我国城市地下空间盾构法隧道工程技术新进展

基于盾构施工特点,对盾构法施工技术的发展过程和创新进展进行调查研究,总结盾构法施工技术在地铁、市政公路、城市铁路、城市水工隧洞、城市综合管廊等工程中的最新应用,阐述城市盾构法隧道在地质条件多样化、越江跨海常态化、结构断面多元化、地面条件复杂化、隧道结构耐久性等方面面临的技术挑战。介绍超大直径盾构装备、大直径泥水盾构常压换刀、多模盾构、类矩形盾构隧道建造、联络通道机械法施工、软硬极端悬殊地层掘进、富水砂卵石地层土压平衡盾构、地下高地震烈度盾构隧道减隔震抗震和超长距离综合施工等技术创新成果;总结不良地质识别、设备状态实时感知、同步推拼连续掘进、盾构自动驾驶技术、盾构智能化管控平台等盾构智能掘进技术进展;指出城市地下空间建设盾构法隧道工程的发展趋势,地铁隧道、城市道路、综合管廊、城市给排水等设施需要不断更新,并网络化,盾构法隧道技术需要不断发展,盾构法隧道智能化施工需日趋精益。未来盾构装备将朝着“多模式、无刀化、外星化”等多元化,多源信息感知、管片智能拼装、地质探测预报、自主感知掘进决策等智能化以及特大直径、超长距离、超大埋深、超高水压等方向发展。

主要造岩矿物微波敏感性试验研究

采用频率2 450 MHz多模谐振腔对11种常见主要造岩矿物试样进行了微波辐射试验。根据升温速率和温度增量对其微波敏感性进行了研究。对赤峰玄武岩、鞍山辉长岩和昆明砂岩进行了矿物成分测试,根据其矿物成分组成预测3种岩石的微波吸收能力,通过微波辐射试验对预测结果进行了验证。然后对3种岩石进行了单轴压缩强度测试,研究了微波辐射后岩石的强度折减与岩石微波吸收能力的关系。结果表明:主要造岩矿物的微波吸收能力可分为3类,且表现出非常不同的微波吸收能力;根据岩石的矿物成分组成可预测岩石的微波吸收能力,含有强微波吸收能力矿物的岩石也具有较强的微波吸收能力;岩石的微波吸收能力越强,微波辐射后岩石单轴压缩强度的折减程度越大。

周期荷载作用下黄砂岩疲劳破坏变形特性试验研究

为研究周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响作用,利用Rockman207岩石力学试验系统对黄砂岩试件进行了单轴条件下不同上限应力和应力幅值的周期荷载疲劳试验。试验结果表明:黄砂岩的疲劳破坏受到静态应力–应变全过程曲线轴向、环向以及体积变形量的控制,在控制曲线的峰值强度或峰值强度之后,疲劳试验过程中会出现"初始破坏";黄砂岩疲劳破坏轴向和环形不可逆变形的3阶段发展规律的本质影响因素是产生的应变速率不同,黄砂岩的疲劳破坏过程是轴向和环向不可逆变形不断累积的过程;在一定条件下,黄砂岩的循环次数–上限应力曲线(N–S曲线)可以用来预测岩石的疲劳寿命。

微波辅助机械破岩试验和理论研究进展

微波辅助机械破岩是微波加热技术和机械破岩技术相结合的一种混合型破岩方法。岩石内不同矿物成分对微波能具有不同的吸收特性,各矿物不同的热膨胀产生的内应力使岩石内发生沿晶断裂和穿晶断裂,使试样产生损伤和微裂纹,这会引起岩石强度的降低。辐射功率和辐射时间是影响岩石力学特性的重要参数,一定功率的微波辐射处理后,试样的点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度发生显著降低,微波功率越高,辐射时间越长,对试样强度的折减效果越明显。数值研究结果与试验研究结果基本一致,增加功率的同时降低辐射时间对试样强度折减具有更好的效果。岩石点荷载强度、单轴抗压强度和抗拉强度的降低能够显著提高机械破岩设备刀具的侵入率和刀具寿命,解决机械刀具的磨损问题。微波辅助机械破岩对钻孔、TBM掘进和实现金属矿矿岩连续开采都具有重要影响作用。

脆性岩石循环加卸载试验及应变损伤参数分析

为研究不同应力状态循环加卸载条件下脆性岩石的强度、变形和损伤力学特性,对马城铁矿辉绿岩开展了单轴压缩、三轴压缩以及单轴、三轴循环加卸载等不同应力路径岩石力学试验,得到了脆性岩石在单轴和三轴条件下的强度、变形特征以及循环加卸载应力-应变曲线变化规律。给出一种岩石循环加卸载过程中相对应变损伤参数,结合现有损伤力学理论,对脆性岩石破坏过程中的损伤演化规律进行了研究。试验结果表明：1UCS条件下,循环加卸载峰值强度比平均单轴压缩峰值强度低10%-20%;CTC条件下,峰值强度出现离散性。2循环加卸载过程中弹性常量变化趋势跟岩石内部微裂隙的闭合、张开、扩展等断裂损伤机制密切相关。3岩石内部的损伤积累程度随循环次数的增加而不断增大,绝对应变损伤参数几乎不受围压作用的影响,而相对应变损伤参数受到围压的约束作用。

微波作用下水分对岩石波速和强度的影响

为研究微波处理对含水岩石的损伤机制,采用2.45 GHz多模谐振腔对赤峰玄武岩、北山花岗岩和昆明砂岩这3种岩石进行了干燥和浸水岩石的微波加热试验,通过P波波速和单轴压缩强度评价微波处理对干燥和浸水岩石的损伤特性。结果表明:岩石种类不同,水分对微波处理后岩石的升温特性、P波波速和单轴压缩强度的影响也不相同;赤峰玄武岩含水量较少,对升温特性和波速影响较小;北山花岗岩和昆明砂岩为弱微波吸收类岩石,水分对升温速率和波速的影响较大,对强度的影响较小,这是由于微波先把岩石内的水分蒸发掉再和岩石反应,导致干燥岩石和浸水岩石的强度基本一致。

多模谐振腔对赤峰玄武岩微波致裂效果研究

岩石微波致裂技术被认为是一种非常有潜力的辅助机械破岩技术和深部岩体应力释放技术,对地下工程施工效率和深部工程施工安全具有重要意义。较短时间(几十秒或几分钟)的微波照射就可以使岩石发生致裂,甚至熔融。采用频率2.45 GHz多模谐振腔对两种规格的圆柱形玄武岩试样进行了不同功率下的微波照射处理,通过红外热成像仪测量不同时间时试样表面的温度分布,获得微波照射过程中试样的升温特性。通过强度和波速评价岩石的微波致裂效果,通过介电特性和微观特征阐述了微波致裂岩石的机理,并研究了微波照射对岩石普氏坚固性和凿岩比功的影响。结果表明:微波照射过程中,试样表面温度呈区域性不均匀分布状态,试样上某一点的温度与照射时间近似成线性增加关系。强度和波速与微波照射时间近似成线性降低关系。辉石(强微波吸收性矿物)吸收微波后产生大量的热量,橄榄石(强热膨胀性矿物)在高温的作用下产生较强的热膨胀作用,导致该玄武岩具有良好的微波致裂效果。微波照射后,岩石的普氏坚固性和凿岩比功发生了一定程度的降低,且微波功率越高,照射时间越长,普氏坚固性和凿岩比功降低的程度越大。

深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道布置的数值模拟

为减少深部矿井倾斜煤层采空区下回采巷道的变形量和卧底量,降低回采巷道的返修率,以某矿为例,分析采空区下布置回采巷道的矿压显现规律及回采巷道位置参数,并采用FLAC3D快速拉格朗日差分分析法进行数值模拟计算。结果表明:两层煤联合开采的下层位煤层回采巷道,应布置在上层位煤层已经稳定的采空区下;回采巷道与上层位煤体边缘之间的水平距离可通过取其在下层位煤层应力降低区域与下层位煤层小变形区域的取值范围的交集获得。该研究为采空区下回采巷道的位置选择提供了可靠的理论依据。

不同瓦斯钻孔倾角影响下煤岩单轴抗压强度研究

在工程中,瓦斯钻孔的倾角对煤岩体的强度具有影响,而具有一定倾角的瓦斯抽采钻孔的垂直剖面图多呈椭圆形。为了解决瓦斯抽放钻孔的破坏问题,从而更好的实现瓦斯抽采,控制井下的瓦斯含量,从理论上基于穆斯赫利什维里理论计算出钻孔边界最大应力位置在椭圆长轴边界处;通过数值模拟计算表明:随着钻孔与水平倾角的增大椭圆钻孔边界的最大应力呈线性增长;在实验室利用TAW-2000KN微机控制电液伺服岩石三轴刚性实验机进行钻孔煤样的单轴抗压强度实验,根据得到的实验数据,参考虎克布朗强度准则,利用线性回归的方法,给出钻孔倾角对煤岩体强度的影响公式。

围压对黄砂岩疲劳破坏变形特性的影响

为研究三向应力状态下周期荷载对工程岩体长期稳定性的影响,对黄砂岩试样进行了不同围压的常规三轴压缩试验和周期轴向荷载疲劳试验,得到了黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向及体积变形特性。试验结果表明：常规三轴轴向周期荷载作用下,黄砂岩疲劳破坏的轴向、环向以及体积变形受到静态应力-应变曲线变形量的控制;疲劳破坏轴向、环向的峰值变形和不可逆变形均符合三阶段倒S型曲线发展演化规律;围压对轴向变形发展规律有一定强化作用,对环向变形发展规律却有所抑制;在疲劳破坏变形过程中,峰值应变ε_（max）具有和不可逆应变ε^p相似的发展规律,弹性应变ε^e在3个阶段基本保持不变,不可逆应变增量Dep的变化规律能够反映3个阶段应变速率的发展演化规律;变形比强度更适合作为岩石疲劳破坏的依据,黄砂岩的疲劳破坏变形特性研究为建立岩石的疲劳破坏力学模型做了基础。

考虑不确定性的TBM施工速度加权随机森林预测模型

TBM施工速度影响因素众多,具有显著的不确定性。对于地质参数的模糊性,采用岩体分级系统RMR、岩石耐磨性CAI和岩石硬度H衡量地质条件;对于施工过程中机械参数的随机性,利用TBM刀盘推力TF与转速RPM等主动控制参数进行分析;同时提出以其他因素停机时间占比来量化人为因素的不确定性。依托兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实测数据,建立了考虑不确定性的TBM施工速度预测数据库和加权随机森林算法模型,并与随机森林、支持向量回归、BP神经网络等预测方法进行了对比分析。研究表明,加权随机森林模型中测试集的预测结果均方根误差和决定系数分别为1.59,0.97,预测精度及可靠性均优于其他3种模型。该模型采用不同权重赋值的方法优化超参数,具有高精度、不易过拟合等优点,表现出更好的泛化能力和鲁棒性。

循环荷载下微波照射玄武岩的损伤变形与能量特征

为研究微波处理对循环加卸载条件下岩石的损伤变形及能量特征的影响,分别对未进行微波处理和微波处理后的玄武岩试样进行单轴压缩试验和循环加卸载试验(循环4次,应力上限分别为相应单轴压缩峰值强度的4个等分点),分析微波作用对循环荷载下玄武岩应力-应变曲线、强度、变形、损伤和能量特性的影响。结果表明:1)微波照射后试样的强度、峰值变形与微波照射时间呈负相关关系;2)由于微波的作用,加载的损伤随着循环次数增加呈现先减小、后增大的趋势,其中最后一次循环对试样造成的损伤最大,且微波照射时间越长,每次循环的应力上限越低,其损伤变量越小;3)微波照射后,每个循环过程中耗散的能量和外力功均随照射时间的增加呈递减趋势,试样破坏需要的能量随微波照射时间的增加而减小,微波照射降低了试样破坏的能量门槛。

演马庄矿顶板穿层钻孔的优化设计与实现

焦作矿区原有的底板抽采岩巷预抽措施,必须进行多次石门揭煤,严重制约了区域瓦斯治理进度。为解决这一问题,对该矿区演马庄矿21011运输巷进行顶板穿层钻孔优化,并对钻孔布置方式、孔间距等进行改进。结果表明,施工总量减少,施工进度加快,抽采效率显著提高,有效解决了区域瓦斯防突问题。

硬岩三轴仪全应力应变曲线与流变试验功能分析

地下金属矿山进入深部开采阶段以后,硬岩的岩爆和流变等工程灾害问题凸显,试验研究是了解其破坏机制的基本手段。由于硬岩具有高强度和弹脆性特点,峰后行为的试验研究在常规三轴仪上很难实现,加之流变变形非常小,对传感器精度要求非常高。鉴于此,结合国际先进岩石三轴伺服系统的开发经验,提出系统可行方案和强化指标满足硬岩全破坏过程和流变试验要求,与长春朝阳试验仪器有限公司合作开发Rockman207岩石三轴仪。由于该系统具有较高的系统刚度、较快的伺服响应速度和高精度的体积变化测量特点,验证和前期试验结果表明,其在硬岩力学试验中可以满足短期全破坏过程试验和长期流变试验研究需要。

岩石介电特性及微波加热升温规律分析

微波辅助TBM破岩是一种非常有潜力的提高硬岩隧道破岩效率的新型破岩技术。为研究常温和高温条件下岩石对微波的吸收能力,采用同轴传输/反射法测试原理设计了一套变温岩石介电特性测试系统,采用该系统对隧道施工中玄武岩、砂岩和花岗岩3种常见岩石进行了实验。结果表明:该系统能够准确地测量变温条件下岩石的介电特性,工业频率对岩石介电特性参数的影响不大,温度对岩石介电特性参数有一定的影响;常温和变温条件下,3种岩石介电常数虚部ε″和损耗正切tanθ的关系均为玄武岩>砂岩>花岗岩,3种岩石微波加热的升温规律和介电特性的规律保持一致;对岩石进行介电特性测试和升温规律分析,提前预判岩石对微波的吸收能力,可选择性地对具有良好微波破岩效果的隧道实行微波辅助机械破岩。

强吸波矿物对微波辅助破岩效果影响规律及机制研究

为更深入分析微波照射岩石破坏机制及强吸波矿物含量对微波照射弱化岩石效果的影响程度,以玄武岩为研究对象,利用离散元软件PFC(particle flow code),建立多颗粒钛铁矿-辉石-斜长石三元介质玄武岩细观结构数值计算模型,对在高功率短时间的微波照射条件下强吸波矿物(钛铁矿)含量变化对微波照射后玄武岩裂纹的萌生、发展及强度弱化效果影响进行研究。研究表明:1)玄武岩试样经微波照射后,发现玄武岩内部首先在强吸波矿物与相对弱吸波矿物交界处产生大量沿晶裂纹,随后部分沿晶裂纹逐渐扩展并以最短连接路径穿过矿物形成穿晶裂纹;2)微波照射后,沿晶裂纹主要集中在钛铁矿-斜长石交界处,穿晶裂纹主要分布于钛铁矿和辉石;3)经微波照射,玄武岩试样产生不均匀性分布的损伤,增强了岩石韧性,随钛铁矿含量增加,经微波照射后玄武岩试样的峰值强度和弹性模量显著降低,应力-应变曲线起伏态势增强、峰值产生点提前,并且玄武岩试样的强度弱化程度与强吸波矿物钛铁矿含量之间呈现正比例关系。

微波照射下岩石的升温与破碎特性研究

为论证微波辅助破岩过程中岩石的升温破碎理论,选取玄武岩作为岩石试样,对不同微波功率和照射时间下的岩石试样进行了5组微波照射试验,获得了岩石表面的温度分布和破碎状态。利用COMSOL多物理场建模软件进行仿真模拟,研究岩石内部的电场和温度场分布,揭示岩石的破碎机制。试验结果表明,随着微波发射功率和照射时间的增加,岩石表面的温度、破碎面积、破碎点深度、裂缝数量和裂缝长度均有所增加。模拟结果表明,微波由喇叭天线传递至岩石上表面时电场强度急剧降低,岩石内部电场强度整体呈倒锥形分布;微波照射下的岩石破碎损伤主要与电场强度有关,电场强度的强弱导致不同部位能量密度分布不均匀,进而引起温度梯度变化,产生不同的热膨胀,导致破碎损伤的发生。岩石的破碎损伤演化分为3个阶段,根据岩石试样升温过程进行数学模型回归分析发现,微波发射功率对温度特性的影响更为显著,当微波照射功率为26.645 kW时,微波能在极短的时间内使岩石达到破碎损伤状态,照射效果最佳。

复合地层地质参数与水下大直径盾构掘进参数相关性预测研究

为探索复合地层地质参数与水下大直径盾构掘进参数的内在联系,以汕头海湾隧道工程为背景,采用BP神经网络方法构建相关性预测模型,实现从地质参数到掘进参数的量化预测。研究结果表明:(1)通过建立基于掘进环数的地质参数及盾构稳定掘进时的掘进参数数据库,可有效表征地质及设备特性;(2)通过数据预处理、优选网络结构及训练函数,构建基于BP神经网络的相关性预测模型,总推进力、刀盘转速、掘进速度和刀盘扭矩平均误差小于6%,最大误差小于18%,预测效果较好,基本达到工程要求。基于BP神经网络相关性预测模型,输入地质参数即可定量预测掘进参数,结构简单、运算方便、精度较高。

隧道掘进机滚刀性能量化分级评估方法

隧道掘进机滚刀性能是制约掘进效率和施工安全的关键因素,为评价不同工况条件下的滚刀综合性能,通过层次分析法和模糊综合评价法研究了隧道掘进机滚刀性能量化分级评估问题。建立基于洛氏硬度、冲击韧性、承载能力和密封性能的因素集和评语集,划分滚刀性能评价等级;基于层次分析法构建不同工况滚刀性能参数权重,使用九级标度判断准则构造判断矩阵并通过一致性检验;建立各评价因素对评语集的梯形隶属度函数和三角形隶属度函数,选择七种滚刀构建其模糊评判矩阵;通过广义模糊合成算子计算模糊综合评价结果,基于综合得分对滚刀分级评价排序。结果表明:该方法可定性定量分级评判隧道掘进机滚刀性能优劣,为不同工况滚刀选择提供新思路。

软硬交变地层城际铁路隧道双模盾构设备配置技术研究

为了解决软硬交变地层城际铁路隧道单一模式盾构装备适应性差的问题,针对深大城际工程土压敞开双模盾构,通过盾构设备优化设计与现场试验,提出了重载耐磨式刀盘刀具系统、双减速大扭矩式主驱动系统、多通道可感知式盾体系统、可伸缩可移位式出渣系统、超前加固与管片拼装组合式围岩支护系统等五项双模盾构配置关键技术,大幅度提升了盾构装备地质适应性。上述技术已应用于深大城际试验段,并取得了较好的应用效果,可推广应用至深大城际后续盾构区间及其他软硬交变地层的盾构隧道工程。