隧洞开挖是工程建设中经常面临的任务,我国基础工程建设和资源开发的快速发展,需要开挖众多深埋长隧道工程。对于长隧道工程,采用全断面隧道掘进机TBM施工是更为高效便捷的方案。然而TBM机械系统庞大,对地质条件的适应性较差,在遇到断层、破碎带、溶洞等地质条件,以及强岩爆、软弱大变形等工况时,经常会造成TBM被卡、被埋甚至机械报废的严重事故。本文通过整理TBM施工研究现状,对复杂地质条件下长隧道TBM施工难点进行归纳,为了提高TBM掘进效率和其对复杂地质的适应性,提出组合式TBM概念设计和施工技术,并利用数值模拟验证其相较于传统TBM施工的优越性。具体研究内容包括:(1)以超前应力释放技术为设计原理,提出组合式TBM概念设计,将不灵活的大直径TBM分为两部分:掘进方向相同的超前TBM和扩挖TBM,超前TBM与扩挖TBM相互配合、各自独立开挖,在超前TBM上可搭载一定的超前探测装备,实现高精度超前探测。(2)在现有TBM施工工艺的基础上,研究了组合式TBM施工工艺,主要包括组合式TBM的开挖方式、复杂地质条件下进行超前探测的方法,给出了通过软岩大变形、岩爆风险段时的防控措施,若超前TBM工作时遭遇卡机,给出了实现人工脱困和自主脱困的方法。(3)采用数值模拟手段研究了组合式TBM开挖硬岩隧道的效果,分别开展了导洞直径为4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m,正洞直径为13m,在三组地应力条件下的开挖试验,并设置直接开挖正洞试验为对照组。通过分析各组开挖洞周单位面积能量释放率与局部能量释放率LERR分布规律,验证了组合式TBM开挖方式降低了能量释放水平,开挖硬岩隧道时相较于直接开挖法更安全。找出了以8m作为超前导洞直径的导洞开挖方案,为本试验地应力水平下的最佳方案。(4)采用数值模拟手段研究了组合式TBM开挖软岩隧道的效果,开展了不同超前导洞直径条件下的组合式TBM开挖试验,并设置直接开挖正洞试验为对照组,监测开挖过程中围岩变形情况。分析了不同开挖阶段监测点总位移、开挖结束后在围岩深度方向上的变形特征、随开挖步的监测点位移变化特征。结果表明,组合式TBM在开挖导洞阶段和开挖正洞阶段,围岩变形均小于传统大直径TBM。找出了以8m作为组合式TBM导洞直径时,更利于提供及时支护和控制围岩变形。