敞开式TBM掘进施工中围岩坍塌防治技术

矿井建设随着科学技术的不断进步与发展,在机械化、自动化、智能化施工方面不断创新发展。面对我国劳动力市场日益紧张的严峻形势和应对复杂地质环境的不安全因素,全断面岩石隧道掘进机(TBM)施工技术成为矿井巷道施工的引领者和未来发展的主要方向。但TBM施工面对破碎、软弱、高温、高压等复杂的地质赋存环境,亟需对TBM设备进行革新改良,以更好地适应施工环境,创造安全高效的施工条件。对山东新巨龙煤矿采用TBM法施工的实际应用中存在的问题进行总结分析,通过处理软弱岩帮,确保TBM撑靴处围岩稳定,保证撑靴支撑力,保持TBM推进力,并同时对回风大巷顶板支护进行了研讨。论文的研究对于TBM全断面掘进机施工在煤矿领域的施工具有一定参考价值。

TBM试验台支撑推进液压系统设计与仿真分析

针对全断面硬岩隧道掘进机（TBM）存在推进系统压力控制不精准、支撑系统高压撑紧时冲击剧烈的问题,在直径2.5mTBM试验台上设计了支撑推进液压系统.在AMESim中搭建了系统模型,仿真分析了推进系统在随机负载下的压力响应及支撑系统中关键部件在不同设置参数下的系统响应.结果表明：推进系统压力控制精准,支撑系统中节流口直径在1-3mm内减小时,油缸稳态输出力无变化,系统冲击减缓,响应时间随之增加;背压阀压力增大时,油缸稳态输出力减小,撑靴速度更稳定,对系统压力响应影响小.节流口直径为1.5mm、背压阀压力为7 MPa时,冲击平缓,撑靴运动速度稳定,系统同时获得较快的响应速度.所设计液压系统可实现支撑系统响应速度较快、撑靴速度稳定、冲击平缓和推进系统压力控制准确.

超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析

北疆供水二期工程总长540 km,主要由西二隧洞(139.04 km)、喀双隧洞(283.27 km)和双三隧洞(92.15 km)组成,隧洞占总长度的95.6%,均为深埋超特长隧洞,其中喀双隧洞是目前世界上已建和在建的最长输水隧洞。分析本工程的特点及地质情况,得出主要施工难题为长距离掘进关键设备耐久性、穿越断层破碎带、围岩突涌水防控、长距离独头通风及运输、反坡排水、破岩效率及快速掘进等。试掘进结果表明:1)勘察设计提供的地质情况与施工揭示的地质情况基本一致,这为高效掘进提供了基本条件。2)敞开式TBM能较好地适应Ⅱ、Ⅲ类围岩、节理裂隙带及小规模断层;而对于规模较大的断层破碎带及富水地层,则适应性较差,还有待于从设备、支护及施工技术方面加以改进。3)试掘进阶段TBM设备系统平均完好率达89.9%,但仍有一些设备故障率较高,有的还出现了主轴承密封圈漏油现象;为了实现长距离掘进,还需进一步提高设备的可靠性和耐久性。4)试掘进阶段平均纯掘进时间占比为29.6%,其中双三Ⅱ标TBM1平均纯掘进时间占比高达45.2%,最高月进尺达到1 280 m,创造了国内同类地质条件掘进最高记录。5)随着掘进进尺的不断增加,TBM集群要达到设备系统90%以上的完好率、支撑40%以上的纯掘进工时率的目标,还需要付出巨大努力。

TBM撑靴的结构强度分析及优化

以TBM中的撑靴结构件作为研究对象,在Solidworks中建立其简化的三维模型,并导入有限元软件ANSYS Workbench中,分析了撑靴结构件工作的应力状态。通过ANSYS Workbench分析可知,在球头与撑靴板之间添加凸台以及增大球头直径,能够显著减小撑靴结构件的工作应力,并且以球头直径和凸台高度作为设计变量对撑靴结构件进行了优化分析,确定了最佳候选点使得撑靴结构件的最大工作应力小于其许用应力,从而满足强度要求,为TBM撑靴结构件后续的设计提供了依据。

单对水平支撑TBM支撑推进协调控制研究

为使单对水平支撑硬岩隧道掘进机(TBM)撑靴支撑系统和推进系统协调从而具有更高的复杂地质适应性,提出TBM支撑推进协调控制系统。建立TBM支撑推进机构力学模型,根据模型推导推进缸压力与撑靴支撑缸压力的理论最优关系;设计一种TBM支撑推进协调控制液压系统,利用AMESim仿真软件对液压系统进行动态仿真分析,并以某工程地段实际推进压力谱为标准对该系统进行有效性分析。研究结果表明:相同推进位移下,撑靴支撑缸压力理论最优值与推进缸压力近似呈线性正相关;系统的撑靴支撑缸压力曲线能较好地跟踪其理论设定曲线而与推进压力及位移相协调,且其最大相对误差与均方误差分别为1.45%和0.05 MPa,小于实际工程中的最大相对误差1.72%与均方误差0.12 MPa,可见所建立的支撑推进协调控制系统有效。

基于施工数据的TBM支撑推进协调控制系统

针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)在较强推进负载冲击下撑靴打滑、偏软岩层段靴体压溃侧壁围岩等问题,提出基于推进力限定和支撑力恒定的支撑推进控制系统(TFRSFCGT),以及基于掘进方向推进分力恒定和支撑力恒定的支撑推进控制系统(TFCSFCGT).建立TBM支撑推进机构力学模型,推导支撑油缸输出力、推进油缸输出力和支撑处围岩类别的耦合关系,设计2种基于新型控制策略的电液控制系统,利用AMESim软件和Matlab软件分别搭建液压系统模型和控制系统模型,最后搭建电液联合仿真模型.仿真结果表明:TFRSFCGT系统和TFCSFCGT系统在提供系统所需推进力的前提下,能保持围岩实际所受支撑力恒定,最大超调量别为0.928%、0.378%;在相同负载特性下,TFCSFCGT系统掘进速度更快,而TFRSFCGT系统对负载冲击顺应性更强.

TBM试验台支撑推进节能系统设计与仿真分析

针对全断面硬岩隧道掘进机(hard rock tunnel boring machine,简称TBM)在撑靴以设定压力撑紧围岩后支撑推进系统存在较大流量损失的问题,设计出一种具有负载敏感、恒压控制和蓄能器辅助支撑功能的支撑推进(简称LSCPGT)系统。利用AMESim软件搭建了LSCPGT系统模型,仿真分析了LSDRGT系统在变推进负载下的压力流量响应,并对比分析了在支撑工况下LSCPGT系统和恒压控制泵型支撑(constant pressure gripper,CPG)系统,以及在推进工况下LSCPGT系统与负载敏感泵型推进(load-sensing thrust,LST)系统和定量泵型推进(ration thrust,RT)系统的压力流量响应.结果表明:LST系统和LSCPGT系统在推进过程中都没有流量损失;CPG系统在支撑工况下存在流量损失,而LSCPGT系统由于蓄能器的保压作用没有流量损失;相对于LST系统+CPG系统的支撑推进系统,LSCPGT系统在撑靴达到设定压力后效率至少可提高43.5%。所设计的LSCPGT系统在满足支撑推进要求的同时,避免了流量损失,具有较好的节能效果。

抽水蓄能电站引水斜井开挖采用TBM施工的研究

本文简述了国内外抽水蓄能电站引水斜井施工现状,总结了国外采用隧道掘进机进行抽水蓄能电站引水斜井施工的经验,讨论了抽水蓄能电站引水斜井TBM施工中的几个关键问题,包括TBM设备选型、刀盘对岩层地质条件的适应性、合理刀具的选择、施工中的安全、不良地质条件下的临时支护、断层和破碎带岩层的超前加固问题等,研究了TBM施工中的风险评估问题,为TBM合理施工提供了技术指导和借鉴,并分析表明TBM施工相对钻爆法具有更好的经济和社会效益。

支撑式TBM与双护盾式TBM在设计选型中的比较

如何对硬岩隧道(洞)施工中使用的TBM进行设计选型?相信这是每个工程业主和设计院都需要面对的问题。通过对硬岩隧道(洞)掘进中,支撑式和双护盾式TBM的施工方法及设备功能包括对地质的适应性以及初期支护与混凝土衬砌型式、不良地质地段处理方法、出碴运输方式、环境影响等进行比较,并结合辽宁省大伙房输水一期工程输水隧洞施工中TBM的工程实践,提出了弥补支撑式TBM开挖和衬砌不能平行作业的改进构想,提出了采用栈桥式仰拱模板台车和全环内通式模板台车的施工方法。通过改进,可实现一模养生、一模浇注、第三模移动框架梁的作业工序。

深埋、复杂地质条件大直径隧道TBM的设计进展与创新

要提高在深埋、复杂条件下大直径隧道TBM(隧道掘进机)的应用效率,必须正确选择TBM的类型。为了给复杂条件下TBM的选型提供借鉴和指导,总结现有的各类型TBM的特点,分析其在混合地质条件下开挖大直径、长距离隧道的局限性,提出不同地质条件下大直径隧道TBM选型指南,介绍意大利SELI公司开发的3种新型TBM,即紧凑型双护盾通用TBM(DSU Compact TBM)、土压平衡双护盾通用TBM(DSU EPB TBM)和土压平衡单护盾通用TBM(SSU EPB TBM)及其运行特点和适用范围。得出结论:传统TBM没有专门针对复杂地质条件下的大直径隧道的研究与设计;为满足市场需求,必须开发新型TBM;意大利SELI公司开发的3种新型TBM,每种专门针对特定的地质条件,这些新型的TBM能够应对复杂的地质条件,并能克服在不同覆盖层下开挖长隧道时的最常见危险。

支撑式TBM掘进中途的主轴承更换及处理

文章简要介绍了辽宁省大伙房输水一期工程输水隧洞TBM法施工中途,先后发生过的两次不同结构类型主轴承从异常到损坏的过程及相应的更换处理方法。鉴于国内已采用TBM法施工的隧洞(道)工程,均无一例处理过此种最不利工况的先例,本工程所经历的经验教训,应具有一定的指导意义。

基于AMESim的TBM撑靴系统仿真研究

撑靴系统是TBM液压系统的关键组成部分,阐述了TBM撑靴液压系统的原理,并利用AMESim软件对TBM撑靴系统进行建模仿真,分析了其液压系统的工作特点与动态特性,为TBM液压系统的设计与优化提供一定的参考。

青岛地铁隧道双护盾TBM适应性设计及应用

为应对岩石地质条件下城市地铁隧道施工工况的特殊性,对应用于青岛地铁2号线的双护盾TBM进行适应性设计。盾体采用模块化设计并在前盾安装配合稳定器工作的辅助支撑,管片吊运直接由吊机喂送至拼装机,后配套出碴配置梭式皮带机,采用满足小转向半径掘进的双激光靶导向系统,从而保证隧道施工过程中装机、始发、掘进、出碴、过站、小曲线半径掘进和洞内拆机等工况的顺利实施,取得良好的应用效果。通过对施工过程中掘进参数、衬砌变形和地表沉降等应用效果的分析,验证了双护盾TBM选型的正确性和对青岛地质的适应性。

大直径TBM回退技术

以2022年冬奥会延庆赛区外围配套综合管廊工程为施工背景,TBM完成施工任务后,在无拆卸洞情况下,突破以往洞内拆卸惯例,结合实际施工进度、工期以及大直径TBM结构特点,实施少量必要的拆卸工作后,采取两阶段整机回退技术:TBM掘进段采用撑靴回退技术、断面较大的步进洞段及洞外采用夹轨器回退技术。快速回退至洞外拆卸,为后续工期异常紧张的衬砌施工提前提供作业面。实施过程中操作便利、可靠、高效,大大减少TBM洞内拆卸对整体工期的影响,同时节省拆卸洞开挖及安设洞内起重设备等成本。

隧道掘进机撑靴导致洞壁破坏机理的研究

考虑隧道埋深、隧道洞径和围岩强度3种影响因素,采用有限元软件ABAQUS建模,分析了全断面隧道掘进机撑靴与隧道围岩的相互作用、围岩变形和破坏的规律,并与实测结果进行了对比。结果表明：随隧道埋深的增加,隧道围岩的稳定性逐渐增强;随着隧道洞径的增大,隧道围岩的稳定性逐渐降低,但变化幅度较小;随着隧道围岩抗剪强度的降低,在撑靴荷载作用下隧道围岩的承载力逐渐降低,建议实际工程中隧道围岩的内摩擦角不能小于45°;3种影响因素中,隧道围岩的稳定性对于围岩强度的变化最为敏感,其次是隧道埋深,最后为隧道洞径;辽西北供水工程实测单侧撑靴支撑力为24 900~25 900 k N,可推断出单侧撑靴径向应力为5.72~5.95 MPa,与仿真计算结果一致。

敞开式TBM撑靴姿态稳定钢板弹簧的设计及应用

主梁式全断面岩石掘进机(TBM)换步过程中,由于撑紧推进系统自身重力的影响而造成撑靴倾斜,撑靴撑紧洞壁时,容易"踩压"已安装好的钢拱架。针对以上问题建立推进撑靴结构数学模型,分析作用在撑靴稳定钢板弹簧上的载荷,并对钢板弹簧进行设计校核。通过实际应用表明,选取合适的钢板弹簧可实现换步过程中撑靴姿态稳定,并根据应用情况提出优化建议,延长钢板弹簧的使用寿命。