大直径轨道TBM施工质量控制关键技术研究

隧道掘进机(TBM)施工是现代轨道交通隧道工程中被广泛应用的一种技术,为保证隧道施工的安全性、可靠性和经济性,需要对TBM施工进行全面的质量控制。文章依托重庆轨道交通十五号线二期工程礼学路站—金山寺站区间施工,主要围绕TBM掘进、管片拼装、壁后填充注浆等方面进行研究,提出运用气压掘进模式、管片拼装、同步注浆、二次注浆等控制技术,经实践运用,试掘进期间管片错台、上浮等问题得到有效解决,保证施工质量安全。

敞开式小直径TBM隧洞综合超前地质预报技术研究与应用

TBM在掘进过程中面临复杂地质、超小直径、超小转弯半径以及坡度大、隧洞长等诸多技术难题,卡机和突水突泥时有发生。为解决TBM在小半径隧洞施工中所面临的重大风险,提出基于TBM隧洞的双震源系统与激电二极三维相结合的综合超前地质预报技术;以安徽桐城抽水蓄能电站自流排水洞TBM项目为例,实现预报设备与小直径TBM相搭载;通过智能图谱识别及全空间多场信息融合与深度学习反演成像,实时预报掘进过程中掌子面前方地质状况。该应用切实解决了小直径TBM隧洞超前地质探测难题,可为同类工程TBM高效掘进提供参考。

复杂环境超浅埋大直径TBM始发施工技术研究

目前国内城市隧道尤其是3 km以上的大断面隧道施工中,TBM(全断面硬岩隧道掘进机)掘进法已经得到广泛应用,而随着城市轨道交通和城镇化的不断发展,TBM始发场地越来越受制约,因此TBM在浅埋地层条件下始发会越来越频繁。根据国内外盾构施工经验,大直径TBM始发端的隧道覆土埋深通常设计为3/5~4/5倍隧道直径,并采用水下始发、增加洞门长度等措施以规避TBM始发期间的施工风险,目前国内针对周边复杂环境条件下、始发埋深小于0.5倍隧道直径的大直径TBM始发案例较少。本文以重庆市轨道交通27号线西永站—磁器口区间小里程TBM区间为背景,介绍了大直径TBM在周边复杂环境下超浅埋始发的施工技术;通过对地表深层注浆、超前大管棚、超浅埋段反压回填等端头加固技术研究,并结合大纵坡控制、始发过程中姿态控制技术及信息化监测研究,得出超大直径TBM在覆土深度均小于0.5倍隧道洞径工况下顺利始发的技术参数及加固手段,对同类型工况条件下的TBM始发具有一定借鉴意义。

新型敞开式小直径TBM装备选型及应用

【目的】广州北江引水4#隧洞长10.2 km,开挖洞径4.5 m,TBM掘进过程中存在断层破碎带多、花岗岩单轴抗压强度高和TBM掘进效率低三大关键技术难题。【方法】为了解决以上难题,从地层适应性、空间利用率、造价和安全性等方面进行了TBM选型分析,并结合工程实例验证新型敞开式TBM应用效果。【结果】新型敞开式TBM优势包括:(1)新型敞开式TBM由护盾式主机和滑车结构组成,采用敞开式施工工法,护盾相较于常规双护盾TBM更短,最小转弯半径为75 m;(2)提出法向锚杆钻机方案,实现隧洞径向220°钻孔作业;(3)设置应急喷混系统,确保围岩脱离尾盾后尽早进行喷混;(4)刀盘镶嵌耐磨合金,合理减小刀具间距,提高掘进推力和破岩能力;(5)优化出渣系统、支护系统、铺轨、通风除尘等设备空间布置。【结论】结果表明:新型敞开式TBM平均月施工进尺400 m以上,穿越断层破碎带隧洞收敛变形控制在3 mm以内,硬岩段刀具磨损控制效果良好。通过与类似工程对比验证了新型敞开式TBM具备地层适应性强、施工效率高等优势。

TBM超小转弯曲线小直径直线、过渡段及曲线段掘进关键技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工具有超小开挖断面、较大的区间长度、超小的转弯半径、连续多次转弯等特点。TBM超小转弯曲线小直径直线、过渡段及曲线段掘进关键技术难度非常高,通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段,对不同工况掘进参数和隧道成型效果进行研究分析,形成一套抽蓄工程TBM超小转弯曲线小直径直线、过渡段及曲线段掘进成套技术,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目,形成了一套抽蓄项目抽蓄工程TBM超小转弯曲线小直径直线、过渡段及曲线段掘进的工艺标准和施工方法。

抽蓄工程TBM地质钻探、超前探测智能化施工技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工具有超小开挖断面、地质条件复杂多变及多断层破碎带的特点。针对排水廊道隧洞、探洞、交通中导洞等洞室复杂地质预报、探测、分析、处置应对等难点,对TBM施工地质钻探和超前探测系统进行研究创新,通过理论研究、数值分析、现场试验和探测反馈、综合处置等手段,对不同地质状况探测数据和特征进行研究分析,形成一套抽蓄工程复杂地质超小断面TBM地质钻探和超前探测智能化施工成套技术,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目。

复杂地层小曲线半径长距离TBM可靠性选型关键技术研究

随着国家抽水蓄能项目的大力发展,越来越多的抽水蓄能项目发展开来,并且随着我国机械化作业的改革,越来越多的隧道采用硬岩掘进机进行施工作业,而且抽蓄工程排水廊道隧洞具有长距离、超小曲线R=30 m、小断面等难点,对设备选型关键技术要求非常高,通过对TBM设备的刀盘刀具、盾体设计、出渣皮带机配置、隧道除尘降温成套技术进行研究,解决设备使用关键性难题,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、山西垣曲二期抽水蓄能电站地质勘探平洞项目。

特殊地质长距离小断面TBM施工散热关键技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工具有散热难等问题。针对排水廊道隧洞、探洞、交通中导洞等洞室特殊地质长距离小断面TBM施工散热控制是难点,对特殊地质长距离小断面TBM施工散热关键技术要求非常高,通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段,对不同工况TBM施工散热控制参数和效果进行研究分析,形成一套抽蓄工程特殊地质长距离小断面TBM施工散热控制成套技术,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目,形成了一套抽蓄项目抽蓄工程特殊地质长距离小断面TBM施工散热控制的工艺标准和施工方法。

基于TBM扩径挖掘的刀座结构设计及改进

在新疆某引水工程某隧道施工过程中,针对TBM在掘进不良地质时,围岩大变形、掌子面坍塌导致的卡机问题,提出基于边滚刀外移的TBM刀盘结构扩径改造方案。设计添加垫块的边滚刀超挖刀座,并对其结构进行有限元仿真,结果表明超挖楔块与刀轴接触面所受应力过大,超出楔块材料的许用屈服强度。依据仿真结果,对超挖刀座中的不合理零件进行结构改进,改进后最大应力下降32.5%,最大变形下降67.1%,整体受力状况得到改善。

永嘉TBM通风及散热施工技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工机械作业密集、高地温及高散热等特点。TBM及后配套装备的通风散热系统研究创新、小断面通风降温抑尘等关键技术难度非常高,通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段,对不同工况进行通风、散热、抑尘等参数和效果进行研究分析,形成一套抽蓄工程超小断面长距离超小转弯半径隧洞TBM通风散热抑尘成套技术,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目,形成了一套抽蓄项目TBM施工的通风、散热、抑尘的工艺标准和施工方法。

特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能关键技术研究

抽蓄工程TBM隧洞施工具有岩爆等难题。排水廊道隧洞、探洞、交通中导洞等洞室特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能等难点对特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能关键技术要求非常高,通过理论研究、数值分析、现场试验和监测反馈等手段,对不同工况岩爆释能参数和效果进行研究分析,形成一套抽蓄工程TBM特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能成套技术,并成功应用于浙江衢江抽水蓄能项目、浙江永嘉抽水蓄能项目,形成了一套抽蓄项目抽蓄工程TBM特殊地质TBM施工隧洞岩爆释能的工艺标准和施工方法。

长距离小直径洞室采用TBM掘进施工技术研究

介绍小直径洞室采用TBM长距离掘进施工技术,包括TBM的组装、施工方法、操作要点、掘进过程中的模式选择、参数调整等。通过对掘进不同岩石级别选择最佳模式和调整最优参数,确定高效掘进速度,同时保证施工质量。其次,通过对TBM掘进工作、性能、地质等参数监测与分析,取得不同岩石级别下掘进参数最佳匹配规律,作为其他工程TBM施工的重要参数积累和参考。最后总结出长距离小直径洞室采用TBM掘进施工的风险源及应对措施。

双盾敞开式TBM针对性设计与工程应用

敞开式TBM(Tunnel Boring Machine)适用于以自稳围岩为主的隧道施工,具有施工速度快、优质、安全、环保等优点,应用越来越广泛,小直径敞开式TBM应用总体较少。为了解决小直径敞开式TBM结构设计与设备布局困难、作业空间狭小、初期支护施作困难等问题,提高小直径TBM适应性,研制了新型敞开式TBM,即双盾敞开式TBM。广州北江引水、十堰水源等工程实践证明,双盾敞开式TBM总体设计合理,具有作业空间友好、法向锚杆锚固效果显著提升、系统喷混到掌子面距离显著缩短等优势,在自稳能力较好地质条件下具有非常高的适应性,实现了持续、均衡、快速施工,但不良地质条件下还需要从设备技术和施工技术方面继续深入研究。

考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测

刀具消耗是TBM施工成本管理的重要研究内容。将影响刀具消耗的主要因素归纳为地质条件、机械因素和掘进参数3个方面,在此基础上讨论了刀具消耗与围岩等级、TBM工作条件等级之间的关系。在总结和分析利用TBM工作条件等级进行刀具消耗预测研究的基础上,对拟合函数进行优化,并引入滚刀直径影响因子,构建同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测方法。通过对兰州水源地建设工程输水隧洞TBM1掘进段的刀具消耗分析,验证提出的TBM刀具消耗预测方法的合理性。研究结果表明:1)TBM工作条件等级可以反映TBM掘进性能和地质适宜性特点;2)拟合函数ln(x-1)和ln x更适合描述和预测刀具消耗规律;3)滚刀直径对刀具消耗具有一定影响,滚刀直径越大,刀具消耗越小;4)同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测模型的计算结果更接近实际耗刀率;5)刀具消耗与岩体完整性密切相关,与实际耗刀率相比,Ⅱ类围岩的预测计算结果略高,而Ⅲ类围岩的预测计算结果略低。

中国TBM施工技术进展、挑战及对策

总结我国近30年来TBM设计与施工技术的发展历程,可归纳为以下5个阶段:1)研发探索和试用阶段;2)以国外施工承包商为主体,采用国外设计制造TBM施工我国隧道工程阶段;3)独立进行TBM招标采购和选型设计,并建立起自主的TBM施工队伍阶段;4)与国外厂家联合设计制造TBM,工程应用和自主施工快速发展阶段;5)实现TBM国产化,面向国内外TBM工程市场自主施工阶段。通过我国不同时期TBM施工的典型工程,介绍我国在复杂地质、大坡度、高海拔、不同直径、不同机型、超长隧洞TBM施工方面取得的经验、技术积累和业绩,展示我国TBM在穿越断层破碎带、软弱变形、岩爆、涌水等不良地质洞段取得的一系列施工新技术,以及最高月进尺1 868 m、平均月进尺超过600 m和掘进作业利用率超过40%的掘进技术水平。分析TBM在极硬岩、大断层破碎带、软弱大变形围岩、强岩爆围岩、涌水突泥洞段、高地热隧洞和超长隧洞工程中施工面临的风险和挑战,并提出一些相应的技术措施和对策,期望这些措施和对策在未来大量实际工程中进一步得到实践验证、优化和改进,不断积累和创新TBM设计与施工新技术。

深圳某地铁车站小盾构先行大盾构扩挖施工模拟分析

[目的]深圳地铁14号线(以下简称“14号线”)肿瘤医院站首次采用小盾构先行、大盾构扩挖的施工工法。鉴于目前根据已有成果难以预测小盾构先行开挖且回填后,大盾构在形成的人工复合地层中掘进引起的地层稳定性,需要对采用此种工艺施工的车站进行模拟分析。[方法]采用MIDAS/GTS软件,研究大盾构隧道开挖以及支护结构施作完成后,不同回填材料和不同埋深对地层沉降以及大盾构管片结构受力的影响。[结果及结论]当小盾构隧道分别采用C40混凝土、C15混凝土及渣土回填时,随着回填材料强度递减,大盾构开挖引起的地层位移递增,盾构管片结构的最大应力亦递增;当回填材料为C15混凝土和C40混凝土时,盾构掘进对围岩与地层的影响不大。建议本工程采用C15混凝土的回填方案;大盾构在小盾构隧道不回填的情况下直接掘进,存在较大的风险;埋深在21~45 m范围内,对地面沉降的影响不明显;随着埋深增加,地应力显著增加,隧道结构应力亦随之增加;14号线肿瘤医院站最终采取C15混凝土回填方案,地面沉降监测基本符合数值模拟计算的结果。

TBM变洞径空推步进技术在榕江关埠引水工程中的应用

为解决TBM隧洞空推步进施工中遇洞径变化的技术难题,依托榕江关埠隧洞引水工程开展了TBM变洞径空推步进施工技术研究,该技术通过改变原配套承重轮结构,采用内置可伸缩油缸以适应隧洞断面尺寸变化,同时利用预制仰拱块代替拼装管片提供推进反力,实现了TBM在隧洞4.30 m与5.46 m的变洞径安全高效空推步进,相关技术参数可为今后类似工程提供借鉴。

关于高原铁路某隧道敞开式TBM开挖直径的探讨

为探讨高原铁路某隧道不良地质条件下敞开式TBM开挖直径是否适应的问题,结合已建、在建工程存在的问题及施工数据,分析TBM法隧道初期支护变形侵限的原因,且通过对比分析工程地质数据、衬砌参数,认为不良地质条件下TBM护盾收缩及初期支护体系形成支护能力周期长是造成初期支护侵限的主要原因。预测当TBM开挖直径为10.2 m时,该高原铁路隧道TBM段Ⅲ级围岩中等及以上岩爆段、Ⅳ级围岩(节理密集带)、Ⅴ级围岩(蚀变岩)存在初期支护侵限的风险。提出如下建议:1)设计TBM开挖直径时考虑护盾收缩量;2)在强烈岩爆段、节理密集带、蚀变岩等情况下,采用钢管片施作初期支护以提供临时支撑,缩短支护能力形成周期,并将TBM开挖直径适当增大为钢管片安装预留空间。

采用小直径TBM进行长大隧道导洞施工的讨论

介绍采用小直径开敞式TBM进行超前平导施工的意义、目的和国外采用小直径TBM进行超前导洞施工的实例;分析国内采用小直径开敞式TBM进行超前导洞施工的可行性;总结进行超前导洞施工时选择开敞式TBM的考虑因素。得出以下结论:利用小直径开敞式TBM进行长大隧道超前导洞施工,符合国家对基本建设的环保和安全的要求;当前的综合国力和施工技术水平也具备了相应的条件;选择小直径TBM时应考虑其特点,并满足"快速掘进、探明地质、支持正洞"的要求。

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。