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。

超大规模硬岩矿山源头推动TBM应用的设计创新与思考

西鞍山铁矿是一座超大规模开采矿山,采用TBM施工胶带斜井、斜坡道是该技术在国内地下铁矿山首次应用。TBM施工与钻爆法施工在勘察、设计和施工等方面均有较大差异,本文基于应TBM施工铁矿井巷工程,结合设备性能与开拓系统工艺需求,在斜井线路规划、曲线半径选择、始发场地设计、始发段与接收段支护、正常段支护选型、巷道底板处理、硐门设计形式等开展了应用创新。同时结合项目设计、施工中遇到的问题,对适用于矿山工程的TBM施工勘察技术要求、施工方案的选择及提高TBM施工断面利用率进行了分析与探讨。

浅埋河谷段TBM施工应用与适宜性评价

TBM施工技术应用于隧洞开挖,技术上已经成熟,并广泛应用于深埋长大隧洞施工中。影响隧洞TBM施工的因素基本清楚,一般认为穿越浅埋河谷段隧洞采用TBM施工容易发生围岩塌方、涌水事故,不适宜采用TBM施工。为了研究浅埋河谷段TBM施工适宜性,通过两个典型的穿越浅埋河谷段隧洞TBM施工的工程实例,对比详细的工程地质条件,分析塌方的原因,进行TBM施工适宜性分析,结果表明,隧洞上覆弱风化岩体大于1倍洞径段进行适当的工程处理后,采用TBM施工是适宜性的。

完整极硬岩TBM施工辅助破岩方法研究现状及展望

针对完整极硬岩,隧道掘进机(TBM)施工存在掘进效率低、滚刀磨损快、TBM部件受损以及岩爆等问题,降低了TBM隧道施工的安全性和高效性。对近几十年来国内外的完整硬岩隧道TBM施工情况及遇到的问题进行了统计分析;梳理介绍了一系列辅助破岩方法,包括水射流法、微波法、激光法、等离子体法和干冰粉气动破岩法,并对各种方法的优势和不足进行了论述。当前的辅助破岩方法尚不能完全满足TBM施工配合要求,未来需进行进一步的深入研究。

不同刃型TBM滚刀载荷与振动特性实验研究

全断面隧道掘进机(TBM)地下工况复杂,破岩产生的振动冲击使得滚刀和刀盘异常失效,易造成重大经济损失。为探究在不同刀盘进给参数下滚刀截面形状(即刃型)对滚刀振动影响机理,开展滚刀破岩实验,获取滚刀载荷和振动信号。研究结果表明:随着刀盘总推力和转速增加,滚刀振动幅度增大,这是由于推力与转速以不同方式增加了单位时间内岩石破碎的体积,因此岩石应变能的储存—释放过程更为剧烈,滚刀振动加剧;不同刃型滚刀侵入岩石的能力不同,亦会改变单位时间内破岩体积,影响滚刀振动;冲击与载荷突变同时发生,这是因为岩石蓄积的弹性应变能在岩石破裂时集中释放。本文研究可为滚刀选型、研发低振动新型滚刀结构、减少滚刀及刀盘开裂提供参考。

TBM隧道岩石可掘性评价指标及其应用研究综述

TBM(Tunnel Boring Machine)掘进施工成本中,刀具的磨损占比很高,这通常是由于TBM的刀具设计与岩石强度及硬度不匹配。因此需要对TBM隧道岩石进行可掘性评估,为刀具设计及施工参数确定提供依据。岩石可掘性评价在TBM围岩分级、掘进效率预测等方面十分重要,是评估TBM施工效率与成本的关键,但隧道TBM开挖过程中岩石可掘性的评价通常相当复杂,需要考虑许多参数,且至今国内外对可掘性这一指标尚未有标准化定义。通过文献检索,本文针对可掘性指标的定义,可掘性的研究应用等方面研究进展进行综述。结合已有的研究成果,对TBM可掘性未来的研究方向进行了展望。

北山1号TBM刀盘破岩振动影响参数分析

隧道掘进机在掘进过程中,刀盘破碎岩石会产生振动,刀盘振动对TBM机械与施工会造成负面影响。依托甘肃北山地下实验室斜坡道工程TBM施工段,在北山1号TBM上搭载振动监测系统,通过跟踪现场施工和开展掘进试验,收集研究区段的隧道设计工况信息、围岩信息、掘进参数与刀盘振动信息。开展不同隧道设计工况、围岩类别、掘进参数对刀盘破岩振动的影响分析。研究结果表明:1)隧道转弯段与直线段的TBM刀盘振动强度、主振频率具有一定差异,转弯段TBM刀盘振动强度更大、主要频率更高;2)不同围岩类别下,转弯段刀盘振动主振频率差异较大,而直线段差异较小;3)随着推力、转速的提高,刀盘的振动强度增大,但刀盘三轴振动主振频率不发生改变。

敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法及应用

当TBM开挖隧洞遭遇不良地质条件下的围岩大变形地质灾害时,通常会造成卡机或侵限等风险。开展TBM开挖隧洞围岩变形安全评价工作对降低卡机或侵限等风险具有重要的现实意义。通过分析敞开式TBM开挖隧洞围岩变形特点,建立了敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全评价方法。该方法通过采用三维数值分析和围岩变形现场监测手段,可获得围岩在护盾区间以及出露护盾后的变形,从而实现敞开式TBM开挖隧洞围岩变形安全性判别。在滇中引水工程香炉山隧洞的工程应用表明,所提方法能够有效判别不同支护方案下的围岩变形安全性,从而为敞开式TBM开挖隧洞施工期支护方案实时调整提供依据。

基于图像分析的TBM掘进参数与岩碴特征关系研究

岩碴图像分析是隧道掘进机(tunnelboringmechine,TBM)智能掘进中实时破岩效率评价和掘进参数优化的重要手段。为了研究掘进参数与岩碴图像特征的关系,依托青岛地铁6号线创石区间TBM施工段,在一段较完整花岗岩地层中开展了分步推力掘进试验,并通过搭载的岩碴图像分析系统对岩碴图像进行采集和分析。结果表明,岩碴图像的中位粒径d50、最大粒径dmax和粗糙度指数CI与推力、扭矩和贯入度之间均表现出正相关,与现场贯入指数FPI和工程比能SE之间均呈现出良好的负相关。当推力超过破岩临界值后,推力的提升将显著提高岩碴的d50和CI,而只有当推力进一步增大到一定水平后dmax才显著增大。此外,随着推力的提升,大岩片的二维形状逐渐呈现出长条形,其平均长短轴比也将增加,但是推力超过一定水平后,大岩片长短轴将保持不变。上述研究结果表明,岩碴粒径和形状参数均反映出破岩效率,可作为实时TBM掘进参数优化的评价指标。

某深埋TBM隧洞围岩地质变化区破坏特征与类型判别方法

某深埋TBM隧洞地质变化区开挖过程中岩爆和塌方交替发生,导致工期严重延误,严重威胁现场人员及施工安全。通过现场地质踏勘、微震监测和结构面统计,研究现场工程地质灾害与围岩岩性、地质条件的关系,建立基于岩性、地质及微震活动特征的地质灾害类型判别方法。结果表明,该隧洞破坏类型与围岩岩性有显著相关性,黑云母花岗岩洞段岩爆风险最高,混合花岗岩洞段次之,钾长石花岗岩与黑云母花岗岩围岩蚀变的洞段易发生塌方;岩性变化的交界面位置,破坏规模明显增大;破坏类型还与结构面密度相关,随着结构面密度减小,破坏类型由塌方转变为中等岩爆,进一步等级降低为轻微岩爆;微震特征分析表明,岩爆区域微震活动远大于塌方区域微震活动。当微震活动较低时,围岩破坏以塌方为主;当微震事件数>15,微震释放能>1000 J,围岩破坏以岩爆为主;当微震事件数>20,微震释放能>20000 J时,围岩可能发生中等岩爆。现场应用表明,该方法可准确预测掌子面前方潜在破坏类型,为类似工程灾害交替发生洞段的安全、高效施工提供参考。

TBM岩渣几何特征与滚刀破岩效率相关性分析

在运用TBM进行隧道挖掘施工中,TBM破岩效率会受到围岩状况以及机械参数的影响。因此岩体不同节理间距、倾角以及滚刀间距对破岩工作效率的影响值得关注。首先,利用室内滚刀试验,在固定岩体节理倾角、间距或滚刀间距其中一个参数的条件下,对另外两个参数变化生成岩渣的粗糙度指数的变化规律进行模拟,分析和总结岩渣的形状与破岩效率之间的关系以及不同条件下TBM掘进产生的岩渣特征。再依托广州北江输水隧洞工程,现场量测该隧洞开挖施工过程中产生的岩渣,并对其进行筛分试验,然后分析统计数据,得出了不同围岩性质下TBM刀盘的磨损规律与岩渣粗糙度指数及颗粒级配系数之间的相关性。最后,把岩渣的粗糙度指数、扁平度与比能分别进行拟合,进一步说明节理倾角与间距对滚刀破岩效率的影响。

地质突变条件下基于组合模型的围岩等级和TBM掘进参数预测

为了提高硬岩隧道掘进机(TBM)施工的安全性和智能化,基于TBM掘进数据,提出了一种将双向长短期记忆(BiLSTM)网络与支持向量机回归(SVR)算法相结合的可以同时进行围岩等级和TBM掘进参数预测的组合模型(BiLSTM-SVR模型)。实例验证结果表明:BiLSTM-SVR模型对围岩等级的预测准确度较高,均方根误差均小于0.0265、平均绝对百分比误差均小于0.95%;BiLSTM-SVR掘进参数预测中,推力和扭矩的预测准确度最高,净掘进速度和开挖比能的预测准确度最低;BiLSTM-SVR模型比BiLSTM模型和SVR模型的掘进参数预测准确度有较大的提高,因此进行单一模型的组合可以有效提高模型预测的准确度和鲁棒性。

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明:①该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;②在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;③岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;④预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。

TBM隧洞围岩分级方法及支护体系研究

目前TBM隧洞设计施工主要采用基于矿山法的围岩分级方法,但由于TBM法与矿山法隧洞施工存在很大差异,传统矿山法的围岩分级方法难以适用于TBM施工。为解决该问题,依托北疆供水二期工程,综合考虑围岩稳定性和围岩可掘性,选取围岩基本质量指标BQ、岩石单轴饱和抗压强度Rc、岩体完整性系数KV和岩石磨蚀性指数CAI作为评价隧洞围岩性质的主要指标,统计18台TBM集群施工收集的近3000组BQ、Rc、KV等岩性指标数据,分析各项岩性指标与纯掘进速度PR及安全系数FS的变化规律,将TBM隧洞围岩分为Ⅰ~Ⅴ级共10个亚级。在此基础上,分析了敞开式TBM的施工特性,进而采用数值模拟方法,对各级围岩在不同支护参数下的稳定性进行对比分析,提出了适用于北疆地区水工隧洞各级围岩的隧洞支护体系及支护参数,共形成7套支护体系设计图,并结合现场实际工程对本文提出的围岩分级支护体系进行验证。现场监测数据表明,本文提出的TBM隧洞围岩分级支护体系有较好的适用性。

基于贯入度指数的TBM围岩可掘性分级研究

隧道掘进机(TBM)前期投入巨大,合理划分TBM可掘性分级并给出施工参数建议值对预测施工工期、控制成本等有重要意义。以深圳地铁6号线6101标段大浪站石岩站区间羊台山隧道TBM施工项目为背景,首先以贯入度指数FPI为掘进性能评价指标,通过Spearman相关性分析FPI作为评价指标的合理性;在此基础上以FPI为输入参数分别建立掘进贯入度、刀盘推力和掘进速度预测公式,并基于羊台山隧道右线掘进数据进行可靠性验证;基于k-均值聚类方法,以FPI为聚类指标,划分出可掘性等级,并根据掘进参数预测公式,给出了对应可掘性等级的掘进参数建议值。结果表明:(1)FPI能够在一定程度合理反映TBM施工中的岩机关系,可作为掘进性能评价指标;(2)建立的TBM掘进参数预测公式,相关性系数R2分别为0.75、0.98和0.97,相关性良好,能够准确为TBM掘进提供预测参数;(3)根据建立的TBM可掘性分级方法将围岩划分为5级,确定了不同等级下掘进参数值。

小断面土石组合地质条件下TBM施工围岩可掘性分级识别

围岩可掘性分级以及识别研究对隧道掘进机(TBM)高效率施工及智能化控制意义重大。依托南水北调安阳市西部调水工程TBM施工实际数据,利用掘进性能综合指标单位贯入度推力(FPI)、单位贯入度扭矩(TPI)建立了小断面土石组合地质条件下TBM施工围岩可掘性分级标准;提出了PCA-RF模型对围岩可掘性分级进行识别,并与BP、SVR和RF模型进行了比较讨论。结果表明:①建立的小断面土石组合围岩TBM施工可掘性分级标准是适用的,克服了土石组合围岩下传统围岩分类方法的局限性;②小断面土石组合围岩TBM施工可掘性分级PCA-RF识别模型的识别准确率达到了98.3%,高于BP、SVR和RF模型,可以满足工程施工需要。

TBM巷道破碎围岩控制方法确定及应用

为探究TBM在掘进过程中遇破碎围岩时应采取何种应对措施,现以某矿井为工程背景,通过理论分析以及实际应用的研究手段,确定了该矿井的破碎围岩处理方法。研究结果表明:TBM在前进过程中主要是通过撑靴和围岩相互作用,当达到平衡状态时即可保证TBM的正常前进;在遇到破碎围岩时,无论是围岩表面还是围岩自身的稳定性均不能满足前进要求;采用层次分析法对6种破碎围岩的处理方法在安全、效果、经济、效率四方面进行了权重分析,确定了地锚法所占总权重最大,应是处理破碎围岩的首选方法;结合矿井的实际情况,分析了采用地锚法、浇砼法、传力棚法3种处理方法的掘进效率以及消耗费用,地锚法均以明显的优势领先。研究成果可对矿井采用TBM掘进中处理破碎围岩方法提供参考,有利于推动TBM在煤矿中的应用。

双护盾TBM穿越强风化岩层加固技术研究

双护盾TBM因其施工效率高、作业安全等优点,如今在城市地铁隧道开挖中得到越来越广泛的应用。然而,由于双护盾TBM的机械结构和施工模式,要求对围岩的强度和完整性较高,难以适应局部含有强风化岩石的地质段开挖。针对双护盾TBM在强风化岩层中开挖所面临的支撑不稳定、姿态易偏差和围岩稳定性差等问题,以青岛地铁6号线中德工业园站—生态园站区间隧道工程为背景,首先提出强风化岩石地层的注浆加固工艺,然后结合室内试验和颗粒离散元软件PFC2D,模拟强风化岩层破碎带注浆加固前后撑靴与围岩的相互作用情况。最后,将模拟结果与实测数据进行对比,验证模型的可靠性。研究结果对于指导在类似地质条件下使用双护盾TBM进行施工具有借鉴意义。

超特长隧洞TBM智能辅助掘进技术研究及应用

为解决目前TBM掘进存在依赖于司机经验,难以对异常情况做出及时响应,导致掘进减缓或刀具磨损加剧的问题,不仅需要在不停机状态下及时准确获取掌子面围岩信息,还要在了解掌子面围岩信息的情况下实现智能辅助决策。依托北疆供水二期工程,分析围岩类别、掘进效能和掘进参数等掘进指标,基于图像识别、数据挖掘和机器学习等技术,通过岩渣图像识别、刀盘振动监测和超前地质预报实现围岩状态的实时感知;构建地质信息、掘进参数、设备与支护参数数据库,进行大数据预处理及关联分析;采用多目标智能优化算法,以掘进速度和刀具寿命为目标,对掘进参数进行优化。在此基础上,提出掘进参数、支护方案、卡机应对措施等辅助决策方法。通过TBM智能辅助掘进技术在XE隧洞试验段中的应用可知,掘进速度总体可提升15.6%,刀具寿命总体提升4.5%,且未发生因掘进参数选择不当导致掘进停滞或设备异常损坏等问题。

不同岩石工况下新型高硬韧TBM刀圈用钢的磨损特性试验研究

TBM刀圈的磨损性能不仅取决于刀圈自身的组织及性能,而且与岩石的类型以及磨损载荷紧密相关.为此,选取了5种不同性能的刀圈钢,研究了磨损载荷以及岩石类型对试验钢磨损性能及磨损机制的影响.研究结果表明:在砂岩工况下,不同性能试验钢均表现出微观切削磨损机制,随着试验钢硬度的增加,磨损量减小,磨屑由卷曲条带状转变为木屑状.在花岗岩工况下,各试验钢磨损机制以犁削为主,磨屑呈粉末状或块状,磨损载荷较低时,耐磨性与试样硬度正相关,当磨损载荷增加到一定数值后,耐磨性同时取决于试验钢的硬度和韧性.