌子面前方13.0m处的岩体裂隙发生了 变化。 (2）围岩瞬态卸荷EDZ的形成和发展。脆性硬 若在高应力条件下，由于岩体应力突然卸载，原来 储存的能量迅速释放，这种动力扩张使得开挖损伤 区裂纹的产生并发展。 (3）围岩支护后EDZ的控制与岩体蠕变。在这 阶段，TBM掘进后迅速对围岩进行了喷锚支护， 遂洞边墙的变形得到了初步的控制。但开挖损伤区 内的应力仍在进行调整，岩体继续发生蠕变变形， 使得高应力下的岩体继续发生张拉和剪切作用，然 而，边墙围岩的支护使得开挖损伤区内的裂隙发生 了宽度减小基至逐渐闭合的现象
通过对深埋隧洞TBM掘进不同时段数字钻孔
李邵军，等，深埋隧洞TBM开挖损伤区形成与演化过程的数字钻孔摄像观测与分析
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