小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

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。

700m深级公路隧道超大竖井掘进工法比选——以天山胜利隧道2-2竖井为例

为解决700 m深级高寒高海拔地区高速公路大直径竖井施工前施工工法难以抉择的问题,考虑到新疆严苛的环保要求,天山复杂的工程地质,钻爆法与TBM法“3洞”组合洞内通风的迫切需求,以及施工条件、工期、成本控制等诸多因素,调研国内外不同行业、不同级别井深的井筒正井法、反井法、竖井钻井法及竖向掘进机法等掘进工法,从地质适应性、工期要求、场地条件、技术成熟度、安全性、环保、成本等方面进行综合比选,结合天山胜利隧道2-2竖井工程的经验,得出主要结论如下:1)正井法、反井法、钻井法在煤矿等其他行业技术成熟,设备市场齐全,而在高速公路隧道700 m深级超大竖井施工尚属首次,施工难度极大,应引起项目决策者高度重视;2)高速公路隧道700 m深级超大竖井施工前,再次进行渗透系数、涌水量、围岩岩性、强度、破碎带位置及长度等的详勘或校核,是进行方案比选的重要前提;3)采用钻井法对应充分考虑坚硬地层导致的成本增加和工期延长等不利后果;4)超大竖井掘进机掘进设备、技术尚处在探索阶段,会因设备制造周期长以及泥浆泵更换、垂直度纠偏、刀盘漏油修复、频繁换刀等问题带来的工期不确定性和成本大幅增加,采用竖向掘进机法应慎之又慎。

TBM卡机防控脱困方案智能决策方法研究

目前深埋长输水隧洞中硬岩掘进机(TBM)卡机防控脱困方案决策过程受卡机机理复杂性、围岩-护盾相互作用全过程监测困难性及人为主观经验等因素影响,导致决策结果的有效性、经济性和及时性有待提高。针对上述技术难题,基于构建的TBM卡机案例库数据,尝试采用支持向量机分类(SVM)方法,预测TBM卡机致灾模式和风险,继尔采取相应预防措施。同时,基于案例推理(CBR)方法,对卡机后脱困方案进行科学决策。智能决策方法应用于新疆某输水工程隧洞关键洞段施工中,准确预测了TBM卡机风险,并提前采取防控措施,避免了卡机事故的发生。同时针对已发生卡机的洞段,决策推荐了卡机脱困处理方案,与现场实际采取的脱困方案一致,有效降低了脱困处理工程费用,并缩短了处理时间。

天山胜利隧道出口端“胜利号”TBM掘进至中点

12月5日,天山胜利隧道建设取得重大进展,出口端服务隧道“胜利号”TBM硬岩掘进机顺利掘进至中点11028米,为乌尉高速建设目标实现奠定坚实基础。天山胜利隧道作为新疆乌尉高速公路的“咽喉”工程,全长约22.13公里,是世界在建最长高速公路隧道。

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。

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。

岩石隧道掘进机可掘性评价方法研究

为了解决岩石隧道掘进机可掘性预估不准导致隧道施工工期和成本失控的问题,针对国内外5个TBM法隧道工程267组数据,统计分析了TBM可掘性指标与岩体质量参数的回归关系.统计结果表明:贯入度指数与准岩体单轴抗压强度的关系建议采用线性回归关系,岩体基本质量指标与准岩体单轴抗压强度呈对数函数关系,贯入度指数与岩体基本质量指标呈二次函数关系.基于岩体基本指标、准岩体单轴抗压强度、TBM贯入度指数三个指标,建立了不同级别围岩TBM可掘性评价方法,并给出了不同级别围岩条件下TBM掘进参数的控制策略.研究结果可指导不同围岩条件下TBM掘进参数调控和高效掘进.

地铁施工中多隧道掘进机任务调动方法研究

为合理调动掘进机施工任务,提升地铁多隧道施工效率,提出了地铁施工中多隧道掘进机任务调动方法。以掘进机各个施工任务独立、同时开展、不包含特殊情况为前提,根据不同类型掘进机的现场环境、能源消耗、运输条件及施工时间等情况的匹配任务权重,以减少各任务施工时间为目标,组建掘进机任务调动模型。运用拟关键路径算法求解地铁多隧道施工任务顺序,并采用最适宜调动算法,将独立工序所对应掘进机放入拟关键路径法排序出的顺序中,减少各掘进机施工时间,获取最佳掘进机任务调度结果。实验结果表明:通过所提方法调动掘进机施工任务后,掘进机的施工时间比调动前有所减少,能够合理调动掘进机施工任务,提升地铁多隧道施工效率。

高黎贡山隧道TBM掘进卡机段TSP法物性参数响应特征分析

高黎贡山隧道工程地质条件复杂,断层破碎带、节理密集带等不良地质易造成TBM卡机事故。为有效避免TBM卡机事故的发生,以TBM穿越高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层为背景,提取卡机段采用TSP法(tunnel seismic prediction)获取的围岩力学参数,通过分析TSP参数的相关性以及对比分析卡机段和正常掘进Ⅴ级围岩段的TSP参数,获取TSP参数与围岩的相关性及卡机段TSP参数的波动规律。研究结果表明:(1)随着泊松比的增大,卡机段的围岩纵波速度呈下降趋势,岩体的静态弹性模量总体呈现降低的趋势;(2)对比正常掘进Ⅴ级围岩段,卡机段TSP法获取的围岩纵波速度、静态弹性模量、波阻抗均有不同程度的下降,而泊松比则有增大的趋势。通过层次分析法理论,对围岩纵波速度、泊松比、静态弹性模量和波阻抗进行定量分析,一定程度上可作为TBM掘进过程中卡机判别的依据。

TBM隧道岩石可掘性评价指标及其应用研究综述

TBM(Tunnel Boring Machine)掘进施工成本中,刀具的磨损占比很高,这通常是由于TBM的刀具设计与岩石强度及硬度不匹配。因此需要对TBM隧道岩石进行可掘性评估,为刀具设计及施工参数确定提供依据。岩石可掘性评价在TBM围岩分级、掘进效率预测等方面十分重要,是评估TBM施工效率与成本的关键,但隧道TBM开挖过程中岩石可掘性的评价通常相当复杂,需要考虑许多参数,且至今国内外对可掘性这一指标尚未有标准化定义。通过文献检索,本文针对可掘性指标的定义,可掘性的研究应用等方面研究进展进行综述。结合已有的研究成果,对TBM可掘性未来的研究方向进行了展望。

全断面岩石隧道掘进机(TBM)施工超前处置技术综述与思考

TBM施工过程中遭遇的复杂地质条件越来越多,超前处置是减少和避免复杂地质条件下TBM施工过程中频繁卡机最可靠的途径。为此,结合TBM施工实践,从3个方面总结10项现有处置技术,用来应对破碎、软弱、富水、完整硬岩、岩爆等地质问题,分别为:1)在掌子面或掌子面前方施作的掌子面超前处置技术,包含刀盘清理脱困、掌子面超前注浆、地表注浆和人造节理4项措施;2)在护盾尾部或护盾后方施作的后置式超前处置技术,包含超前注浆、超前小导管加固和超前管棚加固3项措施;3)从适当位置施作的导洞法超前处置技术,包含小导洞法、迂回导洞法和超前导洞应力释放法3项措施。针对TBM施工超前处置,提出5个方面的思考和建议:1)减少TBM在不适宜地质洞段的施工占比;2)提高TBM工法的地质适应性;3)提高超前地质预报的准确性和及时性;4)动态设计,合理决策;5)健全规范、标准、定额等管理体系,促进TBM科学应用与推广。

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.

灰岩隧道掘进机隧道点荷载试验评价岩石强度方法的研究与探讨

使用隧道掘进机(TBM)开挖隧道时刀盘和盾体阻碍了对岩石状态的观察,这时可使用岩渣对岩石条件进行预测和评价。从滚刀破碎掌子面产生的岩渣中选取块状岩石进行点荷载试验可以获得岩石强度,但是受过滚刀损伤作用的岩石强度值与未受损伤的岩石强度值之间的关系尚不明确。从吉林引松供水工程TBM破岩产生的岩渣中挑选块状试样进行点荷载试验,同时在产生岩渣的相应位置钻取岩芯获取点荷载强度,与单轴抗压强度进行了对比,记录了取样地点地质状态、试样的尺寸、破碎状态以及等效断裂面积。结果表明:岩渣中的岩块受到滚刀作用产生的损伤强度值有所下降,为完整取芯试样的63.25%,原岩越完整受损程度越大;灰岩点荷载强度换算岩石单轴抗压强度系数约为25.3,直接使用岩渣时建议系数约为42.1;峰值荷载与等效断裂面积成正比;尺寸过大的试块往往与岩体原有裂隙有关,强度极低,不适宜用作点荷载试验。研究结果为TBM隧道现场快速获取岩石强度参数提供了方法和依据。

近海复杂地层下城市轨道交通TBM选型优化与掘进参数控制

[目的]为提高TBM(隧道掘进机)的地层适应性,解决青岛地铁2号线(以下简称“2号线”)西延段近海复杂地层下TBM选型的难题,需对TBM选型进行优化,并对其掘进参数进行控制。[方法]通过地质条件适应性、施工灵活度及掘进效率等方面,对适宜硬岩掘进的TBM类型进行了综合比选。针对2号线TBM掘进区间存在的穿越断裂破碎带、始发空间不足、小曲率半径施工及不具备吊出条件等工程难点,对TBM进行了优化设计。确定了不同等级围岩下双护盾TBM的推力、扭矩、刀盘转速及净掘进速率等参数的取值范围。[结果及结论]经综合比选,2号线西延段近海复杂地层选用DSUC型双护盾TBM施工。该型TBM具有良好的地层适应性,支护方式灵活多样,通过优化刀盘、盾体及后配套台车设计,改进始发、拆解、小曲率半径施工方案,完善超前加固及导向系统,使TBM应用更加经济合理。双护盾TBM在中硬岩层中掘进时,可适当增加推力和扭矩,以提高净掘进速率;而通过断层破碎带时应严格控制掘进参数,以减少对掌子面的扰动。

硬岩掘进机(TBM)在我国隧道施工市场的推广应用

TBM是目前长大隧道施工最先进的大型工厂化成套设备,具有安全、快速、环保等诸多优势,在发达国家已经成为隧道施工的首选设备,但在我国却一直无法大范围推广应用,对于提升我国隧道施工技术水平极为不利。透过TBM在我国的应用现状,分析存在的问题,探讨其未能大范围推广应用的原因,探索出推广应用TBM法施工的措施,并提出正确对待TBM的适用范围、合理降低设备成本、科学筹划工期、编制合理的工程造价等建议。

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。

顶部导洞法TBM卡机脱困技术研究与应用

研究目的:TBM已在我国地下工程建设领域中得到广泛应用,但对于复杂地质条件,TBM卡机问题仍十分突出,施工中曾多次遭遇连续卡机、长期卡机、突水涌泥、设备报废、工法改变等不同程度的困难,不但造成工期延误,还使工程建设成本大幅度增加,因此研究复杂地质条件下TBM卡机防控技术以及TBM卡机后的安全快速脱困技术十分必要。高黎贡山隧道全长34538 m,进口采用钻爆法施工,出口采用TBM法施工。TBM施工中,一般地质条件下掘进比较顺利,但遇到断层破碎带、岩性接触带、节理密集带、风化蚀变带、软岩挤压带等复杂地质条件时,仍发生了19次卡机事故,其中正洞8次、平导11次,严重影响TBM的正常掘进,特别是严重卡机时,常规的脱困方法难以奏效,需要研究安全有效的脱困技术,从而保证TBM的正常掘进。研究结论:(1)顶部导洞法是处理TBM卡机的一种有效脱困方法;(2)采用顶部导洞法处理TBM卡机时,导洞净空宽度宜为120 cm、净空高度宜为130 cm,管棚工作间宜在拱部120°范围内设置,管棚直径宜为76 mm,环向间距40 cm,仰角1°~3°,长度宜一次穿越隧道前方破碎带;(3)本研究成果可在类似隧道TBM施工中推广应用。

中天山隧道TBM法掘进同步衬砌施工技术

由于中天山隧道具有独头掘进距离长,工期紧的特点,传统单工序作业的工法已不能满足项目要求,因此结合现场实际情况,提出了TBM法掘进同步衬砌施工的施工思路,为保证运输车快速安全的通过衬砌作业区,在台车的设计和边墙基础施工工艺上进行了创新,由于TBM施工段14 km需独头掘进,常规的供水供电方案已不能满足要求,根据实际情况,进行了方案创新。为保证施工进度,对施工组织进行了细化,最后明确了需要进一步研究解决的问题,凸显该技术的经济、社会效益及发展前景。

隧道掘进机(TBM)掘进时的岩石特征判定问题

】为了进一步提高秦岭隧道掘进机的掘进速度，发挥其更大效益，需要尽快解决掘进中出现的一些问题，包括刀圈磨耗过快的问题。从深入了解围岩特征入手，进行地质有关问题的研究，应是解决问题的有效途径。