近海TBM始发井侧壁渗漏水注浆治理技术研究

TBM始发井渗漏水,造成井内湿度过高,锈蚀金属部件,影响TBM设备组装质量,同时,长期大量渗漏水可能造成周围地面沉降,影响始发井与周围建筑物安全。基于此,论文以青岛地铁2号线某TBM始发井渗漏水注浆治理工程为依托,开展近海裂隙岩体渗漏水注浆治理研究,为保护竖井锚索不被地表钻孔破坏,影响始发井安全,采用径向注浆工艺;基岩裂隙较小,且海水具有一定腐蚀性,为保证注浆止水效果,注浆材料选用硫铝酸盐水泥;试验区域通过上述注浆治理,仅有少量湿渍,无明水,已经达到治理效果。

输水隧洞TBM预制管片混凝土配合比优化设计

菲律宾卡利瓦大坝项目输水隧洞具有小断面、长距离、高埋深等特点,处于高地应力、地震区,地质条件复杂,采用双护盾TBM单向施工,管片混凝土强度等级和国内常用管片的相同。笔者分析输水隧洞TBM预制管片混凝土配合比优化的理由,阐述优化设计思路,并根据混凝土原材料性能试验结果,对外加剂掺量、用水量、砂率和总灰量进行优化。结果表明,配合比优化后,每立方米混凝土的胶凝材料用量可减少40 kg,混凝土性能得到一定提高,为预制管片生产提供技术支撑。

深部金属矿山巷道TBM掘进技术应用现状及研究进展

未来10年,我国将有30%以上金属矿山开采深度达到或超过千米。深部金属矿山开采面临高地应力、高地温、地层多变、采掘强扰动等复杂地质环境,给巷道掘进带来严峻挑战。传统钻爆法巷道掘进非连续作业、效率低、灾害频发,难以满足建设需求,采用隧道掘进机(TBM)进行机械化连续掘进是深部金属矿山巷道建设的未来发展方向。然而,因深部金属矿山独有工程地质特点和巷道掘进需求,TBM技术在深部金属矿山巷道掘进中仍存在一些技术难题和挑战。本文首先总结了TBM技术在深部金属矿山巷道掘进中的三个应用难点:1)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM适应性选型设计理论;2)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM高效掘进技术;3)缺乏适用于深部金属矿山巷道的TBM掘进灾害监测预警与防控技术。然后,从六个方面介绍了深部金属矿山巷道TBM掘进技术应用的研究进展:适应性选型与设计技术、刀盘刀具高效破岩理论、掘进性能精准预测与评价方法、小半径转弯和倾斜巷道掘进技术、掘进灾害智能预警与防控技术、智能决策和辅助驾驶技术。上述研究成果为推动TBM掘进技术在深部金属矿山巷道中的广泛应用,实现深部金属矿山巷道快速掘进指明了发展方向。

TBM技术在抽水蓄能电站的应用现状与发展趋势

回顾了TBM技术在抽水蓄能电站中的应用现状,通过典型案例分析了TBM技术在抽水蓄能电站的试点应用成果,总结了抽水蓄能电站TBM技术标准化设计经验,包括总体设计原则、主要地下洞室标准化设计等方面,并对面临的挑战提出了对策建议,以推动TBM技术在抽水蓄能电站中的进一步发展和应用。

完整极硬岩条件下TBM连续高效破岩技术

以某项目螺旋斜坡道工程为背景,分析了影响TBM在完整极硬岩条件下连续高效掘进的因素,提出设计高效耐磨的刀盘系统,具体包括将刀间距优化至60 mm、刀具额定荷载提升至375 kN、提高刀座强度和耐疲劳性、设置两路冷却系统以控制刀盘刀具温度,并重点强化了刀盘的耐磨性;减小刃宽保证贯入度,将边刀刀圈允许磨损部分外侧加厚2.5 mm。在辅助破岩措施上,控制爆破实现人造裂隙;在连续转弯破岩技术环节上,提高TBM主轴承强度,并不断优化掘进参数进一步提高掘进效率。实践应用效果良好。

金属矿山TBM地下始发硐室群设计及关键施工技术研究

针对金属矿山TBM地下始发硐室群建设重点技术,分析TBM地下始发硐室群设计依据,提出一体化组装始发与分体组装始发硐室群组成布置及各硐室结构参数计算方法。以某金属矿山TBM工程为例,综合考虑TBM设备、组装吊装设备、地质条件因素及安全因素等,分别得出两种方案中始发硐室群各硐室结构参数,最后通过分析工程量、工期等,比选得出最优方案,并根据最优方案介绍TBM始发硐室群施工关键技术。研究结论可为类似工程提供借鉴依据。

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。

煤矿岩巷TBM适应性与新技术发展

全断面掘进机(TBM)在煤矿岩巷掘进逐步得到推广应用,但TBM机型设计适应性不足已成为影响TBM掘进煤矿岩巷掘进效率的主要原因。通过对比分析煤矿巷道常规使用的掘进技术与TBM掘进技术,得出TBM应用于煤矿巷道掘进时必须考虑巷道围岩条件的差异化和需求特殊化。煤矿TBM的设计要基于机型的特点,结合煤矿岩巷的施工条件进行设计。针对煤矿岩巷工程的施工难题研发出了特有的“V型推进”系统,实现巷道小转弯半径施工;采用与TBM配套的“超前探测”技术进行超前地质预测,通过强化TBM的初期支护能力、加强脱困能力等设计来应对不良地层;基于“排水+堵水”处理思路,形成TBM掘进巷道的超前注浆封堵方式的防突水技术;通过在TBM刀盘、盾体内搭载的气体实时监测系统,开发了TBM巷道防瓦斯突出技术;进行了高地温施工环境下,TBM关键部件冷却、刀盘喷雾通风等针对性设计。创新技术在“贵州贵能聚鑫煤矿”、“四季春煤矿”、“平煤首山一矿”、“山西惠源煤矿”等矿井进行了应用并取得成功。随着煤矿未来开采所面临的更复杂严峻的工况,矿用TBM未来也将朝着强机动性、地质适应性、支护多样性、设计系列化、行业标准化、掘进体系智能化等方面不断发展探索,今后开发研制出智能化矿用TBM,既是掘进机技术在煤矿领域推广的重大机遇,也是一项艰巨的技术挑战。

基于BP神经网络的TBM刀盘关键位置应变重构

为解决恶劣工况下全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)关键主承力结构应变监测难、监测不准的难题,提出了一种基于BP神经网络和有限元分析的TBM刀盘关键位置应变重构方法.首先,通过静、动力学有限元分析确定了TBM刀盘关键位置,并提取了刀盘典型易损特征子结构.其次,基于有限元技术和实验设计(design of experiments,DOE)方法,分别进行了标准件和特征子结构多载荷下静力学有限元分析,并构建了载荷-应变数据库.最后,运用BP神经网络建立了标准样件和刀盘特征子结构的应变重构模型,并进行了标准样件的实验验证.结果表明,重构应变的平均误差为10%,验证了方法的可行性,为TBM刀盘复杂结构的应变重构提供了一种可行的方法.

洛宁抽水蓄能电站引水斜井TBM施工设计方案研究

洛宁抽水蓄能电站可研设计方案中引水系统弯段较多,隧洞开挖尺寸不一,不利于TBM的适用性和标准化。为此需要对线路进行标准化设计,提出一种适用于TBM施工的引水斜井布置方案。在压力管道水流惯性时间常数T_(w)值、水头损失以及钢衬最大直径与可研设计阶段推荐方案基本保持一致的前提下,初步拟定三种TBM施工设计方案。综合考虑结构设计及渗漏量、TBM施工连续性、开挖出渣、开挖费用、衬砌施工难度、安全风险以及设备推广适用性等因素后,对三种TBM施工设计方案进行全方位的分析比较,最终确定了将上斜井、中平洞、下斜井调整为一级斜井,采用开挖断面直径为7.2m的引水斜井TBM施工技术方案。

瓦斯治理巷小直径TBM刀盘设计研究——以白龙山煤矿一井为例

白龙山煤矿一井为煤与瓦斯双突矿井,采用全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工能更好地满足煤矿安全、高效和环保的建设需要,刀盘是决定TBM掘进效率和施工安全的关键部件,其设计是否合理对保障TBM施工效率与煤矿高效生产至关重要。通过分析煤矿瓦斯治理巷道与非煤矿领域隧道工程要求和地质特点差异,总结了煤矿瓦斯治理巷TBM刀盘设计需求,阐述了瓦斯治理巷TBM刀盘的设计流程。针对白龙山煤矿一井瓦斯治理巷开展小直径TBM刀盘设计,从刀盘盘体结构、刀具布置、出渣结构等3个主要方面确定刀盘初始方案,结合倾覆力矩、不平衡力、强度及刚度校核形成刀盘最终设计方案。白龙山煤矿一井瓦斯治理巷TBM刀盘选取平面型二分块结构,采用单螺旋线刀具布置形式,滚刀刀间距设计根据离散元仿真分析确定,铲斗均布在刀盘外周,铲斗尺寸根据出渣量确定。刀盘最大倾覆力矩为946.53 kN·m,由刀具产生的倾覆力矩为523.28 kN·m,占比为55.3%,刀具产生的水平与竖直不平衡力最大值为78.12 kN,仅为刀盘重力产生的竖直不平衡力的17.2%,刀盘最大应力为99 MPa,最大变形为0.4 mm,相当于刀盘整体厚度应变量为0.027%,满足设计要求。面向白龙山煤矿一井瓦斯治理巷提出的刀盘设计流程能够为同类工程TBM刀盘设计提供借鉴。

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。

双护盾TBM在青岛城市轨道交通工程中的应用与实践

为提高以中微风化岩质地层为主的青岛城市轨道交通区间隧道工程的施工速度和安全性,改善工作环境,加强施工过程中的风险与环境控制,以青岛地铁2号线Ⅰ期工程为背景,针对岩质地层城轨交通工程埋深浅、地质变化大、城市密集建(构)筑物周边环境复杂等外部特征,以及隧道线路短、曲线半径小、施工组织复杂等自身特点,对采用双护盾TBM施工方法的城轨交通区间隧道工程设备研发制造、隧道结构型式和现场施工方案进行研究,研发制造首台城轨交通紧凑型双护盾TBM,设计城轨交通双护盾TBM隧道结构,并提出城轨交通区间隧道双护盾TBM始发、到达、过站、转场、快速施工等土建技术方案。

TBM刀具设计中围岩力学参数的选择

围岩力学特性是隧道掘进机———TBM刀具设计中必须考虑的重要因素 ,而且这一因素也直接关系到TBM的总体设计及选用TBM施工的可行性。选择以单轴抗压强度为核心的参数系统作为刀具设计依据是不完善的。TBM掘进过程中 ,刀具正下方因承受纵向压力而下陷 ,刀具两侧附近岩石由于受到平行掌子面的挤压而隆起。岩石下陷和隆起的同时 ,其内部出现张性或张剪性破裂面。当相临刀具诱发的隆起区重叠时 ,岩石便以碎块的形式脱离掌子面。在刀具荷载作用下 ,掌子面上两点之间的相对位移越大 ,对掘进越有利 ,而不同点之间的相对位移受岩石泊松比 μ和弹性模量E的控制。较大的 μ、较小的E对TBM掘进是有利的。除了单轴抗压强度外 ,刀具设计还应综合考虑变形参数 μ和E 。

特长隧洞TBM施工与锚喷支护应用研究

研究目的:通过对特长隧洞衬砌结构的选择、支护参数设计、不良地质段支护技术等方面的研究,为特长隧洞的优化设计和TBM的结构安全和快速施工提供技术支持,工程经验可供今后类似工程参考。研究结论:大伙房输水工程特长隧洞根据围岩条件选择了开敞式TBM+锚喷支护复合衬砌施工方案,并且获得成功。实现的采用锚喷支护+二次衬砌复合衬砌替代管片衬砌既符合现代支护系统的NATM设计理念,解决了TBM施工的止水与排水难题,又节约了大量土地和大量资金。

立井煤矿硬岩TBM施工巷道支护设计技术

针对高瓦斯煤矿瓦斯治理巷道掘进效率低下、劳动强度大、严重影响采场接替的问题,提出了使用TBM施工立井煤矿瓦斯治理巷道的技术方案。以巷道围岩物性参数和现场实测应力场数据为基础,综合理论计算和数值模拟的手段,确定了巷道的支护形式和设计方法。揭示了TBM施工立井煤矿硬岩巷道特殊的地质条件和应力场条件下,巷道围岩应力及位移的分布规律。根据淮南煤矿立井提升的特点研制了适用于立井煤矿的全断面硬岩掘进机（TBM）,并配套相应的排矸、支护和运输系统。巷道掘进平均日进尺13.5m,最高日进尺30.7m。掘进效率为炮掘工艺的5～10倍。现场监测结果表明,支护结构可靠,巷道稳定,围岩位移小,安全性高。

TBM施工风险与应对措施

为更好地认识与规避TBM施工风险,从地质水文条件、TBM装备及TBM施工队伍3方面,全面分析总结引发TBM施工风险的各种因素,其中详细阐述影响TBM施工的地质因素,并对TBM施工装备和施工队伍提出相应要求。在此基础上,着重从不良地质及对策、TBM装备设计2个方面,提出规避各种风险的对应策略。最后,以台湾雪山隧道TBM工程为例,详细介绍和剖析其施工风险及应对措施,能够为类似工程TBM的设计、施工风险的分析与规避提供指导。

锦屏电站引水隧洞φ12.43m大直径TBM组装洞室设计与施工

据地质条件和TBM的形式、安装方式及采用的吊装设备,以及刀盘直径、TBM组件尺寸等因素,在充分考虑扩大洞室的功能特性、施工方法、衬砌结构等的组装、始发需要,并考虑TBM主机大件的摆放、部件转运所需的卸车区域等设计洞室的断面、长度、支护形式、衬砌结构、桥吊运行基础等,就施工过程提出有力的措施,以保证施工质量、安全与速度。上述设计方案与施工措施,为确保大直径TBM洞内顺利组装奠定了基础。

锦屏二级水电站施工排水洞TBM组装洞设计研究

锦屏二级水电站排水洞施工工期紧张,TBM组装洞在平面布置上充分利用已有的钻爆洞段,在满足快速安装转运的最小长度的前提下尽量紧凑布置;在断面设计上,最小断面尺寸以满足起重安装为原则,尽量减小开挖工程量;在支护设计上结合围岩特性采用少占直线工期的锚喷网联合支护型式。通过上述系列措施,TBM组装洞的设计方案将为TBM按期掘进提供有利条件。

ANSYS在TBM超前钻设备中弧形架结构设计分析中的应用

采用有限元软件ANSYS对TBM超前钻机弧形架进行了结构和模态分析。分析结果表明弧形架满足刚强度要求,具有较大潜力,可以为其结构改进、优化设计和动力修改提供理论依据。