高黎贡山隧道复杂地质条件下敞开式TBM施工关键技术研究

高黎贡山隧道地质条件极其复杂,可总结为"三高四活跃"。其中,高地热、高地应力、多断层破碎带、高压突涌水是制约TBM施工质量和安全的主要地质因素,将给TBM施工带来不可预估的风险。为了减少以上地质问题带来的TBM施工风险,通过资料查阅、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨、设计高适应性的TBM,并结合工程目前的施工状况,提出了TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。研究结果可为即将进场施工的TBM提供理论参考。

高黎贡山隧道1^#高地温斜井降温处理技术研究及比选

为解决高地温隧道工程中存在的作业环境差、机械设备故障多、劳动生产率低等高温热害问题,以大瑞铁路高黎贡山隧道1^#长大斜井为背景,进行技术研究和降温方案比选。首先,分析热水源、监测隧道洞内外气象条件,通过加强通风措施改善人体的舒适度。其次,采用注浆封堵热水源,减少热水流量,控制施工环境的湿度和温度;采用冰块+射流风机+快热交换的处理措施,冰块吸收隧道内热量,降低局部环境温度;采用机械制冷设备进行强制降温,改善热害隧道施工环境;综合优化资源配置,采用增加作业人员和设备数量,倒班作业,缩短人员和设备作业时长等多种处理措施。最后,分析各种降温措施能够达到的施工效果。结果证明,针对以围岩、热水为主要热源的高地温隧道施工,采用"通风降温+注浆堵水+机械降温+合理施工组织"的处理方案,符合高地温隧道施工的技术要求。

CSAMT法在高黎贡山隧道方案评价中的应用分析

结合高黎贡山隧道可控源音频大地电磁法的应用实例,详细论证了这种方法在隧道方案比选中的应用。通过物探资料对三个方案隧道的地层岩性、地质构造,特别是对深大活动断裂的分布位置、破碎带宽度及隧道围岩的完整程度作了详尽的分析和解释,并对物探判释的隧道洞身穿越断层破碎带、物探Ⅴ类异常(极破碎或富水岩体)和物探Ⅳ类异常(破碎或含水岩体)的长度进行了统计,从物探的角度对三个隧道方案进行了评价,为隧道的方案比选提供物探基础资料。

铁路隧道深竖井井筒防治水设计及施工技术

高黎贡山隧道2号竖井所在区域工程地质及水文地质条件异常复杂,施工中需穿越10条挤压破碎带及14条构造破碎带,井检孔揭露竖井开挖范围内分布有7层含水层。为保障井筒安全掘砌,采用煤矿井筒建设使用的地面预注浆技术治理水患。设计“S”形定向深孔注浆孔,注浆治理段高340 m,注浆材料选用堵水性能好的黏土水泥浆。注浆结束后,压水试验预测主、副井筒剩余涌水量较注浆前分别下降99.8%和99.7%,堵水质量优异。

大瑞铁路高黎贡山隧道原岩温度预测

随着深埋长隧道需求数量的增加,高地温热害问题越来越突出,严重影响到施工人员的安全及工作效率,需要根据地温的分布特征来对隧道高温地段采取必要的降温措施。结合大瑞铁路高黎贡山隧道的地质、地温实测资料及通过"谷地地理信息系统"获取的地形数据,采用基于地质演化历史计算原岩温度的数学模型,编制相应的计算程序对高黎贡山大瑞铁路隧道进行原岩温度预测,并对隧址区的温度场沿洞线方向进行简单划分,为隧道采用有效的降温措施提供必要的地温场数据。通过计算分析可以得出:1)沿隧道向瑞丽方向,隧道原岩温度有先增大后减小的趋势,最高点温度为31. 73℃; 2)隧道开始大约2. 5 km以内及18 km至隧道终点段,隧道岩温在28℃以下; 3) 2. 5～18 km段隧道岩温为28～31. 73℃,其中高于28℃区域需要采取实时温度监控措施。

大瑞铁路高黎贡山隧道TBM搭载综合超前预报技术实践

为避免或减小TBM隧道在施工过程中遭遇围岩坍塌、突水突泥等地质灾害,基于搭载于TBM的破岩震源和激发极化超前地质预报系统,对TBM环境综合超前地质预报方法进行研究,以实现掌子面前方不良地质定位。在探明不良地质的基础上,提出施工动态管理方法,以实现对不良地质的超前治理,进而有效避免地质灾害的发生。通过工程实践表明:提出的搭载于TBM综合超前预报系统可以有效探明掌子面前方的不良地质,采用的动态施工管理方法可有效对不良地质灾害进行防控,确保TBM安全、高效地施工。

高黎贡山隧道高适应性TBM设计探讨

为了应对高黎贡山隧道"三高四活跃"的特殊地质条件,研制高适应性TBM迫在眉睫。通过对高黎贡山隧道TBM施工段地质特征的勘察,总结了高黎贡山隧道的主要不良地质条件,分析了TBM施工存在的软弱破碎和大变形围岩洞段TBM卡机、高地应力掌子面与护盾后方岩爆、围岩收敛挤压变形支护破坏、高压突涌水和高温热害等方面的施工风险。提出高适应性TBM的针对性设计方案,包括TBM支护系统设计、刀盘刀具设计、应对涌水设计、应对高地热设计以及其他适应性设计的初步方案。研究结果可为高黎贡山隧道高适应性TBM的设计选型和制造提供参考。

复杂地质条件TBM研制关键技术及应用

为解决高黎贡山隧道出口段软岩收敛卡机、破碎坍塌、岩爆片帮、高温热害、突泥涌水等不良地质TBM适应性差的问题,采用TBM适应性设计方法,提出并采用变截面抬升式开挖、水岩一体超前预报、隐藏式常态化超前钻探、前置式自动化湿喷、加强型大范围初期支护、通风系统强制制冷、刀盘刀具优化设计、物料快速运输等关键技术方案,联合研制出国产最大直径TBM( 9 . 03 m);针对现场应用测试存在的部分问题,对TBM创新设计方案进行优化改进,使国产最大直径TBM在复杂地层前期应用中,取得月进尺400 m以上的掘进业绩。

高黎贡山隧道破碎地层TBM施工技术与应对方法研究

为解决大瑞铁路高黎贡山隧道出口段岩石破碎地质影响TBM施工的问题,针对掌子面前方破碎围岩,提出掌子面前方化学灌浆加固、小导洞开挖及超前管棚等方法联合帮助TBM脱困,同时提出护盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM设备改进应对方法;针对破碎围岩露出护盾后易塌落问题,提出隧道顶部加强初期支护和化学灌浆、隧道腰部立模灌浆、隧道底部机械化清渣的应对方法。现场实践表明:采用上述方法,有效降低了TBM在破碎地层掘进刀盘被卡的风险,即使刀盘被卡也能在可控的时间内及时脱困;同时还有效提高了TBM通过破碎地层的施工速度。

高黎贡山隧道TBM超前地质预报系统设计及应用

针对大埋深、复杂地质的高黎贡山隧道,为准确掌握TBM施工过程中掌子面前方的地质条件,文章结合TBM设备特性,设计了一套可搭载于TBM设备上的超前地质预报系统。该系统由三维激发极化仪和三维地震仪组成,通过在刀盘和护盾上内置伸缩电极,采用集成电刷的回转接头传输刀盘电极信号及旋转式激震锤等创新设计,解决了传统应用于钻爆法施工的地质预报系统在TBM工法中适应性差、预报周期长、影响施工效率及搭载困难的难题。应用效果表明,整套系统操作方便,信号采集快速、精确,预报结果准确可靠,达到了预期的设计目标。

高黎贡山隧道TBM卡机与物探、钻探成果耦合性浅析

为解决极端复杂地质条件下隧道TBM卡机受困的问题,本文以大瑞铁路高黎贡山隧道为例,根据隧道出口工区TBM已施工段卡机里程统计,以及地表物探、深孔钻探成果预测的高风险卡机段落统计情况,采用分项对比分析及综合成果对比分析的方法,总结出综合成果耦合性分析结论,提出TBM法施工隧道工程地质勘察建议,结果表明:(1)地表物探、深孔钻探预测成果与实际卡机里程耦合率均为50%,耦合率较低;(2)综合物探及钻探成果后,预测卡机高风险段落为12段,与实际卡机里程耦合率增加至71%;(3)采用地质深孔钻探对地表物探法进行验证,并利用两种勘察方法成果进行综合分析评价,可有效地增加TBM卡机受困风险段落预测的准确性。本文研究成果可为TBM后续施工提供一定的指导意义。

由新圣哥达隧道思考高黎贡山隧道的修建

研究目的:新圣哥达隧道全长57.1 km,是目前世界上最长的铁路隧道之一,在其修建过程中,针对复杂的地质条件,取得了一系列研究成果。高黎贡山隧道是我国正在修建的最长的铁路隧道,全长34.538 km,地质条件同样复杂,修建过程中必然也会遇到许多技术难题。因此,通过对新圣哥达隧道技术成果进行梳理、提练,对高黎贡山隧道地质进行系统分析,以期对高黎贡山隧道的成功修建提供有益指导。研究结论:(1)高黎贡山隧道具有"地层岩性多样、地质构造复杂、隧道水量丰富、地温地热明显、软岩地应力高"的特征,施工过程中必将遇到富水断层、软岩高地应力大变形、高地温热害等技术难题,需要借鉴新圣哥达山隧道的施工经验,采取超前支护、注浆加固、制冷通风等一系列技术措施,以确保施工安全;(2)高黎贡山隧道工期压力巨大,必须加强机械设备配套,加强施工组织管理,以确保按期完成;(3)该研究成果可应用于类似特长隧道工程的设计与施工中。

高黎贡山隧道大规模突涌综合治理技术

为快速解决大瑞铁路高黎贡山隧道出口端TBM掘进D1K224+200~+230里程段后出现的突泥涌水地质灾害、隧道塌方冒顶、TBM被关在掌子面、皮带传送机中断等问题。根据隧道工程地质条件和施工开挖过程情况,分析隧道突涌原因,借鉴国内富水全风化花岗岩突涌处治经验,提出在隧道洞身地表河道改修、塌坑回填、深孔加固,确保洞顶稳定和防止水流下渗,同时在突涌体两端施作注浆加筋挡墙,为洞内清淤和TBM恢复掘进提供安全保障,形成了"高位锁口、泄水降压、两头夹击、支护加强、快挖快封"的施工技术措施对溃口进行处理,成功解决了富水风化花岗岩隧道溃口的突涌塌方冒顶的技术难题。

高黎贡山平导隧道TBM护盾延伸技术

大瑞铁路高黎贡山平导隧道TBM在掘进过程中遭遇断层破碎带地层,发生3次较严重的卡机事故。为降低施工风险,加快施工进度,节约施工成本,采用调研、工程对比与专家论证的方法,分析刀盘被卡的原因,研究护盾延伸的必要性与可行性,制定护盾延伸方案,即将护盾与刀盘的间距由原来的360mm缩减为50mm。实践表明:护盾延伸改造效果明显,在Ⅳ、Ⅴ级围岩实际占比达到67%的情况下,继续掘进近1500m,未再发生卡机事故,大大提高了TBM的掘进效率。

黏土水泥浆在高黎贡山隧道深竖井施工中的应用

为解决隧道竖井修建过程中井筒范围内地层存在层数较多、较厚含水层而可能出现的突水风险,对黏土水泥浆液组成及特点,黏土水泥浆的浆液生产工艺、注浆设备、注浆压力、浆液扩散半径、注浆量、浆液浓度等具体参数进行研究,并将黏土水泥浆应用于高黎贡山隧道二号竖井地表深孔注浆,取得了较好的注浆效果。

高黎贡山隧道岩土工程勘察水平钻孔施工技术

高黎贡山隧道位于新建铁路大理至瑞丽线保山至瑞丽段,呈北东～南西向穿越高黎贡山山脉,设计全长39.4km,可为亚洲之最。将钻探得到的宝贵数据汇总,提供于隧道施工单位,便于其提前做好各项预防措施,为隧道今后的施工提供了有利的数据,避免了一些事故的发生,为施工单位也争取了宝贵时间。

高黎贡山铁路隧道彩云号TBM的创新性设计与应用

高黎贡山铁路隧道作为大瑞铁路的关键性控制工程,具有"三高四活跃"的地质特点,为应对TBM施工过程中可能遇到的断层破碎带、突泥涌水、岩爆等灾害,正洞TBM设计实行了变截面可抬升开挖技术,创新了前置式自动化混喷技术、隐藏式常态化超前钻探技术以及水岩一体超前预报技术。实践表明,在掘进过程中TBM的创新性设计发挥了显著作用,可为同类地质条件TBM设计与应用提供经验。

压水试验在隧道深竖井施工中的实践应用

高黎贡山隧道深竖井含水层层数较多、较厚,破碎带较多,地质构造异常复杂,掘砌过程中存在较大的突水问题。对竖井进行地面预注浆后,采用压水试验检验地面预注浆的技术成果,压水试验整个过程是通过止浆塞封水,分段压水,利用满足压水流量的变档调速泵设备,调节压水流量实现多级次压水试验,并结合立井井筒地面预注浆效果压水试验检验方法,将压水试验应用于高黎贡山隧道深竖井地面预注浆施工中。试验结果认为:在水文地质条件异常复杂的隧道深竖井地面预注浆工程施工中,压水试验能够同时准确地计算出含水层渗透系数及井筒剩余涌水量,检测地面预注浆效果显著。研究结果表明:压水试验是检验隧道深竖井地面预注浆效果科学有效的方法,同样适用于含水层较多、较厚,地质构造异常复杂,破碎带较多的非煤矿领域,取得了良好的应用。

主驱动双速减速机在高黎贡山隧道再制造TBM中的施工应用

高黎贡山隧道出口段采用2台敞开式TBM分别在主洞和平导洞施工,由于地质条件复杂,TBM经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况。为提高刀盘驱动系统脱困转矩,满足TBM在破碎围岩条件下掘进的需要,对彩云1号TBM主驱动系统安装双速减速机的技术改造进行研究。双速减速机安装在TBM主电机和减速机之间,高、低速模式下减速比分别为1.00和1.47,可通过手柄直接进行模式切换,具有切换方便的特点;在低速模式下,可将设备脱困转矩由6150 kN·m提升至9225 kN·m。经现场验证:在TBM脱困使用低速挡掘进时,设备可在7000 kN·m转矩下持续掘进,说明在TBM上安装双速减速机可大大提高敞开式TBM在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。

高黎贡山隧道工程建设与技术创新

高黎贡山隧道是我国在建的第一特长铁路隧道,全长34.538 km,采用TBM和钻爆法施工。隧道具有岩性多样、构造复杂、水量丰富、地热明显、应力极高的工程特征,存在TBM卡机、突水突泥、大变形、高地温等工程风险。开工以来,在创新技术支撑下,再造了φ6.360 m TBM,自主创新升级研制了φ9.030 m TBM,构建了TBM软弱富水地层分类标准和技术对策,攻克了高压富水深竖井注浆堵水难题,创新优化了铁路隧道竖井井底车场布置模式,开发了深埋隧道地表多源协同智能化预报技术,为高黎贡山隧道顺利施工提供了技术保障。