敞开式小直径TBM隧洞综合超前地质预报技术研究与应用

TBM在掘进过程中面临复杂地质、超小直径、超小转弯半径以及坡度大、隧洞长等诸多技术难题,卡机和突水突泥时有发生。为解决TBM在小半径隧洞施工中所面临的重大风险,提出基于TBM隧洞的双震源系统与激电二极三维相结合的综合超前地质预报技术;以安徽桐城抽水蓄能电站自流排水洞TBM项目为例,实现预报设备与小直径TBM相搭载;通过智能图谱识别及全空间多场信息融合与深度学习反演成像,实时预报掘进过程中掌子面前方地质状况。该应用切实解决了小直径TBM隧洞超前地质探测难题,可为同类工程TBM高效掘进提供参考。

长大隧洞TBM施工通风技术方案与装备研究

为有效解决长大隧道施工期通风难题,以新疆某水利工程引水隧洞掘进为背景依托,基于对TBM1、TBM2两个施工段的风量、风压计算,选取相适宜的风机与风管,并确定隧道施工时的通风方案:风机选用SWEDFAN/瑞典品牌,风管选用柯迪发品牌,TBM施工通风采用洞口一站压入式通风系统,在1#支洞洞口附近布置2套轴流风机,其中,TBM1掘进段布置1台型号3×AVH-R140.132.4.8风机,TBM2掘进段布置1台型号3×AVH-R140.160.4.8风机,软风管直径均2.2m。风机与风管通过排烟、排气、通风作用,将外面的新鲜空气送入隧道内,同时将隧道内气体从洞口排出,形成畅通的循环呼吸系统。结论可为隧道安全通风提供技术支撑和宝贵施工经验。

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。

超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析

北疆供水二期工程总长540 km,主要由西二隧洞(139.04 km)、喀双隧洞(283.27 km)和双三隧洞(92.15 km)组成,隧洞占总长度的95.6%,均为深埋超特长隧洞,其中喀双隧洞是目前世界上已建和在建的最长输水隧洞。分析本工程的特点及地质情况,得出主要施工难题为长距离掘进关键设备耐久性、穿越断层破碎带、围岩突涌水防控、长距离独头通风及运输、反坡排水、破岩效率及快速掘进等。试掘进结果表明:1)勘察设计提供的地质情况与施工揭示的地质情况基本一致,这为高效掘进提供了基本条件。2)敞开式TBM能较好地适应Ⅱ、Ⅲ类围岩、节理裂隙带及小规模断层;而对于规模较大的断层破碎带及富水地层,则适应性较差,还有待于从设备、支护及施工技术方面加以改进。3)试掘进阶段TBM设备系统平均完好率达89.9%,但仍有一些设备故障率较高,有的还出现了主轴承密封圈漏油现象;为了实现长距离掘进,还需进一步提高设备的可靠性和耐久性。4)试掘进阶段平均纯掘进时间占比为29.6%,其中双三Ⅱ标TBM1平均纯掘进时间占比高达45.2%,最高月进尺达到1 280 m,创造了国内同类地质条件掘进最高记录。5)随着掘进进尺的不断增加,TBM集群要达到设备系统90%以上的完好率、支撑40%以上的纯掘进工时率的目标,还需要付出巨大努力。

TBM掘进机关键部件——盘型滚刀的研制

TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。通过对刀具工作条件的分析和研究,指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关;提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则;最终以刀位系数作为刀具评价标准,选取优良刀具进行现场试验。

TBM拆卸洞及拆机起重系统优化设计研究

TBM洞内拆机一般是在隧道内修建大断面拆卸洞,安装桥式起重机拆机。大断面拆卸洞施工难度较大,施工工期长,成本投入大。为了缩短TBM拆卸洞施工及拆机时间,减小施工难度,以南疆铁路吐库二线中天山隧道TBM拆机为例,研究设计适应性更好的小车式电动葫芦+倒链起重系统。该系统采取在隧道拱顶布设锚杆来固定导轨和独立吊点。通过对拆卸洞结构原设计方案与优化设计方案进行比选,确定优化断面的结构形式和断面尺寸,优化后拆卸洞断面缩小1/3,施工难度降低,达到安全快速拆卸TBM的目的。

兰渝铁路西秦岭隧道TBM步进技术

根据西秦岭隧道钻爆法与TBM掘进法施工相结合的实际情况,提出TBM经过钻爆施工段的步进方案。通过介绍油缸推进、弧形滑道步进与电机驱动、整体托架步进这2种步进方法的技术特点、控制重点和详细的施工方法并对各自的优缺点进行比较,最终选择油缸推进、弧形滑道步进施工方案。

开敞式TBM在大伙房输水隧洞工程中的应用

文中分别从设计和施工角度,全面论述开敞式TBM在大伙房输水隧洞工程中的成功应用,介绍了3台TBM完整的施工过程,不同工况条件下的施工措施以及针对不良地质洞段涌水、塌方、更换主轴承和卡机等事故采用的处理方式。此外,还介绍了与TBM相匹配的连续皮带机的成功应用,全环内通式衬砌台车和仰拱衬砌台车的研制与应用,所有这些均展示了未来地下工程施工技术发展的美好前景。

TBM工作原理及设备选型

结合山西省万家寨引黄工程中隧洞工程的实践,介绍了全断面掘进机(TBM)的工作原理及设备选型等问题。

长大隧道TBM施工有轨运输设备的配置研究

依托兰渝铁路西秦岭隧道工程,针对TBM施工条件下近20km长的运输距离,进行有轨运输设备配置研究。在满足各施工面生产需要前提下,确保每台设备的利用率达到最佳,同时又不会造成设备误工浪费,实现在各工作面流水作业。通过对该工程实施的验证,效果良好,为类似项目提供借鉴。

深部矿井岩巷TBM掘进设备选型及适应性设计

为了推进深部复杂条件巷道安全高效智能掘进,总结分析了TBM装备煤矿应用情况,结合陕西高家堡煤矿西区辅运大巷工程地质特征,从TBM掘进机型、掘进性能参数、地质条件适应性等三个方面,提出煤矿TBM掘进适应性条件,明确采用敞开式TBM的科学原理,并基于应用实践提出了掘进系统主参数适应性设计和工程运输系统适应性技术。研究表明:复杂地质条件选用敞开式TBM更为灵活,更有利于巷道卡机等灾害防控,而系统适应性设计则应主要考虑刀盘、护盾部件的防灾减灾能力,满足矿井对设备应用的特殊需求,如刀盘系统采用大直径滚刀,以提高硬岩巷道刀具寿命,提高扩挖间隙以满足扩挖需求。

TBM机施工隧道瞬变电磁超前探测研究

在隧道掘进机(TBM)施工隧道内,传统瞬变电磁的装置形式受到了TBM机械的限制,TBM自身的金属构件对二次场衰减电压的采集产生了强烈的电磁干扰。为了克服瞬变电磁法在TBM施工隧道内遇到的困难,在前人工作的基础上,尝试提出了一种基于电性源激发、电场分量采集的施工隧道瞬变电磁超前探测装置形式。针对钻爆法与TBM施工隧道各自不同的工况,利用三维时域有限差分法对单个电性源激励下隧道前方瞬变电磁场的分布规律与响应特征进行了正演模拟。通过对瞬变电磁场的分布规律以及响应特征进行分析,认为所述的电性源发射装置不仅可以在钻爆法施工隧道内使用,并且具有在TBM施工隧道内进行隧道超前预报的能力。

大直径主梁式TBM撑靴油缸洞内更换技术

TBM(隧道掘进机)不仅是一台设备,更是一套复杂的隧道施工系统,因此要求其重要部件必须具备高可靠性,否则会给工程建设带来巨大损失。兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工实践中,由于产品质量原因导致其撑靴油缸损伤,研究制定了洞内更换方案和九步操作法,取得良好效果。可靠的TBM设备质量是隧道顺利施工的有力保障,一定要从源头抓起,高度重视,全过程控制,以部件质量保整机质量,以科学规范的操作和维修保养保持TBM设备状态持续完好。

锦屏二级水电站TBM穿越1#引水隧洞部分断面采用的掘进施工技术

锦屏二级水电站隧洞埋深较大,具备发生强烈至极强岩爆的地质条件。为确保工程和设备安全,经专家论证,决定在强岩爆洞段采用先期导洞钻爆施工进行应力释放后,再采用TBM掘进剩余部分断面的施工方法,目前在国内还没有TBM掘进部分断面开挖的施工先例。介绍了锦屏二级水电站采用TBM穿越1#引水隧洞部分断面时施工掘进参数的选取、施工措施、设备状态监测、施工进尺及其备品备件的消耗情况,可为其它类似地质条件的隧道工程施工提供借鉴。

TBM在超长隧洞工程施工中的转场

在没有国内外直接经验可以借鉴的情况下,大伙房水库输水工程3台TBM先后成功转场。实践表明,前一阶段施工段的高精度贯通及其在正常施工中设备性能测试数据的采集、转场方案的编制,特别是TBM设备检修计划的编制及严格执行是实现TBM顺利转场的基础和重要保证。

变更TBM设备选型和支护衬砌方式的比较论证

大伙房输水隧洞TBM施工段,在初步设计阶段推荐采用双护盾TBM和预制混凝土管片衬砌。在招标设计阶段经深入比较论证后,决定改用开敞式TBM和锚喷支护、模筑混凝土衬砌。本文根据双护盾和开敞式TBM的结构特点及其适用性,从本工程的工程地质条件、现代隧洞工程支护系统的设计理念、衬砌结构设计对施工质量的影响及技术经济等方面,对两种TBM型式及支护衬砌方式进行了比较论证。开敞式TBM和锚喷支护、模筑混凝土衬砌,是本工程最优的选择。

复杂地质条件下TBM卡机原因及脱困措施研究

为解决高黎贡山隧道正洞断层破碎带TBM无法掘进的难题,针对掌子面围岩呈泥沙状、盾体周边围岩破碎的问题,提出采用超前地质预报的方法进行地质探测。首先判断前方围岩地质特性,然后采取化学注浆的方法对盾体周边及掌子面进行注浆加固。针对露出护盾的破碎围岩、刀盘出现超量出渣的问题,提出盾尾破碎围岩加强初期支护、刀盘底部清渣及刮渣口进行加密的方法来进行应对处理;进一步就破碎围岩处理问题提出采用小导洞扩挖、掌子面化学注浆的方法对破碎岩体及刀盘前方的破碎围岩进行处理,通过实践验证,采取上述方法可以有效地实现TBM脱困。TBM脱困方法可为TBM在破碎地层掘进中提供有效的规避措施,也可为其他类似工程处理TBM卡机问题提供借鉴。

秦岭隧洞TBM施工皮带系统选型及运行分析

分析研究了引汉济渭秦岭隧洞TBM施工段长距离连续皮带机的布置、设备选型和支架性能,并对连续皮带机安装和运行过程中的问题及处理措施进行了阐述和介绍。为满足要求,TBM施工段岭南工程连续皮带机采用三托辊输送带,皮带机带宽914mm,厚度15 mm,带速2～3 m/s,采用ST2000钢丝皮带,皮带支架满足受力和稳定性要求,针对安装运行中存在的问题,采取了分渣器气动改液压、移动尾端改造等处理措施,取得了良好效果。

TBM穿越断层破碎带施工技术研究

为解决TBM穿越断层破碎带施工的难点,以山西垣曲二期抽水蓄能电站为工程背景,揭露了断层破碎带的地质特征,分析造成TBM的施工风险及影响,提出始发导台方法,根据不同地层的地质条件,总结不同典型地层掘进参数,通过现场施工经验解决机电设备出现的问题,最终形成TBM穿越断层破碎带的整套施工技术。

新型敞开式小直径TBM装备选型及应用

【目的】广州北江引水4#隧洞长10.2 km,开挖洞径4.5 m,TBM掘进过程中存在断层破碎带多、花岗岩单轴抗压强度高和TBM掘进效率低三大关键技术难题。【方法】为了解决以上难题,从地层适应性、空间利用率、造价和安全性等方面进行了TBM选型分析,并结合工程实例验证新型敞开式TBM应用效果。【结果】新型敞开式TBM优势包括:(1)新型敞开式TBM由护盾式主机和滑车结构组成,采用敞开式施工工法,护盾相较于常规双护盾TBM更短,最小转弯半径为75 m;(2)提出法向锚杆钻机方案,实现隧洞径向220°钻孔作业;(3)设置应急喷混系统,确保围岩脱离尾盾后尽早进行喷混;(4)刀盘镶嵌耐磨合金,合理减小刀具间距,提高掘进推力和破岩能力;(5)优化出渣系统、支护系统、铺轨、通风除尘等设备空间布置。【结论】结果表明:新型敞开式TBM平均月施工进尺400 m以上,穿越断层破碎带隧洞收敛变形控制在3 mm以内,硬岩段刀具磨损控制效果良好。通过与类似工程对比验证了新型敞开式TBM具备地层适应性强、施工效率高等优势。