高放废物地质处置工程TBM开挖损伤影响因素识别与优化研究

For the High-Level nuclear Waste (HLW) disposal project, the initiation and propagation of the microcracks (damage) in the surrounding rock may lead to degradation of the mechanical behavior of the rock mass, and provide potential paths for the nuclide migration. Hence, the damage evolution of the excavation damage zone (EDZ) is critical to the stability and safety of the project. To a large extent, the character of EDZ is controlled by the method for excavation. As the one of the most important factors influencing the character of the EDZ, selection of the proper excavation method is crucial. With the advantages of high construction quality, safety and environmental protection, small disturbance and damage to surrounding rock mass, TBM methodology can be the selected as one of the reference excavation methods. Thus, it is a pressing issue for HLW disposal project to limit the scope and damage extent of EDZ by optimization of TBM design parameters and operational parameters. In the present study, based on the laboratory test of granite sample, taken from the Beishan site, the most potential site for Chinese HLW Disposal, the rock damage mechanism by TBM cutters will be investigated, the TBM parameters which affect the EDZ initiation and propagation during TBM excavation will be identified. At last, in order to limit the EDZ, the optimization of these influencing parameters will be performed.This research work can provide the reference for TBM excavation to meet the high requirements for safety and function of HLW disposal project.

高放射性废物地质处置工程开挖围岩损伤是影响工程长期稳定性和安全性的重要因素。作为直接导致开挖损伤区（EDZ）产生的因素，开挖方法的选择极为关键。岩石隧道掘进机（TBM）以施工质量高、安全环保、尤其开挖时对围岩造成的扰动损伤小等优点，将成为处置工程的必选开挖方法之一。而如何结合地质环境条件优化TBM设计及施工方案从而更有利地限制EDZ范围及损伤程度也是各国高放废物处置工程中亟待解决的问题．因此，本课题以TBM开挖方式下EDZ的影响因素识别与优化为研究方向，以高放废物处置库甘肃北山预选区花岗岩为研究对象，从TBM滚刀破岩损伤机理入手，主要通过室内全尺寸滚刀破岩试验来研究特定地质条件下TBM开挖时影响EDZ产生及演化的TBM设计及运行因素，以及如何来优化这些因素，达到限制EDZ范围及降低EDZ损伤程度的目的，从而保障地质处置工程的功能要求和安全要求。

由工程开挖导致的围岩损伤是影响高放射性废物地质处置工程长期稳定性和安全性的重要因素之一。作为直接导致开挖损伤区（EDZ）产生的因素，开挖方法的选择极为关键。岩石隧道掘进机（TBM）以施工质量高、安全环保、尤其开挖时对围岩造成的扰动损伤小等优点，将成为处置工程的优选开挖方法之一。而如何结合地质环境条件优化TBM设计及施工方案从而更有利地限制EDZ范围及损伤程度也是各国高放废物处置工程中亟待解决的问题。本项目以TBM开挖方式下EDZ的影响因素识别与优化为研究方向，以高放废物处置库甘肃北山预选区花岗岩为研究对象，主要借助室内全尺寸滚刀破岩试验，获得了不同围压水平下和不同贯入度条件下滚刀力、岩体特征掘进指数、岩片厚度及比能等参数变化规律。总结了四大类EDZ损伤测试方法及其原位应用、优缺点。采用荧光法、着色渗透探伤剂测试法和声发射实时监测测试法分别对滚刀切割岩样进行EDZ特征测试研究，评价了这三种方法在花岗岩岩石类型中的适用性，并得出TBM破岩造成的围岩损伤基本在厘米级的结论。基于荧光法并结合前期已有研究成果识别了TBM滚刀破岩时影响EDZ分布特征的重要因素及其影响效应，研究表明刀间距、贯入度、推力、围压等因素对EDZ影响显著，而扭矩、转速影响效应较小；基于限制EDZ范围及降低EDZ损伤程度准则，提出了高放废物地质处置工程TBM设计及运行参数优化方法，并针对北山岌岌槽地段岩石条件推荐了TBM关键设计与运行参数。本项研究中获得的围压对TBM破岩的影响规律为系统研究地应力对TBM滚刀破岩影响效应提供理论基础，为现场施工参数优化提供技术指导；荧光法损伤测试为硬岩TBM破岩损伤研究提供了有效手段；提出的高放废物地质处置工程TBM设计及运行参数优化方法，为特定地质条件及工程设计条件下TBM或其他机械破岩设备的设计及施工中参数优化提供技术支持。