超特长隧洞TBM智能辅助掘进技术研究及应用

为解决目前TBM掘进存在依赖于司机经验,难以对异常情况做出及时响应,导致掘进减缓或刀具磨损加剧的问题,不仅需要在不停机状态下及时准确获取掌子面围岩信息,还要在了解掌子面围岩信息的情况下实现智能辅助决策。依托北疆供水二期工程,分析围岩类别、掘进效能和掘进参数等掘进指标,基于图像识别、数据挖掘和机器学习等技术,通过岩渣图像识别、刀盘振动监测和超前地质预报实现围岩状态的实时感知;构建地质信息、掘进参数、设备与支护参数数据库,进行大数据预处理及关联分析;采用多目标智能优化算法,以掘进速度和刀具寿命为目标,对掘进参数进行优化。在此基础上,提出掘进参数、支护方案、卡机应对措施等辅助决策方法。通过TBM智能辅助掘进技术在XE隧洞试验段中的应用可知,掘进速度总体可提升15.6%,刀具寿命总体提升4.5%,且未发生因掘进参数选择不当导致掘进停滞或设备异常损坏等问题。

基于支持向量机的气压辅助掘进条件下盾构隧道地表变形预测研究

与常规土压平衡盾构掘进相比,气压辅助掘进条件下的地表变形过程更为复杂。为提高预测模型的工程适应性,准确预测气压辅助条件下的地表变形量,保障该条件下盾构顺利掘进,引入支持向量机(SVM)理论,利用粒子群算法(PSO)对支持向量机的超参数组合进行优化;同时,优化模型输入参数,将隧道上覆黏土层厚度和气压值设为输入参数,并针对上覆非均质土层改进模型参数计算方法,建立适用于气压辅助掘进的PSO-SVM地表变形预测模型。为验证预测模型的准确性和实用性,以广州地铁18号线陇枕出入场线某一区间为例,使用优化了输入参数的模型进行预测,并在此基础上,综合采用PSO-SVM、SVM和PSO-BP 3种模型进行地表变形预测分析。结果表明:1)针对气压辅助掘进工法优化输入参数的PSO-SVM模型可以较好地满足工程需要;2)PSO-SVM模型的适应性显著高于PSO-BP和SVM模型,具有较好的工程适用性。

盾构气压辅助掘进技术应用与质量控制

以东莞地铁1号线项目工程为依托,结合现场实际的施工情况和掘进施工效果,根据盾构机的气压辅助平衡机理,提出使用盾构气压辅助掘进技术施工,对土仓内压力设计和监控,提高了施工进度。根据盾构机气压辅助平衡模式应用工艺,结合现场施工实际情况,对气压辅助掘进技术施工进行质量控制,分析了在该模式下的次生风险,并给出了预防和应急措施。

大直径泥水平衡盾构辅助气压工法应用研究

辅助气压掘进工法在国内盾构施工中常被用于土压盾构掘进“上软下硬”地层和埋深较大、裂隙水发育的地层,以及富水、气密性好的复合地层。在泥水盾构掘进中采用辅助气压掘进工法的案例较少,本文结合河南城际铁路大直径盾构项目全断面黏土层气密性好等工程特点,尝试在黏土层掘进施工中采用泥水盾构辅助气压法掘进工法,应对刀盘结泥饼,使各项参数发生变化,导致结果恶化、施工效率降低等问题,有效降低了刀盘结泥饼的概率,提升了施工效率,为类似地层大直径泥水盾构施工提供了参考意义。

自移式掘进机辅助支护设备关键部件的常规力学分析

自移式掘进机辅助支护设备是一种新型的井下临时支护设备。它与掘进机配套使用,主要用于对掘进工作面的临时支护,保证掘进机的连续作业,实现机掘巷道临时支护的机械化作业。对自移式掘进机辅助支护设备的关键部件—前探梁、侧护梁、联接销轴、销孔及耳板等应用常规计算方法进行了受力分析及强度分析。

岩弹冲击破岩规律试验研究

针对深部岩层掘进过程中钻具磨损快、掘进效率低等问题,基于粒子冲击破岩技术,提出采用高压气体驱动加速岩弹冲击预裂掘进面岩体,减少钻具磨损。通过SHPB试验和三维扫描试验,测试岩石破坏吸收能和新增表面积,构建岩石冲击破坏吸收能理论模型;采用自主研制的岩弹冲击破岩试验装置研究了气体压力、岩弹质量及岩性对破岩效果的影响。形成了以下结论:基于实测岩石破坏吸收能和新增表面积,得出试验花岗岩岩样比表面自由能γs为6.34 mJ/mm^(2);增大气体压力能够有效提高岩弹冲击动能,使花岗岩吸收能和新增表面积增大,同时岩弹破碎和弹射耗散能随之提高,岩弹冲击动能转化为花岗岩破坏吸收能效率降低;吸收能与岩弹质量和动能乘积成幂次方关系,保持气压不变,增大岩弹质量可在一定范围内提高岩弹冲击动能和花岗岩破坏吸收能,提升破坏效果。但过多提高岩弹质量,导致其动能降低,从而使吸收能转化效率降低。不同岩性的岩石比表面自由能不同,但气体压力、岩弹质量对不同岩性岩石冲击破坏效果的影响基本一致。研究结论为硬岩辅助掘进提供理论和技术支撑。

自移式掘进机辅助支护设备底座的设计及有限元分析

通过对自移式掘进机辅助支护设备底座的概念设计,利用ANSYS软件结合Pro/E软件对设备的底座进行三维建模和有限元分析。通过分析结果对底座进行了强度和刚度校核,验证零部件设计的合理性,为设计的可行性提供了理论依据。

超深埋高承压水复合地层土压盾构下穿西溪湿地保护区建筑物施工技术

杭州地铁机场快线隧道采用盾构法施工,其中最大埋深区间隧顶埋深达到40 m以上,最深位置需穿越上软下硬地层,且需下穿保护区建筑物。因隧道上部圆砾地层和砂层储水丰富且渗透性强,土压盾构掘进随着埋深越来越深,水压也逐渐增大,掘进出现地下水干扰导致螺旋机喷涌,容易超方造成地表建筑物沉降和隧道被淹埋等重大风险。介绍了施工中采用的气压辅助模式掘进及风险防控,克泥效、厚浆运用以及渣土改良、二次注浆、盾尾刷防渗漏保护等技术措施,喷涌基本得到控制。所采用技术保证了建筑物安全,隧道被淹埋风险也得到很好控制。

辅助设备及工序优化在综掘巷道快速掘进中的研究与应用

针对综合机械化巷道掘进辅助设备及工序优化的研究与应用,结合矿井巷道掘进的实际情况,采用无极绳绞车作为辅助运输和机载临时支护,优化施工工序,减少职工劳动强度,提高掘进进尺及工效。

低压磨料空气射流破硬岩规律及特征实验研究

针对坚硬围岩巷道和隧道的掘进效率低、钻具损耗快等问题,提出低压磨料空气射流辅助破硬岩技术思路。采用Fluent-EDEM数值分析不同压力条件空气射流流场结构和磨料加速机制,确定影响磨料加速的关键因素。基于自行研制的磨料空气射流破煤岩系统,研究射流压力、磨料质量流量和冲蚀时间对冲蚀破碎花岗岩效果的影响规律,明确提高破岩效率的关键因素。采用扫描电镜对花岗岩冲蚀坑进行了形貌分析,揭示低压磨料空气射流破硬岩机制。形成了以下主要结论:在压力2 MPa时,射流可达543 m/s,能够将磨料加速至130 m/s,具备冲蚀破坏硬岩的能力。增大气固两相速度差,提高颗粒所受曳力和虚拟质量力是提高磨料速度的关键。相比于提高压力,提高磨料质量流量和冲蚀时间更能提升破岩效率。入射磨料主要以冲击应力波和反复塑性变形使岩石表面产生裂纹和唇状边缘冲蚀坑,反射磨料以剪应力的形式使冲蚀坑壁面产生微裂纹,形成片状断裂裂纹。低压磨料空气射流破岩机制与高压条件下相同,从理论上验证了低压磨料空气射流破硬岩的可行性。