岩石隧道掘进机不良地质施工处置技术

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)凭借其高效优质、作业安全等特点在铁路、公路、地铁、水利水电等领域广泛应用,在普通地质环境下推广顺利。复杂地质环境下致灾源多,如硬岩岩爆、软岩大变形、断层破碎带、涌水突泥等不良地质使TBM施工频繁出现围岩坍塌、支护失效、卡机淹井、设备损伤等问题。本文结合工程案例,从超前主动加固、注浆及锚固、管片支护、撑靴加固4个方面总结现有施工技术,以应对TBM穿越不良地质导致的刀盘卡机、护盾抱死、初期支护变形过大、撑靴打滑等问题,提升TBM在不良地质环境下的适应能力,为类似工程提供参考。

悬臂掘进机法在挤压性围岩隧道中的适应性研究——以木寨岭公路隧道为例

为探明悬臂掘进机法应用于挤压性围岩隧道的可行性与具体效果,以木寨岭公路隧道为依托,首先开展基于工程地质条件的悬臂掘进机法适用性分析;其次,结合工程实施条件,对悬臂掘进机进行选型,并设计2台阶悬臂掘进开挖方案;最后,依托工程试验段,重点从施工效能和实施效果2方面,开展2台阶悬臂掘进机法和3台阶钻爆法开挖的对比研究。研究结论如下:1)综合对岩石强度、开挖断面和工效3个因素进行分析,悬臂掘进机选型应重点考虑切割面积和切割功率。2)木寨岭公路隧道围岩按能否较好适应于悬臂掘进机法开挖,可划分为2类6种。3)对比3台阶钻爆法开挖的施工效能,2台阶悬臂掘进机法的施工进度提高20%,平均超挖减少150 mm,用工量减少5~10人,喷混凝土超耗量减少57%。4)对比3台阶钻爆法开挖的围岩位移、压力、拱架应力和锚索轴力,2台阶悬臂掘进机法中围岩压力减小0.01~0.11 MPa;围岩位移和拱架应力最终量值无明显变化,但分布更均匀、更快趋于恒值;锚索平均轴力增大39 kN。

浅埋隧道悬臂掘进机施工工艺分析与研究

该文主要分析施工前、后的围岩应力状态和围岩抗剪安全系数指标,施工过程中距离隧道轴线4、8 m处,距离拱腰1、3、4、5 m的最大和最小主应力和围岩抗剪安全系数。并得出最大、最小主应力的影响范围在距拱腰0~4 m内。施工完成后距离拱腰越近,围岩的抗剪安全系数越大,并且距离拱腰0~3 m安全系数降低,在3 m以后安全系数增加。综合比较得出三台阶法施工对围岩的扰动性最小。

隧道掘进机泡沫添加剂发泡效果的试验研究

泡沫添加剂作为隧道掘进机施工中重要的土体改良剂,其系统组成、发泡效果在很大程度上影响着实际施工,尤其是在较为复杂的地层中。针对隧道掘进机泡沫添加剂系统中出现的发泡效果不佳等问题,研制并搭建试验平台,通过模拟设置掘进机实际施工参数,探索对比测试影响泡沫发泡喷射效果的诸如不同发泡倍率等6种因素,为泡沫系统的设计开发提供试验数据。

悬臂掘进机在下穿河流浅埋段隧道中的应用

隧道下穿河流段处于浅埋段,不宜采用爆破开挖,因此采用悬臂掘进机开挖方法来减少扰动。文章结合莲花山隧道工程,提出下穿河流浅埋段隧道悬臂掘进机施工工法,避免隧道下穿河流浅埋段地层发生坍塌及涌水,减少开挖带来的扰动,顺利通过浅埋段,为隧道建设提供新的施工技术。

全断面隧道掘进机主轴承受力分析及不拆解状况下的检测方法

文章主要分析了全断面隧道掘进机主轴承三列滚子的结构形式及不同工况下受力状况。并通过计算分析,阐明了全断面TBM主轴承三列滚子的磨损情况与主轴承寿命的相互关系。为隧道工程项目提出了一套具有参考价值的主轴承定期磨损检测方案。

隧道掘进机滚刀对岩石破碎的影响研究

随着隧道掘进技术的逐步发展,盾构法已经逐步取代爆破法成为隧道掘进作业的主流技术。首先分析了岩石表面破碎的4个过程。然后,通过多功能振动接触试验机建立滚刀破岩石的试验环境,研究了滚刀刃角、刃宽和刃形的变化对破岩效果方面的影响。综合不同滚刀在粗糙度指数和比能耗方面的试验结果认为:在刃角方面,0°刃角的滚刀更适合于硬岩掘进;在刃宽方面,刃宽越大,破岩效果相对越好;在刃形方面,平头刀有着较好的破岩效果,但弧形刀的能耗更低。

全断面隧道掘进机在城轨项目中适用性及施工进度影响因素探讨

为了研究全断面隧道掘进机在城轨项目的适用性,通过查阅相关资料、调研相关案例,分析了全断面隧道掘进机应用于城市轨道交通中的优势和劣势,并分析始发、掘进、过站3方面因素对施工进度的影响。

基于随机森林与粒子群算法的隧道掘进机操作参数地质类型自适应决策

考虑到隧道掘进机的性能对地质条件比较敏感且其操作依赖于司机经验,提出基于随机森林和粒子群算法的隧道掘进机操作参数地质条件自适应决策方法。利用随机森林(RF)分别建立地质类型、操作参数与推进速度、刀盘转矩的映射关系模型;结合映射关系模型,构建以盾构机推进速度最大为目标,以刀盘转速、螺旋输送机转速、总推力、土仓压力4个操作参数为控制变量的优化方程;利用粒子群算法(PSO)求解各地质类型地层中的最优操作参数决策结果。通过新加坡某地铁工程施工数据验证所提方法的有效性和优越性。研究结果表明:建立的随机森林模型中推进速度和刀盘转矩预测的决定系数R^(2)分别达到0.936和0.961,均大于adaboost、多元线性回归、岭回归、支持向量回归和深度神经网络模型中相应的R2;基于粒子群算法的操作参数决策方法能够准确求解操作参数最优解,寻优用时均比遗传算法、蚁群算法和穷举法的短。本文所提决策方法使隧道掘进机在该施工段的福康宁卵石地层、句容地层IV、句容地层V、海洋黏土地层中的推进速度分别提升了67.2%、41.8%、53.6%和15.0%。

铁路隧道中悬臂掘进机施工试验研究

为研究悬臂掘进机在铁路隧道施工中的适用性及应用效果,选择大瑞铁路秀岭隧道进口平行导洞作为试验段,开展悬臂掘进机施工试验研究。通过收集、分析试验段施工情况及监控量测数据,确定了在Ⅳ级围岩中悬臂掘进机施工的合理循环进尺及工序卡控时间,研究成果表明悬臂掘进机法在铁路隧道施工中不受断面小的影响,还能提高围岩的自稳能力,且超欠挖控制与开挖轮廓成型效果都较好。而与传统钻爆法施工相比,悬臂掘进机法施工具有减弱支护措施,节省工程量,提高施工进度等优势。

复合地层小直径隧道掘进机掘进速度区间预测

合理准确预测隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的掘进速度是实现TBM智能化控制的关键问题之一,复合地层小直径TBM施工的不确定性较常规地质条件更强,而传统预测方法对施工过程的不确定性考虑不足。在此通过引入区间预测方法,提出基于4种不同Bootstrap方法结合KELM-ANN模型的TBM掘进速度区间预测模型,并以南水北调安阳输水隧洞工程为例,选取142组工程实测数据验证区间预测模型的有效性。研究结果表明:基于Rademacher分布建立的模型预测结果优于其他3种方法,不仅可以得到较好的点预测结果,还可以构造出较为清晰可靠的区间将掘进速度实测值完全包络在内;随着置信水平的提高,区间可容纳的不确定性和风险也逐渐上升,通过变化区间宽度,能较好地量化和解释TBM施工过程中的不确定性因素对掘进速度的影响。研究结果可为TBM掘进性能预测和掘进参数优化提供参考。

基于PSO-LSSVM算法的隧道掘进机掘进参数预测方法

为了规避隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进参数人为设定的主观性,提出了一种基于粒子群-最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)的TBM掘进参数预测方法。通过从海量TBM工程掘进数据中探寻参数变化规律,降低了TBM主司机设定掘进参数的主观性,辅助其合理选择掘进参数,有利于提高掘进效率、规避工程风险,经实验和工程数据验证,PSO-LSSVM算法通过对样本粒子全局迭代寻优来优化参数,提升了预测算法泛化能力和预测精度,对推力、扭矩和推进速度参数预测数值偏差满足要求,可辅助指导主司机设定掘进参数。

基于不同虚拟技术的掘进机培训方案对比研究

传统掘进机培训方式效果较差,专业高效的培训方案可以提高对掘进机的掌握程度。设计了四种基于不同虚拟技术的掘进机培训方案,并通过对比分析加以实验验证选择出了最佳方案。硬件部分主要设计了矩阵键盘和控制手柄以及多种视觉显示设备,软件部分使用建模技术构建掘进机模型,使用虚拟技术构建培训场景,使用Open-Pose技术规范员工姿态。结果表明:在四种掘进机培训方案中,物理实体与混合现实技术的掘进机培训方案的培训效率最高。

敞开式TBM隧道穿越断层破碎带防卡机技术研究

隧道TBM穿越断层破碎带等不良地质易发生卡机风险,严重影响施工进度和安全。在大凉山1号隧道工程中,针对TBM穿越断层破碎带不良地质条件,分别总结刀盘卡机、盾体卡机及刀盘盾体卡机机理。基于现场勘察和实测数据,分析刀盘卡机现场概况及掘进参数变化情况,提出有效的预防卡机预处理技术。基于有限元分析确定最佳注浆加固范围,进一步提出TBM卡机脱困措施。研究表明,TBM掘进至断层区域后,刀盘扭矩提升、推力减小,掘进参数变化加剧。因超前地质预报可有效探测不良地层信息,故应预先采取注浆加固、适应性改造TBM、增强设备配置等有效措施。

全断面隧道掘进机智能制造与运维发展现状及趋势

分析全断面隧道掘进机行业存在的难题、挑战与智能化发展的意义,重点论述全断面隧道掘进机行业智能制造、智能运行、智能维护、智能安装与机器人应用等技术的研究与发展现状。提出全断面隧道掘进机智能化制造和智能化运行维护技术的发展方向:1)亟待建立装备制造与运维数据共享机制;2)亟待突破多源异构数据采集智能终端开发与多层制造生产协同等关键技术;3)研发机制-数据混合驱动的云边端分布式智能运维系统,推动隧道工程智能建造的进程;4)逐步跨域构建“以用户为中心”的制造/运维价值网服务平台,实现全断面隧道掘进机制造/运维产业转型升级。

软岩大变形隧道马蹄形掘进机研发设想与展望

基于国内外大量高地应力软岩隧道工程案例和理论研究,分析掘进机在软岩地层施工的难点,对掘进机进行有针对性的研发设计,提出基于“应力释放”设计理念的“软马”掘进机和“半马”掘进机,以及基于“及时支护”理念的“外马”掘进机。结合掘进机开挖、支护、衬砌同步施工的特点,探索马蹄形掘进机关键技术及施工方案,吸收国内外软岩大变形地质隧道的施工经验,将先导螺旋开挖装置、拱架外置、盾体变径等技术应用于马蹄形掘进机的设计,预期可解决软岩大变形隧道施工中的问题。最后对全域软岩地质施工装备进行研发展望,概述基于“多地质适应性”理念的多功能、多模式马蹄形隧道掘进机等,以期对软岩大变形地质条件下掘进机工法建造隧道提供新的解决方案和思路。

异形断面隧道掘进机复合地层开挖盲区处理关键技术研究

为解决现有异形断面隧道掘进机中心轴驱动旋转刀盘、偏心多轴驱动刀盘、行星轮驱动刀盘等多种开挖形式在复合地层适应性上存在的局限性,依据异形断面隧道内岩石强度、范围、长度等地质条件的不同,提出3种开挖盲区预处理工法,即小直径凿岩钻机钻孔结合泥土回填工法、硬岩顶管机结合管节回退泥土回填工法、盲孔主机回退结合泥土回填工法,并成功应用于某地铁出入口项目。针对异形掘进机复合地层一次开挖成型难题,研究多旋转刀盘集成盲区处理装置的同步开挖系统;设计摆动铣挖头和铣削滚筒2种开挖盲区处理装置,利用有限元方法对结构设计进行静力学验证,并应用于某复合地层矩形顶管机项目;通过对掘进数据分析,得到该地层摆动铣挖头和铣削滚筒设备掘进参数,为复合地层异形断面隧道修建提出新的解决方案。

煤矿井下用全断面掘进机安全技术要求研究及建议

煤矿井下用全断面掘进机是最新引入煤矿井下施工的大型巷道掘进装备,有效地改善了煤矿巷道建设过程中掘进速度慢、效率低等问题。介绍了煤矿井下用全断面掘进机结构组成、分类以及工作原理,并基于煤矿井下用全断面掘进机性能研究,结合煤矿瓦斯爆炸环境和工作特点提出了适合煤矿井下用全断面掘进机的安全技术要求和建议,为煤矿井下用全断面掘进机设计制造、安全使用提供了技术指导和参考。

隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究

滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。

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。