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。

铁路隧道TBM施工物料运输方式对比分析

为便于选择TBM施工物料运输方式,以铁路隧道为工程背景,首先,简要总结有轨运输和无轨运输2种运输方式的特点及其工程应用情况;然后,根据施工实践拟定典型工况,研究典型工况下的运输方案及设备配置,并从设备配置和工期2个方面对有轨运输和无轨运输进行详细对比分析。研究结果表明:1)有轨运输和无轨运输在铁路隧道TBM施工中技术上都是可行的,总工期无明显差异。2)我国配合TBM施工的内燃机车质量明显不高且突破难度较大,应努力提升电动机车的工程适应性、可靠性、耐久性以及人性化设计;同时,需要规范有轨运输设备配置要求、轨道铺设和维护质量,以提升有轨运输的效率。3)需要研究适合TBM施工工况且成本低、通用性好的无轨运输设备。

穿越连续破碎地层开敞式TBM改造技术研究与应用

开敞式TBM法施工输水隧洞,因设备局限性及断面尺寸受限,设备对复杂地质适应性较差,一直是工程界的难题,不仅存在重大安全隐患,常有塌方、突水突泥,甚至卡机等灾害发生,严重影响工程安全。以北疆重大调水工程TBm^(3)-2段为例,当开敞式TBM穿过复杂地质段时出现的撑靴部位踩踏坍塌、岩块进入刀盘卡机及围岩变形将护盾抱死卡机等情况,工程采用对开敞式TBM进行改造为开敞式+护盾式双模式TBM,改造后的TBM极大缩短了现场工期,具有保障现场施工安全、高效、智能、环保等优势。

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。

小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

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。

地铁施工物化阶段TBM区间碳排放核算与减排

目前,国内外对土建工程碳排放的研究主要集中在住宅、办公建筑领域,对地铁建设工程碳排放的研究较少。为计量地铁TBM区间土建工程物化阶段碳排放,识别其排放特点,运用碳排放系数法建立了包含TBM区间土建实体、建造配套设备、运输施工机具、周转材料、劳动力在内的系统边界,将物化阶段划分为建材及预构件生产、建材及预构件运输、现场施工三个环节对碳排放进行计量。对碳排放因子进行了定义选取,构建了TBM区间各环节碳排放的计量模型并对青岛地铁典型TBM工段进行了案例分析,得到物化阶段三个环节的碳排放强度分别为4875.87 tCO_(2)/km、49.54 tCO_(2)/km、1780.04 tCO_(2)/km,总碳排放强度为6705.45 tCO_(2)/km。通过情景假设法,得出地铁TBM区间再生建材的使用可以带来1.21%~2.43%的减排效益。

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。

某过断层深埋高水头TBM输水隧洞围岩-支护结构响应规律

为了研究过断层深埋高水头敞开式TBM输水隧洞支护结构的响应规律,对不同支护方案下某过断层深埋高水头敞开式TBM隧洞围岩与支护结构的响应规律进行对比分析,选出最合适的支护设计方案。建立TBM隧洞动态开挖-支护精细仿真模型,逐个研究动态开挖-支护中围岩、锚杆、钢拱架、初喷混凝土、二衬的响应规律。结果表明:依次支护管棚、锚杆、钢拱架、固结灌浆、衬砌后,围岩拱顶变形分别降为不支护时的59.4%、32.9%、32.9%、4.1%、3.2%。盾尾离开后各响应突增,增幅逐步减缓且最终趋于稳定,衬砌支护后突降并稳定。锚杆应力分布不均,支护后拱腰处锚杆应力比拱顶增加快,各锚杆应力越靠近洞壁处越大。管棚+锚杆+钢拱架+固结灌浆+初喷+二衬可保证安全,但需固结围岩弹性模量、黏聚力及内摩擦角分别提高1.0、1.0、0.21倍。

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。

挤压性地层TBM隧道形变压力计算方法研究

研究目的:目前国内外主要围绕挤压性地层条件下双护盾TBM的设备选型与施工技术进行研究,但是针对管片结构设计方面的研究却较少,尤其是针对管片结构所受围岩压力的研究。为了弥补这方面的研究不足,本文结合TBM隧道施工的时空效应,重点研究双护盾TBM隧道管片在挤压性地层中的形变压力计算方法。研究结论:(1)通过采用遗传蠕变模型,模拟了围岩变形的时序效应,并将其整合到隧道纵向变形曲线中,因此形成了一种考虑时空效应的隧道纵向变形曲线计算方法,通过考虑第一阶段的超前变形量,构建了基于等效开挖洞径的围岩特性曲线公式;(2)利用厚壁圆筒的弹性理论,推导出了管片-豆砾石组合支护的刚度计算公式,同时,建立了临界弹性模量的计算表达式;(3)基于收敛-约束法分析原理,推导出了组合支护力与组合支护位移的公式,进一步形成了管片形变压力的计算方法,最终这一形变压力计算方法的准确性通过实际工程案例得以验证;(4)本研究成果可应用于挤压性地层TBM隧道管片结构的设计。

煤矿复杂地层TBM掘进巷道新型装配式支护结构工程实践

TBM(Tunnel Boring Machine)全断面掘进机已在煤矿深井巷道掘进工程中成功应用,取得了显著的社会经济效益。但仍存在影响其进一步推广应用的技术瓶颈。针对当前支护结构与支护技术难以同时满足支护效率、支护强度和施工成本方面的要求,TBM难以充分发挥其速度优势的技术瓶颈,研究团队研发了新型钢管片型装配式支护结构。开展了新型装配式支护结构大比尺模型试验,获得新型支护结构在受载条件下变形破坏规律,根据试验结果优化新型支护结构型式。基于新型钢管片支护下TBM掘进巷道数值模拟评估新型支护结构可靠性。最后开展工业性试验,现场验证新型钢管片式支护结构用于煤矿TBM掘进巷道的可行性。试验结果表明,巷道围岩最大拉应变为803×10-6,钢管片支护结构变形量小于1 mm。新型支护结构安装速度快,可在90 min内掘进1.5 m并完成一环管片的安装工作,显著提高了TBM掘进巷道的支护强度和TBM掘进作业线的地层适应性。为未来进一步提高煤矿巷道掘进速度、保障煤矿采掘接替提供技术参考。

基于VMD与加权RF的TBM掘进速度预测SHAP解释模型

为较准确地实现TBM掘进速度(PR)的预测,构建一套基于加权随机森林(RF)结合变分模态分解(VMD)的集成学习预测模型。模型建立过程中,通过收集来自KS隧洞与兰州水源地输水隧洞中涵盖不同岩性下的数据,利用VMD对数据进行4次模态分解,在保留数据特性的同时去除最高频噪音;采用SHAP对未加权传统RF从模型贡献角度进行特征度量,以此实现未加权传统RF加权,并使用RFECV与网格搜索对加权RF进行特征遴选、超参数优化;通过实际工程对模型的性能进行验证,基于SHAP理论对模型从全局与局部进行解释。结果表明:1)所建模型预测精度较高,其在测试集上的均方根误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)与决定系数(R^(2))分别为0.0649(m/h)^(2)、0.1875 m/h、0.9254。2)在实际工程的验证中,模型取得了MSE=0.0503(m/h)^(2)、MAE=0.1613 m/h、R^(2)=0.9505的性能表现,精度理想,且性能均高于常用的深度神经网络、支持向量回归、未加权传统RF。3)经过VMD处理可有效提升PR的预测精度,处理后的模型在测试集上MSE、MAE、R^(2)分别提升了82.50%、59.00%、33.25%。4)岩石单轴抗压强度是精准预测PR时最重要的因素,地质参数在预测中的交互性明显优于掘进参数。预测分析重要洞段的PR时,需结合全局与局部2个角度进行综合分析。

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。

渗流-应力耦合作用下穿断层破碎带TBM输水隧洞结构安全研究

为分析敞开式隧道掘进机(TBM)穿越断层破碎带深埋长输水隧洞围岩的稳定性及其支护结构的安全性,依托东庄水利枢纽北线输水隧洞工程,采用ABAQUS软件建立隧洞开挖过程渗流-应力耦合三维动态施工仿真模型,研究了隧洞开挖支护过程中断层破碎带处围岩的稳定性和支护结构的受力特性及其变化规律。结果表明:隧洞围岩由于卸载作用其孔隙度最大值较初始状态增大了0.88%,渗透系数最大值较初始状态增大了2.59%;隧洞围岩孔隙水压力随开挖支护过程先下降—再平缓—最后回升至稳定;围岩塑性区出现在沿径向1 m范围内,等效塑性应变极值出现在围岩腰线处;锚杆应力在衬砌进行支护时达到峰值,其最大值为182.90 MPa;衬砌内、外缘均处于受压状态,衬砌环向应力值随开挖支护过程先出现最大值,随后略微减小至稳定,其值在6.66~11.92 MPa范围内;衬砌的变形整体上表现为向内收缩,收缩量从顶拱和底拱处向腰线处逐渐减小,其值在0.67~1.35 mm范围内;随着排水量的增加,围岩最大径缩量逐渐增大,衬砌外水压力折减系数逐渐减小。研究结果可为穿断层破碎带TBM隧洞工程结构设计及其安全施工和运营提供参考依据。

水电工程TBM洞挖料资源化利用对策与思考

针对TBM洞挖料的综合利用率偏低、难以满足新形势下更高水平的绿色施工要求等问题,结合TBM洞挖料的材料特性及处理现状,分别从混凝土骨料、堆石坝筑坝材料及其他用途等方面开展了TBM洞挖料潜在利用方式的可行性讨论,提出了TBM洞挖料资源化利用需要关注的问题、常规处理手段及未来应用趋势,研究结果可为推动TBM洞挖料综合利用研究和创新实践方向提供参考。

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。

基于小孔应力集中的激光预钻孔条件下TBM滚刀侵岩模型建模与试验验证

激光发生器耦合安装到全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘上,利用高能量激光辅助TBM掘进作业,理论上有望达到新型热-机械高效破岩之目的。针对激光辅助滚刀破岩,基于小孔应力集中理论的弹性应力状态计算方法,在空腔膨胀模型基础上,建立了一种考虑密实核衍生效应的激光预钻孔条件下滚刀侵岩理论模型,并对模型进行理论分析;随后开展双侧围压下的激光辅助缩尺比例滚刀侵岩试验,对理论模型进行试验验证。研究结果表明,刃宽及孔距均对侵岩垂直力有一定影响,且孔距较小时理论模型不再适用;经对比分析后,在理论模型与试验所得结果中,随着孔距的改变侵岩垂直力有着相同的变化趋势,侵岩垂直力大小较为符合,激光预钻孔条件下滚刀侵岩理论模型具有一定准确性。

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。

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。