三模式掘进机全断面岩层段TBM模式施工技术研究

为研究三模式掘进机使用TBM模式在全断面岩层中的施工技术,以广州地铁7号线二期萝岗站—水西站盾构区间工程为研究背景,分别从出渣方式、掘进参数控制、刀具管理和稳定器应用4个方面对三模式掘进机TBM模式施工技术进行总结。结果表明:1)本工程中三模式掘进机使用镶齿滚刀施工,相对光面滚刀的消耗更少,刀盘转矩更低;2)三模式掘进机TBM模式采用泥浆循环和螺旋输送机双通道出渣,可显著降低泥浆管堵塞的概率,提高出渣效率;3)三模式掘进机在前盾、中盾安装稳定器和撑靴,可保证全断面硬岩地层中掘进盾体不发生滚动,同时增强盾体稳定性;4)在全断面岩层中采用三模式掘进机TBM模式开挖隧道,刀盘转速为3.0 r/min,总推力约15000 k N,转矩可控制在1300 k N·m,推进速度为8~12 mm/min。

城市湖底超大直径盾构隧道施工重难点及关键技术探究——以武汉两湖隧道(南湖段)工程为例

针对超大直径盾构在岩溶强发育区、高黏性土和硬岩地层中的施工难题,依托武汉两湖隧道(南湖段)工程,通过现场勘探资料分析、文献调研以及专家咨询论证,总结归纳工程的施工重难点:1)盾构穿越岩溶强发育区施工风险高,极易发生盾构栽头与塌陷、突涌水等灾害;2)黏性地层盾构易结泥饼,造成盾构推力增大、掘进速率降低等问题;3)硬岩地层盾构刀盘易磨损,刀具易损坏,盾构掘进效率低;4)小曲线半径施工盾构姿态控制困难,导致隧道偏离设计轴线;5)大直径管片易上浮,致使管片错台、破损及渗漏。针对上述重难点问题,分析复杂地质条件下超大直径盾构选型技术,提出超大直径盾构穿越岩溶强发育区地层处理、高黏性地层超大直径盾构泥饼预防与处治、极硬岩地层超大直径盾构施工、小曲线半径盾构姿态控制和管片上浮预防等施工技术。

超载作用下土岩复合地层盾构隧道变形及破坏特征模型试验研究

地面突发堆载诱发运营期内地铁隧道病害的案例屡见不鲜,广州地区地铁隧道建设中常遇洞身上部为软土、砂层,下部为硬岩的土岩复合地层。目前对于局部超载作用下,土岩复合地层中盾构隧道变形与破坏特征并不明确,现行加固标准对于该种特殊地层的适用性也亟待验证。通过1︰5的土箱模型试验,探究不同硬岩比的土岩复合地层中隧道在正上方局部超载作用下的变形规律和破坏模式。试验结果表明:地层硬岩比对局部超载下盾构隧道的位移发展及其分布影响显著,结构的临界失稳荷载等级随着硬岩比增大而提高,结构破坏椭圆度随之减小,硬岩比的增大加强了结构外部围岩的约束作用,显著地控制了隧道椭变,但约束的加强也使结构呈现脆性性状,位移发展速率出现明显突变点;硬岩限制了其范围内管片的内力发展,且土岩交界面上部邻域管片产生应力集中现象,结构首先在此区域发生破坏,且常以贯穿式裂缝形式发展,随着硬岩比增大,结构呈崩角、劈裂等脆性破坏形式;隧道拱顶附加土压力会随结构失稳进入下降阶段,且随着硬岩比增大,软土压缩对地表超载的分散效应减弱,进而导致隧道拱顶附加土压力对地表超载更加敏感;将试验数据与现行加固标准对比分析,发现现行加固标准不适用于高硬岩比土岩复合地层中盾构隧道。研究成果可为加固标准结合地层因素优化提供理论支撑。

倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制技术研究

对倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制难题,阐明了该地质条件下采空侧-顶板-实体煤帮综合护巷机理,针对性地提出了采空区侧“U型钢插顶插底+高强锚索补强+金属网挡矸护帮”、留巷顶板“槽钢桁架锚索+切顶锚索+单体柱撑顶”、实体煤帮“槽钢桁架锚索强力锚固”的综合控制技术;提出了布孔形式、布孔间距及角度、布孔深度、装药参数及封泥长度等爆破切顶参数。现场结果表明:9.5 m深度的切顶孔利于倾斜软硬交互岩层切顶留巷围岩控制,切缝侧顶板与实体煤帮稳定后的最终变形量约为192 mm与119 mm,保证了下工作面安全回采。

青岛某隧道盾构法与矿山法施工交界处围岩快速加固方法与应用

隧道开挖遇到上软下硬地层等不良地质条件时,常采用多种开挖方法交替施工,不同开挖方法交界处的围岩若采用单一加固方式如隧道内超前注浆、洞内帷幕注浆等易引起隧道围岩的涌砂与塌方,甚至引起突水风险。本文基于青岛地铁某区间隧道围岩较为破碎且含水丰富等特点,提出了上软下硬地层、左右线地质条件差异较大以及地下水丰富(连通海水)等不良地质情况下盾构法与矿山法隧道交界处的一种安全、稳定且快速的加固方法。实践证明,该加固方式提高了围岩的力学性能,从而保证了隧道的安全施工,并减少了开挖引起的地面沉降。

综采工作面过断层超前弱化技术研究

针对31205综采工作面存在的DF19断层导致3-1煤层错断的工程实际,为提高采面回采效率提出在断层上盘掘进措施巷并在措施巷内向采面推进方向内的坚硬砂岩施工爆破钻孔,提前对细粒砂岩进行弱化,以便提高采煤机破岩效率,实现断层超前治理目的。依据现场情况,对措施巷布置、过断层技术方案以及爆破工艺等进行分析,现场应用后,采面过断层期间保持较好的推进速度,同时采煤机磨损程度明显降低,实现了采面高效回采。

硬岩地层曲线顶管施工技术探讨——以厦门市湖里区某工程为例

在硬岩地层项目中,曲线顶管的设计施工都具有极高的难度。本文通过工程实例,介绍顶管曲线的轴线验算、管节长度与扩孔的关系、曲线顶管允许顶力及曲线段顶力预估,探讨管节接头木垫圈与间隙的配置,分析穿越软硬不均岩层中顶进方向的调整、触变泥浆减阻等顶管施工方法,以期为硬岩地层曲线顶管施工技术的推广应用提供参考和借鉴。

南宁地铁2号线盾构选型设计与适应性分析

盾构的选型与设计对地铁区间盾构施工具有重要意义,其选型的合适与否直接影响到盾构施工的成败。针对南宁地铁2号线所遇到的黏土层、硬岩层、夹杂碎石砂砾层、上软下硬地层及岩溶地层等多种地层相结合的特殊复杂地质条件,提出盾构选型总体要求,开展对盾构动力设备、刀盘、刀具等关键部位的选型研究,同时优化防泥饼、螺旋输送机、小倾角皮带机和同步注浆设计方案以及地质加固方案。通过实际掘进参数和地表沉降数据分析,结果表明盾构设备选型及优化设计方案对南宁地区特殊复杂地质条件适应性良好。

深井硬岩大断面巷道快速掘进技术

为了提高岩巷掘进速度,以新巨龙煤矿为研究对象,采用MH620掘进机代替传统爆破掘进技术,形成了一套完整的硬岩快速综掘作业线。分别对影响掘进速度的破岩、装运、支护3大工序进行优化,优化了截割工艺,建立长距离连续带式输送机运输系统,提出了拱型机载液压临时支护技术。工程应用表明:快速综掘技术可提高循环进尺和掘进效率,在巷道断面为26.3 m2,岩石普氏系数为11的条件下,实现了月平均进尺130 m,月最高进尺达到150 m,有效提高了深部硬岩大断面巷道的掘进速度。

厚硬岩层控制下不规则断层煤柱冲击危险性研究

根据矿压理论构建了断层构造应力及采空区转移支承压力计算模型,以典型冲击地压矿井为例,将二者耦合叠加得到了厚硬岩层控制下不规则断层煤柱应力分布情况,进而分析了冲击危险性。结果表明:应力峰值距采空区133m,达到62MPa;西侧距采空区75~239m为冲击危险区,东侧距采空区60~239m为冲击危险区,高位关键层未充分断裂是导致支承压力升高的主要原因。通过现场监测数据对计算结果进行了验证,该结果可作为冲击危险防治的理论依据。

上软下硬岩质地层浅埋大跨隧道松动压力计算

针对现有方法在上软下硬岩质地层中浅埋大跨隧道松动压力计算方面存在的问题,通过离散元数值模拟和正交试验,分析了围岩的松动破坏机制、风化层厚度和岩体中节理分布状态对隧道松动区形状和范围的影响规律及敏感性。结果表明:影响松动区的主要因素依次为风化层厚度、隧道埋深、贯通倾斜节理的倾角和间距、风化层水平节理间距;松动区可分为拱形和塌穿形两种类型,其边界曲线分别可用抛物线和乘幂函数近似表示。针对塌穿形松动区,通过回归分析建立了地表松动宽度和拱顶松动土条水平长度的计算公式。按照应力传递原理,在松动区内以梯形微分岩土条为对象,通过分层积分,推导出可反映节理产状和风化层厚度影响的浅埋大跨隧道围岩松动压力计算公式。工程实例计算表明,与现有方法相比,所提方法计算的松动压力值最小。

阻碍回采厚硬岩层处理方案模拟与优化

为解决在回采过程中所遇厚硬岩层阻挡问题,对拟采用的直接机割和爆破机割两种处理方式进行研究。在采空区不同充实率的情况下,对直接机割和爆破机割两种处理方式引起的上覆岩层运移和应力,以及地表沉降情况进行模拟,结果表明,用预先参数进行爆破机割方案使采空区上覆岩层运移量较大,而用直接机割方式岩层运移量较小。对爆破参数进行修改所得方案模拟结果显示,岩层运移量较小,符合筛选条件。

长江三峡灰岩区危岩形成机理及稳定性分析研究

为研究三峡地区碳酸岩与泥岩、页岩组成的软硬互层结构的稳定性,将危岩划分为座滑破坏型和座倾破坏型,并基于极限平衡理论和岩体结构理论,建立了不同破坏模式下危岩稳定系数的力学表达式,将研究成果运用于望霞危岩稳定性计算,结果表明:①座滑破坏型W2危岩在天然状况下危岩稳定系数为1.19,属于基本稳定岩体,在饱和状态下,随后缘裂隙充水高度的增加其稳定系数递减;②座倾破坏型W1柱状危岩易在37.5m处折断,计算结果与实际情况大致相当.

爆破对矿井突出的影响分析

用煤与瓦斯突出的“球壳失稳”理论对煤层中的爆破作用进行了分析，证明爆破对煤层的突出危险性影响是比较小的。但在有坚硬岩层伴生的条件下，爆破产生的振动容易导致破裂带中的煤体冒落，使得那些有突出危险的软煤突然暴露，引起突出。由此解释了突出矿井中出现的过煤门突出和爆破“门坎”时的突出现象。

离层注浆控制冲击矿压危险机理探讨

煤层上覆坚硬厚层岩层组成的主关键层对冲击矿压的发生具有强烈的影响.主关键层岩层的剧烈活动是冲击矿压发生的集中区域,而且震级也高;冲击矿压的发生需要煤层及其周围岩层中聚集大量的弹性能外,还需要主关键层破裂等释放的外部能量;该外部能量与岩层厚度的平方、抗拉强度的2.5次方成正比;破断中心距巷道工作面越近、释放的能量越大,传播到巷道工作面处的能量越大,越容易引发冲击矿压.因此,可采用覆岩离层注浆等技术手段保证覆岩主关键层的长期稳定,消除主关键层岩层破断引发的冲击矿压危险.

分层分采层间坚硬岩层破断致灾机理及防控技术

针对分层分采层间坚硬岩层破断诱发动力灾害的复杂难题,通过运用物理相似模拟试验与力学分析结合的方式,深入分析新疆宽沟煤矿B_(2)与B_(4-1)煤层之间的坚硬岩层受双重回采影响下的破断演化过程,发现层间坚硬岩层破断致灾机理源于其悬臂结构的破断释能,建立层间岩层悬臂梁结构模型,推导出层间岩层临界破断状态下的挠曲线及转角方程,得出层间岩层破断的致灾总能量、悬臂结构强度和覆岩载荷三者间的关系。结果表明:覆岩越重,其施加于悬臂结构的致灾能量就越大,悬臂结构越长,其聚集的弹性能就越多,而悬臂结构越坚硬,则其破断释放的能量越多,这三者的相互作用,会导致层间坚硬岩层破断时诱发动力灾害。由此,提出爆破切顶措施,有效扩展需破断岩体的原生裂隙及结构弱面,降低坚硬岩层的轴向强度,破坏岩层的完整性,使得大范围悬顶事件基本杜绝,为矿井后续安全开采提供保障。

似膏体充填开采导水断裂带高度确定方法研究

为深入研究充填开采覆岩的断裂带高度发育特征,采用砌体梁力学模型和材料力学理论相结合的研究方法,提出了充填开采导水断裂带发育高度的计算方法,利用该方法对红阳煤矿10803工作面覆岩断裂带高度进行计算,得到其覆岩断裂带高度为13.38m;并采用物探技术对10803工作面覆岩断裂带范围进行探测验证,探测结果为13.2m。理论计算结果和物探结果高度吻合,说明采用砌体梁力学模型和材料力学相结合的方法分析覆岩断裂带范围方法正确可行。

倾斜软硬互层隧道破坏过程的围岩应力研究

文章结合重庆南涪高速公路鸭江隧道工程,进行了倾斜软硬互层隧道破坏过程的模型试验。试验结果表明,隧道的破坏从左侧边墙周围的软弱岩层开始。根据破坏特征可以将隧道破坏过程分为五个阶段,且隧道围岩的破坏会导致围岩应力的卸荷效应。采用有限元软件建立数值模型分析隧道破坏过程,数值计算结果表明:围岩的最大主应力极值始终位于隧道左侧拱腰处,与隧道最先破坏的位置不一致。从拱顶路径的应力分布分析,围岩的第三主应力为最大主应力。由于软硬岩层的岩性不同,围岩应力沿应力路径表现出震荡式变化。在隧道破坏的第一阶段,压力拱范围约为隧道开挖跨度的1.35倍。研究结果对类似隧道工程具有重要的参考价值。

梅花井矿601大采高工作面覆岩关键层及来压步距研究

关键层运动对采场矿压显现、覆岩移动与地表沉陷及采动裂隙场分布有着重要的意义，为了确定梅花井矿关键层位置，文章采用矿压观测、岩石密度试验、单轴压缩及变形试验等方法，确定梅花井矿601大采高工作面覆岩力学性质和周期来压特征，并通过计算机编程计算硬岩和关键层。结果说明C6岩层为主关键层，C8为亚关键层，C6关键层步距为17．88m，与矿压观测结果对比，基本顶来压步距为13～26m，两者结果比较吻合。

上覆高位岩浆岩下离层空间的演化规律及其预测

针对工作面上覆高位硬厚岩浆岩条件,采用相似材料模拟试验研究了主关键层下离层空间的演化过程与形态特征,分析了离层空间的层位演化与横向扩展规律、覆岩与主关键层的运移规律;通过理论分析揭示了离层空间形成的机理与条件,提出了离层空间演化特征的确定方法,建立了主关键层底部最大离层空间的分析模型与预测方法。研究表明:岩层组合失稳运移形成"月牙"形离层空间,以间歇式跳跃上升至岩浆岩底部,岩浆岩底部存在较大的离层空间,并由"月牙"形逐渐转变为"一字"形,岩浆岩破裂运移导致离层闭合。离层空间在亚关键层及主关键层底部自下而上动态发育与闭合,层位高度及发育范围与推进距离呈正相关性,可采用"多梯形"方法确定其演化过程。覆岩运移经历下位关键层沉降、运移向主关键层底部发展、底部盆地沉降、岩浆岩运移及整体稳定等5个状态,覆岩下沉形态先后呈"V"型、"√"型及"U"型。岩浆岩运移过程分为下部支撑、底部离层扩展、破裂随动、失稳运移及离层闭合稳定等5个阶段。建立了最大离层空间的覆岩结构及弹性基础梁模型,得到其断面积和体积的预测计算式,为高位岩浆岩下安全开采提供了理论依据。