EPB/TBM双模盾构机硬岩掘进卡机脱困技术

[目的]EPB(土压平衡盾构机)/TBM(全断面硬岩掘进机)双模盾构机在掘进过程中由于刀具磨损过于严重,掘进参数设置不当等问题,易引起卡机等事故,进而严重影响施工工期,甚至引发安全事故,需对EPB/TBM双模盾构机硬岩掘进卡机脱困技术进行研究。[方法]依托深圳地铁8号线二期三工区大梅沙站—小梅沙站区间隧道工程,基于EPB/TBM双模盾构机在全断面微风化硬岩掘进过程中的卡机事故全过程,系统地阐述了EPB/TBM双模盾构机的卡机脱困流程,并对卡机至脱困过程的掘进参数演变规律进行分析,总结盾构机卡机事故原因,并提出对应的预防措施及建议。[结果及结论]盾构机卡机主要由多因素共同作用引起,其中刀盘及刀具的异常磨损是核心原因之一。通过及时排查相关掘进参数的异常变化,如盾构掘进速度骤降,刀盘扭矩骤降,总顶推力显著提升,可提前预警甚至避免卡机现象的发生。排查时结合对刀盘和土仓内渣土堆积情况的综合判定,能够显著减少卡机现象的发生并防止其进一步加剧。通过盾构机卡机位置确定、切口环岩体破除、顶撑工装焊接、盾构机试推进、第一部分盾体切割及岩体破除、第二部分盾体切割及岩体破除、切割盾体原位焊接及盾构机恢复掘进等工序可实现成功脱困。

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。

NSVR硬岩隧道掘进机刀盘扭矩预测分析

为了避免硬岩隧道掘进机(TBM)刀盘受困,提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归(NSVR)预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据,研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系,得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系:随着围岩强度由强到弱,推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱,刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系,建立刀盘扭矩NSVR预测模型,并将该模型应用于吉林引松隧道工程,对按1∶1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明:训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%,测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本,占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明,在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下,建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.

硬岩隧道TBM施工中的典型掘进破岩难题与对策

全断面岩石掘进机(TBM)在硬岩、极硬岩隧道掘进过程中存在岩爆灾害、滚刀磨损、低掘进速率等典型掘进破岩难题,严重影响隧道的安全高效施工。因此,查明产生这些典型难题的原因并提出相应的对策至关重要。本文首先从岩石硬度、单轴抗压强度、岩石脆性及耐磨性等角度分析了隧道硬岩的相关特征,并阐明了其对各典型掘进破岩难题的影响规律。随后结合国内外隧道施工案例提出了相应的对策:岩爆灾害可采用岩爆监测和岩爆防控相结合的方法进行预防和治理;滚刀磨损通过优化滚刀参数、改良刀圈材料、涂覆刀圈涂层以延长其使用寿命;掘进速率低的难题可通过优化滚刀布置设计、增加刀盘推力及扭矩、增设辅助破岩手段等措施改良。最后,从TBM与隧道围岩的相互作用机理、TBM隧道施工信息化建设、TBM掘进智能控制和优化决策等方面对未来硬岩隧道的掘进提出了几点展望。

硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制

针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)油缸并联推进系统产生的推进干扰力降低关键部件使用寿命和隧道开挖精度的问题,提出姿态自适应推进系统.建立推进机构的数学模型,将推进油缸分为2组,对2组推进油缸的大腔压力进行动态分配.使用ADAMS AMESim Simulink三软件联合仿真,对比分析并联推进系统与姿态自适应推进系统.结果表明:在额定推进力和0.1°、0.3°、0.5°调向角度下,姿态自适应推进系统产生的推进干扰力为并联推进系统的2%,姿态自适应推进系统平行于主梁的推进正压力的超调小于5%.姿态自适应推进系统可以显著减小推进干扰力,具有良好的稳定性.

锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究

对开敞式硬岩掘进机在锦屏二级引水隧洞群中的应用经验进行总结和梳理,首先针对锦屏二级水电站高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机(TBM)设备选型及掘进参数的优化进行研究,合理确定设备结构及掘进参数;采用BEAM,TSP,地质雷达等手段综合开展掌子面前方超前地质预报,取得良好的预报效果,并制定相应的预处理措施。首次在国内水电工程中开展微震监测系统试验及应用,进行高地应力下岩爆风险预测预警研究,较为准确地预测了岩爆发生的大致范围,并开展一系列防岩爆支护措施的试验研究工作,取得较好的效果,有效降低岩爆风险和危害。最后,对如何实现TBM安全快速掘进进行综合分析研究,对今后开敞式TBM的选型和使用提供参考意见。

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.

三模式掘进机全断面岩层段TBM模式施工技术研究

为研究三模式掘进机使用TBM模式在全断面岩层中的施工技术,以广州地铁7号线二期萝岗站—水西站盾构区间工程为研究背景,分别从出渣方式、掘进参数控制、刀具管理和稳定器应用4个方面对三模式掘进机TBM模式施工技术进行总结。结果表明:1)本工程中三模式掘进机使用镶齿滚刀施工,相对光面滚刀的消耗更少,刀盘转矩更低;2)三模式掘进机TBM模式采用泥浆循环和螺旋输送机双通道出渣,可显著降低泥浆管堵塞的概率,提高出渣效率;3)三模式掘进机在前盾、中盾安装稳定器和撑靴,可保证全断面硬岩地层中掘进盾体不发生滚动,同时增强盾体稳定性;4)在全断面岩层中采用三模式掘进机TBM模式开挖隧道,刀盘转速为3.0 r/min,总推力约15000 k N,转矩可控制在1300 k N·m,推进速度为8~12 mm/min。

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。

硬岩掘进机在长大隧道工程中的应用

通过介绍硬岩掘进机的设备性能和施工特点,以及其在长大隧道施工应用带来的优势,突出说明了隧道掘进机先进的设备功能对隧道修建技术水平的极大推动,阐明了掘进机在地下工程建设领域广阔的应用前景,对掘进机的推广使用具有指导意义。

基于ADAMS 的全断面硬岩隧道掘进机主机耦合振动分析

为明确不同工况下TBM主机振动耦合规律,基于Adams软件,依据其结构装配关系和力传递关系,对TBM主机节点进行重新划分,引入非线性弹簧元件对油缸、轴承和齿轮啮合进行非线性等效,建立TBM主机非线性耦合动力学模型,并详细计算结构本身的刚度和结构间的非线性连接刚度。根据掘进地质条件,定义了全推力、上软下硬和转弯3种典型刀盘载荷,并对3种载荷下的振动进行分析。结果表明:(1)在全推力工况下,主机关键部件的振动最大,为低频的受迫振动;机头架的振动横向和纵向受到齿轮的耦合作用,在150 Hz左右的频率上存在耦合振动。(2)刀盘轴向最大加速度幅值为2.5g,从刀盘到主梁,机头架的振动衰减了约25%,主梁前段振动衰减了约55%,与已有全推力工况下实测结果相接近,证实了仿真计算的正确性。(3)根据对上软下硬和转弯纠偏2种典型工况的振动规律分析,刀盘的轴向力和速度分别减少约40%和80%。

采用全断面及扩孔式硬岩掘进机的大断面隧道掘进

迄今为止,世界上已有大约140km直径超过9m的岩石隧道成功地采用全断面掘进机及扩孔式掘进机进行开挖。目前,机械破岩法隧道掘进的趋势仍在向着更大断面的隧道发展,大断面隧道掘进中的高地层压力和由此产生的挤压性地质条件,则要求人们对全断面掘进的工艺和设备必须进行慎重地选择。本文除对不同类型全断面掘进机的特征作了一般性的分析比较外,还通过对国际上典型的全断面掘进机应用实例的分析,得出了一些较具体的结论,以作为今后隧道工程项目选择全断面掘进机的推荐性意见。

硬岩隧道掘进机刀盘全面整修技术

介绍了TB880E型全断面硬岩隧道掘进机完成2个工程、累计12km掘进并且又闲置5年之后,对刀盘进行全面整修的实例,可为类似项目提供借鉴。

我国自主研制的首台TBM硬岩隧道掘进机投产成功

采用我国自主研制的首台TBM硬岩掘进机施工的吉林省引松供水工程8月20日贯通，该工程为国家“十三五”水利建设重点项目，总干线22．6km，引水隧洞的贯通为项目在2019年年底建成通水奠定了基础。

硬岩掘进机TBM在公路山岭隧道中的适用性研究

在劳动力资源趋于短缺、用工成本趋涨的新形势下,公路山岭隧道施工亟需研究采用硬岩掘进机(Tunnel Boring Machine,以下简称TBM)实现“机器换人”的目标。为了研究公路山岭隧道采用硬岩掘进机TBM在的适用性,以浙江的地质情况为例,以开挖断面类似的电站输水隧洞为参照,基于工程类比,从地质适应性、工程造价、施工工期等方面开展了对比分析。研究表明:TBM适合浙江省的地质条件,尽管工程造价略高于传统矿山法,但是施工工效高,施工工期短。可以预见,随着隧道越来越长、劳动力成本越来越高、工期要求越来越短,TBM的应用将越来越广。

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。

XTR260硬岩掘进机双螺旋截割头螺旋升角对截割效果的影响研究

为进一步探寻XTR260硬岩掘进机双螺旋截割头部位的优化路径,结合该部位的运行工况与设计图纸,应用Pro/E三维建模软件建立其实体模型;应用有限元分析软件ANSYS和力学分析软件LS-DYNA,对其在不同螺旋升角参数下的力学性能进行初步分析.分析结果显示,当螺旋升角为14°时,截割头能够同时在钻进与横切两种截割工况下均具有较优的性能.该研究结果将为今后的硬岩掘进机双螺旋截割头的参数设计优化提供一定的参考借鉴.

TBM硬岩掘进技术在金属矿山工程的应用与实践

在地下金属矿山施工中传统钻爆法安全风险高且效率低,为解决传统钻爆法的施工问题我国采矿装备逐步向机械化、现代化、智能化发展,近年来我国将TBM硬岩掘技术逐步引进了金属矿山工程施工领域。随着矿山开拓技术的不断发展TBM硬岩掘进设备作为一种新型的隧道、巷道掘进设备,具有安全、高效、断面成型质量良好等优点,被逐步应用于各类隧道及地下矿山施工中。TBM硬岩掘进设备采用先进的刀盘设计和切割技术,能够高效地进行巷道掘进作业,同时采用机械传动的原理,能够大幅度降低施工作业人员的劳动强度,极大地提高了地下矿山施工安全性。

单臂掘进机施工下的城市硬岩隧道综合除尘技术研究

城市硬岩隧道采用掘进机施工时会产生大量粉尘,常规施工通风无法解决这一问题。为有效降低工作面粉尘浓度,在分析硬岩粉尘特性的基础上,采用现场采样、理论计算等方法,得到粉尘浓度和平均产生速率等关键参数,建立起由附壁风筒、湿式除尘器、截割头高效环保泡沫等设备构成的综合除尘系统,并形成掘进机施工下的城市硬岩隧道综合除尘技术。通过现场测试表明,采用综合除尘技术后,硬岩隧道工作面的全尘和呼尘的平均降尘率分别达到85%和81%。