全断面岩石隧道掘进机(TBM)施工超前处置技术综述与思考

TBM施工过程中遭遇的复杂地质条件越来越多,超前处置是减少和避免复杂地质条件下TBM施工过程中频繁卡机最可靠的途径。为此,结合TBM施工实践,从3个方面总结10项现有处置技术,用来应对破碎、软弱、富水、完整硬岩、岩爆等地质问题,分别为:1)在掌子面或掌子面前方施作的掌子面超前处置技术,包含刀盘清理脱困、掌子面超前注浆、地表注浆和人造节理4项措施;2)在护盾尾部或护盾后方施作的后置式超前处置技术,包含超前注浆、超前小导管加固和超前管棚加固3项措施;3)从适当位置施作的导洞法超前处置技术,包含小导洞法、迂回导洞法和超前导洞应力释放法3项措施。针对TBM施工超前处置,提出5个方面的思考和建议:1)减少TBM在不适宜地质洞段的施工占比;2)提高TBM工法的地质适应性;3)提高超前地质预报的准确性和及时性;4)动态设计,合理决策;5)健全规范、标准、定额等管理体系,促进TBM科学应用与推广。

TBM卡机防控脱困方案智能决策方法研究

目前深埋长输水隧洞中硬岩掘进机(TBM)卡机防控脱困方案决策过程受卡机机理复杂性、围岩-护盾相互作用全过程监测困难性及人为主观经验等因素影响,导致决策结果的有效性、经济性和及时性有待提高。针对上述技术难题,基于构建的TBM卡机案例库数据,尝试采用支持向量机分类(SVM)方法,预测TBM卡机致灾模式和风险,继尔采取相应预防措施。同时,基于案例推理(CBR)方法,对卡机后脱困方案进行科学决策。智能决策方法应用于新疆某输水工程隧洞关键洞段施工中,准确预测了TBM卡机风险,并提前采取防控措施,避免了卡机事故的发生。同时针对已发生卡机的洞段,决策推荐了卡机脱困处理方案,与现场实际采取的脱困方案一致,有效降低了脱困处理工程费用,并缩短了处理时间。

隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究

滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。

近海复杂地层下城市轨道交通TBM选型优化与掘进参数控制

[目的]为提高TBM(隧道掘进机)的地层适应性,解决青岛地铁2号线(以下简称“2号线”)西延段近海复杂地层下TBM选型的难题,需对TBM选型进行优化,并对其掘进参数进行控制。[方法]通过地质条件适应性、施工灵活度及掘进效率等方面,对适宜硬岩掘进的TBM类型进行了综合比选。针对2号线TBM掘进区间存在的穿越断裂破碎带、始发空间不足、小曲率半径施工及不具备吊出条件等工程难点,对TBM进行了优化设计。确定了不同等级围岩下双护盾TBM的推力、扭矩、刀盘转速及净掘进速率等参数的取值范围。[结果及结论]经综合比选,2号线西延段近海复杂地层选用DSUC型双护盾TBM施工。该型TBM具有良好的地层适应性,支护方式灵活多样,通过优化刀盘、盾体及后配套台车设计,改进始发、拆解、小曲率半径施工方案,完善超前加固及导向系统,使TBM应用更加经济合理。双护盾TBM在中硬岩层中掘进时,可适当增加推力和扭矩,以提高净掘进速率;而通过断层破碎带时应严格控制掘进参数,以减少对掌子面的扰动。

TBM全断面隧道掘进机在隧道施工中的质量控制

TBM全断面隧道掘进机为进口大型岩巷掘进设备。在引黄工程隧道施工中 ,开挖、管片安装、豆砾石回填和灌浆同时进行 ,如何设置质量控制点是质量控制的关键。由于TBM施工速度快 ,若出现开挖、衬砌质量缺陷 ,则处理难度很大。所以 ,在施工中应以事前控制、事中控制为主 ,严格每一施工工序 ,杜绝各种隐患和缺陷。论文根据TBM施工特点 ,对其在隧道施工中如何进行质量控制作了探讨。

岩石隧道掘进机可掘性评价方法研究

为了解决岩石隧道掘进机可掘性预估不准导致隧道施工工期和成本失控的问题,针对国内外5个TBM法隧道工程267组数据,统计分析了TBM可掘性指标与岩体质量参数的回归关系.统计结果表明:贯入度指数与准岩体单轴抗压强度的关系建议采用线性回归关系,岩体基本质量指标与准岩体单轴抗压强度呈对数函数关系,贯入度指数与岩体基本质量指标呈二次函数关系.基于岩体基本指标、准岩体单轴抗压强度、TBM贯入度指数三个指标,建立了不同级别围岩TBM可掘性评价方法,并给出了不同级别围岩条件下TBM掘进参数的控制策略.研究结果可指导不同围岩条件下TBM掘进参数调控和高效掘进.

基于PSO-LSSVM算法的隧道掘进机掘进参数预测方法

为了规避隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进参数人为设定的主观性,提出了一种基于粒子群-最小二乘支持向量机算法(PSO-LSSVM)的TBM掘进参数预测方法。通过从海量TBM工程掘进数据中探寻参数变化规律,降低了TBM主司机设定掘进参数的主观性,辅助其合理选择掘进参数,有利于提高掘进效率、规避工程风险,经实验和工程数据验证,PSO-LSSVM算法通过对样本粒子全局迭代寻优来优化参数,提升了预测算法泛化能力和预测精度,对推力、扭矩和推进速度参数预测数值偏差满足要求,可辅助指导主司机设定掘进参数。

复合地层小直径隧道掘进机掘进速度区间预测

合理准确预测隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的掘进速度是实现TBM智能化控制的关键问题之一,复合地层小直径TBM施工的不确定性较常规地质条件更强,而传统预测方法对施工过程的不确定性考虑不足。在此通过引入区间预测方法,提出基于4种不同Bootstrap方法结合KELM-ANN模型的TBM掘进速度区间预测模型,并以南水北调安阳输水隧洞工程为例,选取142组工程实测数据验证区间预测模型的有效性。研究结果表明:基于Rademacher分布建立的模型预测结果优于其他3种方法,不仅可以得到较好的点预测结果,还可以构造出较为清晰可靠的区间将掘进速度实测值完全包络在内;随着置信水平的提高,区间可容纳的不确定性和风险也逐渐上升,通过变化区间宽度,能较好地量化和解释TBM施工过程中的不确定性因素对掘进速度的影响。研究结果可为TBM掘进性能预测和掘进参数优化提供参考。

全断面隧道掘进机(TBM)大修技术探讨

结合TB880E全断面隧道掘进机的大修,从维修方案、资源配置、方案实施、验收标准等方面对TBM大修技术进行探讨,对TBM各种技术进行进一步的消化吸收,同时也供其他大型综合设备维修的相关人员借鉴。

隧道掘进机(TBM)选型探讨

我国山岭隧道的长度不断增加,数十公里的隧道不断投入到施工阶段,然而由于埋深大、施工支洞布置困难、环境保护要求高等因素影响,越来越多的硬岩掘进机(TBM)得以应用。TBM对地质条件的适应性不及钻爆法灵活,但适宜的地质条件下可以取得很高的施工进度,它可分为开敞式、单护盾、双护盾等不同类型。不同的TBM有不同的特点,不同的工程有不同的要求,TBM选型主要根据工程地质和水文地质条件、隧道设计要求、施工进度要求、支护与衬砌形式等综合分析后确定。工程条件与TBM完美结合才能促进隧道工程顺利施工,达到安全、质量、工期、效益目标。

硬岩隧道掘进机推进系统姿态自适应控制

针对全断面硬岩隧道掘进机(TBM)油缸并联推进系统产生的推进干扰力降低关键部件使用寿命和隧道开挖精度的问题,提出姿态自适应推进系统.建立推进机构的数学模型,将推进油缸分为2组,对2组推进油缸的大腔压力进行动态分配.使用ADAMS AMESim Simulink三软件联合仿真,对比分析并联推进系统与姿态自适应推进系统.结果表明:在额定推进力和0.1°、0.3°、0.5°调向角度下,姿态自适应推进系统产生的推进干扰力为并联推进系统的2%,姿态自适应推进系统平行于主梁的推进正压力的超调小于5%.姿态自适应推进系统可以显著减小推进干扰力,具有良好的稳定性.

深埋隧洞极强岩爆段隧道掘进机半导洞掘进岩爆风险研究

深埋隧洞TBM(隧道掘进机)全断面掘进时,在局部超高应力集中的完整硬脆性岩体洞段将直面极强岩爆的风险,设备和人员的安全将遭受极大的威胁。在锦屏II水电站3#引水隧洞极强岩爆段实施了"先半导洞+TBM联合掘进"实验,结合微震实时监测信息对TBM半导洞掘进的岩爆风险开展了研究。监测结果表明,(1)TBM半导洞掘进期间,日平均微震事件数、日平均辐射微震能、微震大事件数及实际岩爆发生次数和强度均远远低于TBM全断面掘进;(2)能量指数对数值和累积视体积的时域演化表明,TBM半导洞掘进强烈岩爆发生的风险远低于TBM全断面掘进,现场实际开挖也证明了这一点;(3)半导洞洞段微震事件的空间集结程度、总数、震级大小与能量辐射均远小于全断面洞段。因此,TBM半导洞掘进的岩爆风险远远低于TBM全断面掘进,在具有施工条件的情况下采用先半导洞预处理,然后TBM半断面掘进极强岩爆段,以期控制岩爆风险的方案是可行的。

考虑不确定性的TBM施工速度加权随机森林预测模型

TBM施工速度影响因素众多,具有显著的不确定性。对于地质参数的模糊性,采用岩体分级系统RMR、岩石耐磨性CAI和岩石硬度H衡量地质条件;对于施工过程中机械参数的随机性,利用TBM刀盘推力TF与转速RPM等主动控制参数进行分析;同时提出以其他因素停机时间占比来量化人为因素的不确定性。依托兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工实测数据,建立了考虑不确定性的TBM施工速度预测数据库和加权随机森林算法模型,并与随机森林、支持向量回归、BP神经网络等预测方法进行了对比分析。研究表明,加权随机森林模型中测试集的预测结果均方根误差和决定系数分别为1.59,0.97,预测精度及可靠性均优于其他3种模型。该模型采用不同权重赋值的方法优化超参数,具有高精度、不易过拟合等优点,表现出更好的泛化能力和鲁棒性。

全断面隧道掘进机破岩机理离散元分析

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中的胶结破坏主要分为拉破坏和剪扭破坏2种类型,其中,中裂纹主要由拉剪扭复合破坏引起,斜裂纹主要由拉破坏引起,证实了张拉破坏理论.加载阶段是滚刀破岩的必经阶段,卸载阶段是滚刀破岩的关键阶段,有效利用卸载阶段破碎特性可以提高破岩效率.

NSVR硬岩隧道掘进机刀盘扭矩预测分析

为了避免硬岩隧道掘进机(TBM)刀盘受困,提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归(NSVR)预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据,研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系,得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系:随着围岩强度由强到弱,推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱,刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系,建立刀盘扭矩NSVR预测模型,并将该模型应用于吉林引松隧道工程,对按1∶1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明:训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%,测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本,占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明,在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下,建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.

全断面隧道掘进机刀具异常磨损的识别分析

针对全断面隧道掘进机(TBM)施工过程中刀具过度磨损或异常磨损的识别问题,在分析TBM掘进效率影响因素和进行掘进状况无监督模式识别的基础上,利用现场掘进数据,得到场切深指数fFPI和切割系数C在不同掘进状况下的相互影响规律,据此提出以两者作为TBM刀具异常磨损的二维特征识别参量,确定了此空间中的刀具异常磨损决策阈值。TBM刀具磨损的预测和异常磨损识别方法的确定,对于保障TBM的安全掘进以及提高其利用率和经济性具有重要意义。

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.

全断面隧道掘进机滚刀破岩尺寸效应离散元分析

为了给室内模型试验或数值模拟试验提供直接的指导及实际工程间接的参考,将基于微观胶结试验得到的合理的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟了不同试样尺寸滚刀破岩过程并分析了各因素对滚刀破岩过程的影响.结果表明,不同试样尺寸滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系均可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;室内模型试验中,滚刀刃宽与岩石试样宽度的比值(相对比值)存在一个临界值,当试验中选取的相对比值小于该临界值时,可以减小试验过程中的边界效应.

灰岩隧道掘进机隧道点荷载试验评价岩石强度方法的研究与探讨

使用隧道掘进机(TBM)开挖隧道时刀盘和盾体阻碍了对岩石状态的观察,这时可使用岩渣对岩石条件进行预测和评价。从滚刀破碎掌子面产生的岩渣中选取块状岩石进行点荷载试验可以获得岩石强度,但是受过滚刀损伤作用的岩石强度值与未受损伤的岩石强度值之间的关系尚不明确。从吉林引松供水工程TBM破岩产生的岩渣中挑选块状试样进行点荷载试验,同时在产生岩渣的相应位置钻取岩芯获取点荷载强度,与单轴抗压强度进行了对比,记录了取样地点地质状态、试样的尺寸、破碎状态以及等效断裂面积。结果表明:岩渣中的岩块受到滚刀作用产生的损伤强度值有所下降,为完整取芯试样的63.25%,原岩越完整受损程度越大;灰岩点荷载强度换算岩石单轴抗压强度系数约为25.3,直接使用岩渣时建议系数约为42.1;峰值荷载与等效断裂面积成正比;尺寸过大的试块往往与岩体原有裂隙有关,强度极低,不适宜用作点荷载试验。研究结果为TBM隧道现场快速获取岩石强度参数提供了方法和依据。

锦屏二级水电站长引水隧洞高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机安全快速掘进技术研究

对开敞式硬岩掘进机在锦屏二级引水隧洞群中的应用经验进行总结和梳理,首先针对锦屏二级水电站高地应力下开敞式硬岩隧道掘进机(TBM)设备选型及掘进参数的优化进行研究,合理确定设备结构及掘进参数;采用BEAM,TSP,地质雷达等手段综合开展掌子面前方超前地质预报,取得良好的预报效果,并制定相应的预处理措施。首次在国内水电工程中开展微震监测系统试验及应用,进行高地应力下岩爆风险预测预警研究,较为准确地预测了岩爆发生的大致范围,并开展一系列防岩爆支护措施的试验研究工作,取得较好的效果,有效降低岩爆风险和危害。最后,对如何实现TBM安全快速掘进进行综合分析研究,对今后开敞式TBM的选型和使用提供参考意见。