HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

TBM法在山岭高速公路隧道施工中的应用研究

随着我国经济的快速发展,交通基础设施的建设也在不断加强,其中,隧道工程更是表现出了“多、长、大、高、深”的特点,隧道工程建设难度越来越大,风险越来越高,TBM(岩石隧道掘进机)法应运而生。与传统钻爆法施工相比,TBM法具有机械化程度高、安全性好、施工速度快等优点,但因公路隧道断面较大,TBM法施工空间及造价要求较高等原因,目前在公路隧道中的应用较少。文章将从TBM施工平行导坑、TBM施工主洞超前导坑等方面阐述目前TBM法在山岭高速公路隧道施工中的应用。

TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性研究

刀盘作为硬岩掘进机(tunnel boring machine, TBM)工作过程中的核心受力载体,承受多方向的随机载荷,容易萌生裂纹导致疲劳失效,影响施工进度和安全,因此研究其裂纹疲劳可靠性具有重要意义。本研究通过受力分析得到刀盘易萌生裂纹区域及应力特征,并使用子模型技术法计算刀盘裂纹应力强度因子,研究刀盘裂纹损伤特性;然后结合裂纹疲劳理论,构建了以裂纹扩展寿命为基本变量的TBM刀盘裂纹疲劳可靠性评估模型,应用JC法求解刀盘在不同工作环境下的可靠度,并讨论了不同因素对刀盘可靠度的影响。研究表明:裂纹尖端最深处的裂纹扩展以张开型和撕开型为主,而裂纹两端3种扩展形式都存在;刀盘的裂纹疲劳可靠度随着初始裂纹深度的增大而显著减小,随着裂纹形状比的增大而增大,而临界裂纹深度的变化对可靠度的影响不明显。

基于模糊评价法的TBM选型决策模型研究

【目的】在进行TBM工法施工时,根据地层条件和隧道设计要求来选择合适的TBM类型非常重要。TBM选型不当会导致施工效率低下、应对施工风险困难和施工成本增加等问题,因此,构建一个TBM选型决策模型,在项目规划阶段提出选型指导意见非常有必要。【方法】结合AHP法和TOPSIS法,建立基于TBM选型适应性评价的决策模型,通过采用熵权法优化AHP法中的专家评分,提高了评分的可靠性。研究过程中选择了隧道设计参数、地质情况和不良地质等3类TBM选型适应性指标,如隧道平曲线半径、岩石强度、岩体完整性、岩爆、突涌水等。在文献调研和专家经验的基础上,构建了TBM选型适应性决策模型,并以新疆某水利工程为例验证模型的有效性。【结果】研究结果表明,该模型所做的选型决策与实际情况相符。【结论】研究成果可为项目规划阶段的TBM选型提供有益建议。

特大断面TBM拆卸洞室钻劈法施工关键技术

由于隧道断面大,支护结构在开挖过程中承受的围岩压力较大,为确保隧道施工的安全,四川都四山地轨道交通项目紫荆隧道特大TBM拆卸洞室采用钻劈法开挖。介绍了液压劈裂技术的工作原理、工作参数的确定,拆卸洞开挖支护关键技术。实践证明:在Ⅲ级及以上围岩的硬质岩中采用潜孔钻施作周边眼+掌子面劈裂相结合的形式开挖效果显著,安全、环保、可控性强。液压劈裂技术在不能进行爆破施工的隧道中具有广阔的推广前景。

基于数值仿真技术的TBM刀盘系统强度可靠性分析

刀盘作为全断面岩石隧道掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,TBM)的直接开挖部件,承受刀具破岩的全部载荷,其强度可靠性是评价TBM刀盘性能的重要指标。受复杂地质条件及刀岩相互作用机制的影响,刀盘在掘进过程中承受的载荷具有很强的随机性,故在单一特定工况下研究刀盘的强度性能已无法满足工程需求。鉴于此,本文建立一套随机载荷作用下TBM刀盘强度可靠性的分析方法。基于刀盘-岩石耦合计算模型获取掘进过程中刀具的破岩载荷;对破岩载荷进行统计分析,得到其分布特性及对应参数,并以此为依据构造刀具破岩的随机载荷,采用蒙特卡罗法对刀盘强度的可靠性进行分析。结果表明:安装半径最大的两把正滚刀的破岩载荷对刀盘强度失效的影响最为显著,其权重可达2/3;在常规岩层下高速施工或在硬岩地层维持正常开挖速度,都将显著降低刀盘的强度可靠性。研究结果可为刀盘的地质适应性设计及TBM施工参数控制提供参考。

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。

韩城矿区岩巷TBM快速掘进系统及应用

韩城矿区地质条件复杂,特别是桑树坪煤矿北二采区开拓巷道穿越煤层,巷道硬度变化较大。为克服岩层掘进支护困难、煤层顶板破碎、片帮严重等难题,研发了复杂地质条件下岩巷TBM快速掘进系统。TBM快速掘进系统机械系统由刀盘、推进、支撑、钻锚等系统组成,控制系统由导航、监测、控制等系统组成。TBM快速掘进系统集成度高,能够实现掘进、支护、出渣等多工序并行连续作业,掘进面操作人员由18人减少到8人,最高日进尺17.9 m,最高月进尺352 m。实践表明,TBM快速掘进系统提高了掘进效率,提升了巷道成形质量,减少了作业人员,解决了复杂地质条件下岩巷施工速度慢、采掘失衡等难题。

抽水蓄能电站排水系统应用TBM法和人工钻爆法差异分析

针对近年来小断面TBM在抽水蓄能电站地下排水系统的持续推广应用,从施工技术条件和施工成本2个维度分析了TBM法和人工钻爆法2种地下洞室施工方法的差异性。结果表明,2种方法施工场地布置基本相当,现阶段除了成本方面TBM法相对传统人工钻爆法略显不足外,在安全、质量和进度方面均具有绝对优势。随着TBM制造技术的进一步发展和规模化应用,TBM法与传统人工钻爆法的经济性差异将会逐渐缩小,未来或将成为抽水蓄能电站地下排水系统主流的施工方法。

敞开式TBM步进始发施工技术的研究与应用

TBM(全断面岩石掘进机)工法在岩巷施工过程中具有快速、高效、安全等显著优势,工法通常分为组装-步进-始发-试掘进-正式掘进-接收-拆除等工序,其中步进工序在工法应用中起着至关重要的作用。TBM在开始掘进前、中间转场以及贯通后都需要步进。TBM步进过程的安全、步进线路的精度以及步进速度的快慢对整个项目都具有一定影响。以陕西延长石油可可盖煤矿主斜井工程为背景,成功将整机重量900 t的TBM在斜坡段连续步进260 m,至始发硐室。介绍了敞开式TBM步进始发施工过程中的施工方案和工艺流程,可为类似TBM工程的步进作业提供参考。

基于熵权和灰色关联的TBM施工成本风险管理研究

TBM引水隧洞地层条件复杂,施工过程中极易发生岩爆、卡机、坍塌等风险事故,造成机械设备损坏、人员伤亡和经济损失。为了充分发挥TBM在硬岩地层中的技术优势,降低风险事故发生的可能性,文章运用鱼骨图分析法对造成TBM施工成本风险的不确定性因素进行全面、有效识别,并采用熵权法赋予风险指标权重,降低赋予权重的主观性,进一步运用灰色关联度评价各风险因素对TBM施工的影响程度。基于风险评价结果,构建风险应对策略选择矩阵为不同风险因素选取合理的风险应对策略。为了验证模型的合理性和适用性,将构建的风险评价模型应用到珠三角TBM引水隧洞工程中,结果表明,设备或系统故障维修、刀具磨损与高压换刀、施工环境安全性是风险管理者应着重关注的风险因素,且与工程实际情况相符,以期为TBM引水隧洞施工的风险管理者提供一定的借鉴。

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战:(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展:(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演化及控制过程模拟预测的FDEM(有限元-离散元耦合)方法,提出了挤压变形卡机监测预警方法,形成了TBM掘进挤压大变形卡机“大变径扩挖、掘进参数优化和分步联合支护”综合防控技术体系;(4)提出了TBM掘进过程岩-机作用信息(刀盘刀具-掘进工作面作用、围岩-护盾作用信息)实时感知技术,初步提出了TBM掘进参数自适应智能决策方法。上述研究进展将推动TBM在煤矿巷道建设中的应用和安全高效掘进技术进步。

TBM施工隧道超前地质预报方法适宜性研究

研究目的:在TBM施工环境中,准确查明TBM掌子面前方不良地质体,可有效避免卡机、涌水突泥等地质问题。但是,受TBM施工极狭小空间、极复杂电磁干扰等特殊环境限制,传统超前地质预报手段难以有效实施。在大量TBM施工超前地质预报方法调研的基础之上,本文开展TBM施工环境多项预报技术的优缺点、准确率对比试验研究,建立极端复杂地质环境TBM施工综合超前地质预报体系,提出宽大断裂、强富水等复杂地质环境下超前地质预报解决方案。研究结论:(1)TBM施工条件地下水探测试验研究结果显示,激发极化探测方法对地下水体预测较为准确,并对TBM施工适宜性较好,可以有效解决复杂水文地质环境下地下水体探测问题;(2)极复杂地质环境TBM施工弹性波反射法类预报方法适宜性研究结果表明,HSP及三维地震(SAP)在TBM条件下对断层破碎带等不良地质体敏感性较强,且对隧道施工干扰较小,对TBM施工环境适宜性较好;(3)本研究成果可用于指导TBM施工隧道超前地质预报设计及施工,进一步降低施工风险。

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。

考虑多源信息不确定性的TBM利用率预测

隧道掘进机(TBM)施工对地质条件非常敏感,一旦发生事故会造成严重的工期延误和巨大的经济损失。本文在对TBM利用率影响因素进行统计分析和对输入参数进行优选的基础上,以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实例为依托,将天牛须搜索优化方法与增强回归树算法进行耦合,提出一种考虑多源信息不确定性的TBM利用率预测模型(BAS-BRT);将该模型预测结果与粒子群优化-增强回归树耦合模型(PSO-BRT)预测结果进行对比分析,并通过现场实测数据验证TBM利用率预测模型BAS-BRT的有效性及其对典型地质段施工风险的适应性。研究结果表明:天牛须优化算法的自适应特点能够真实反映TBM施工中出现的不确定性问题,增强回归树算法可实现模型的全局最优化迭代,TBM利用率预测模型BAS-BRT具有较高的预测精度、较好的泛化性能,同时具有良好的并行处理能力与鲁棒性。

深部复合地层巷道TBM掘进卡机预防方法

基于陕西正通煤业西区辅运大巷TBM掘进工程背景,采用现场调研、理论分析及现场试验综合研究方法,以敞开式TBM硬岩掘进机为例,研究应用“鲁淄一号”国内矿用最大直径敞开式掘进机工程实践,探索研究深部复合地层掘进卡机机理,结合正通煤业地质条件、地应力、TBM设备参数、支护设计等因素,对掘进过程中卡机风险进行分析,最后从支护设计、掘进机设备参数2方面出发,针对性提出了巷道掘进TBM卡机预防方法。研究通过现场实践解决了TBM掘进卡机预防应用难题,使月进尺达到305 m,相比传统综掘进尺提升了1.5倍。

TBM法隧道施工效能与岩石力学参数相关性研究

本文以重庆轨道交通4号线二期王家城站—生基堡站区间隧道为背景,运用SPSS回归分析软件研究凿碎比功、磨损宽度与岩石弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、完整性系数、软化系数和纵波速度的相关关系,并验证公式的可靠性。结果表明:在单因素相关分析中,除与泊松比的相关性较低外,凿碎比功、磨损宽度与其他参数均具有较高的相关系数R;在多因素回归分析中,凿碎比功与岩石单轴抗压强度和软化系数高度相关,磨损宽度则与岩石单轴抗压强度和完整性系数高度相关;在验证拟合公式的过程中发现,提出的凿碎比功公式和磨损宽度拟合公式均具有较高的参考价值。

综合物探法在某深埋TBM隧洞沿线找水中的应用研究

为满足某TBM隧洞标段用水要求,该文提出了基于综合物探法的监测方式,选取合适的供水源地,并通过现场水文钻孔数据对综合物探法测试结果进行了验证。研究表明,在满足TBM隧洞取水要求的前提下,基于EH4法和高密度电法的综合物探法能够最大程度优化取水深度,此外水文钻孔数据也表明该方法能够较为准确的获取取水深度,最大程度且高效满足TBM用水需求,可有效降低施工成本,提高施工效率。该研究结果可以为相关TBM隧洞工程沿线找水提供参考。

基于人工智能预测岩体条件对TBM掘进速度的影响研究

为研究TBM的掘进速度(ROP)与岩体条件的敏感性问题,基于三个TBM隧道项目的185组数据,将岩石单轴抗压强度(UCS)、岩石质量指标(RQD)以及岩体薄弱面之间的距离(DPW)作为输入参数,建立ROP预测模型,同时基于数据处理组合算法(GMDH)和基多表达式编程(MEP)两种人工智能算法,对ROP进行预测。选取决定系数(R^(2))、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)和相对平方根误差(RRSE)等统计指标对模型进行评价,结果表明两种人工智能算法建立的预测模型都能提供较高的预测精度,其中GMDH计算速度更快,能够提供更高的精度。

复杂地质富水条件下TBM施工隧洞综合超前预报体系实践

【目的】为了准确地对钻爆与TBM联合施工的隧洞进行综合超前预报,【方法】以秘鲁圣加旺Ⅲ水电站引水隧洞工程为依托,基于探构造与探水结合、物探与地质手段结合、预报结果与地质分析结合的超前预报思路,对现有常用超前预报技术进行研究。改进TST与CFC技术在TBM隧道中的观测系统布置方式,使之适应TBM隧道工况,并在实际开挖掘进中检验该综合超前预报体系的准确性。【结果】结果显示,建立的以地质资料为基础、以三维地震波法与CFC超前探水方法为核心、以超前钻探和超前注浆为保障的综合超前预报体系,准确性良好,预报的定性准确率为90.5%,定位准确率为82%。【结论】结果表明,在该体系的指导下,实现了对不良地质体的超前治理,进而有效避免了富水断层破碎带对TBM施工的干扰,保障了TBM高效安全掘进。该综合超前预报体系兼容钻爆法与TBM法施工隧洞,对同时开展两种施工方法的引水隧洞具有借鉴意义。