大瑞铁路高黎贡山隧道TBM搭载综合超前预报技术实践

为避免或减小TBM隧道在施工过程中遭遇围岩坍塌、突水突泥等地质灾害,基于搭载于TBM的破岩震源和激发极化超前地质预报系统,对TBM环境综合超前地质预报方法进行研究,以实现掌子面前方不良地质定位。在探明不良地质的基础上,提出施工动态管理方法,以实现对不良地质的超前治理,进而有效避免地质灾害的发生。通过工程实践表明:提出的搭载于TBM综合超前预报系统可以有效探明掌子面前方的不良地质,采用的动态施工管理方法可有效对不良地质灾害进行防控,确保TBM安全、高效地施工。     

双护盾TBM不良地质施工问题及对策

 阐述了双护盾隧洞掘进机（TBM）在不良地质条件下施工所遇到的典型问题。并以昆明市掌鸠河引供水工程上公山隧洞TBM施工为例，对挤压及膨胀地层、断层破碎带、突泥、涌水等影响双护盾TBM的不良地质条件进行了分析研究，从宏观和微观角度提出了TBM通过不良地质情况的方案和措施，为今后双护盾硬岩掘进机施工借鉴、参考。     

高埋深软硬岩互层地质条件下敞开式TBM岩爆段施工方法研究

基于喜马拉雅山区域某软硬岩性互层地质条件下的深埋隧洞工程，为解决该区域TBM施工过程中的岩爆问题，统计分析了TBM施工过程中的岩爆特征；在施工过程中开展了多种岩爆规避试验，形成了一套较完整的有针对性的施工方法： 1）岩爆风险巡查常态化； 2）超前地质预报和超前处理措施相结合； 3）支护材料和支护方式合理化； 4）掘进参数动态调整。在后续的施工中加以应用，取得了较好的效果，可以为类似地质条件下的安全施工提供参考。     

引松供水4标TBM连续穿越灰岩的施工技术研究

为应对吉林引松供水4标7 km灰岩隧洞段的特殊地质条件,引松开敞式TBM的针对性设计和克服不良地质风险的施工技术研究显得尤为重要。首先,针对引松4标长距离掘进、大断面施工、快速掘进及强支护量等工程特点,对TBM进行超前地质预报系统、支护系统等方面的针对性设计制造。其次,对于通过灰岩地段各种不良的地质风险,分别制定相应的施工和处理措施。通过对TBM的针对性设计以及不良地质地段恰当的施工处理措施,使TBM顺利地通过了7 km灰岩地段,既节省了开支,又缩短了工期。     

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战： 地质多样化带来更多的地质风险; 应用领域亟待拓展; 设备技术发展赶不上施工需求的变化; 施工进度不均衡; 施工环境越来越严苛; 存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望： 核心部件国产化; 提升各种地质条件下的破岩能力; 提高出渣能力及可靠性; 提升初期支护及超前加固性能; 研发异形断面TBM; 圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用; 大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用; 研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术; 促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。     

极端恶劣地质条件下TBM施工技术与管理探讨

随着TBM法隧道施工规模的扩大,不可避免地面临着诸多恶劣地质条件,如极强岩爆、严重破碎围岩、大变形等,TBM施工安全、进度、成本与投资都会受到极大的影响。针对极端恶劣地质条件下TBM施工技术与管理,结合在建和即将开工项目所面临的恶劣地质以及以往的TBM施工实践,对地质勘察与工程总体筹划、施工技术、施工管理进行研究,提出超前地质预报、及时合理的初期支护、超前处理、合理控制工期与投资、完善适应TBM施工特点的相关规范等建议和措施,以期促进TBM工法科学发展和可持续发展。     

高黎贡山隧道复杂地质条件下敞开式TBM施工关键技术研究

高黎贡山隧道地质条件极其复杂,可总结为"三高四活跃"。其中,高地热、高地应力、多断层破碎带、高压突涌水是制约TBM施工质量和安全的主要地质因素,将给TBM施工带来不可预估的风险。为了减少以上地质问题带来的TBM施工风险,通过资料查阅、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨、设计高适应性的TBM,并结合工程目前的施工状况,提出了TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。研究结果可为即将进场施工的TBM提供理论参考。     

隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向

复杂的不良地质条件是制约隧道安全高效建设的主要因素,要实现隧道工程的安全高效建设,首先要提高地质预测预报技术水平及其信息化程度。1)介绍我国复杂不良地质隧道超前预报的方法进展及其应用,包括突水突泥灾害源超前探测方法与设备、断层破碎带超前预报、城市地铁溶洞和孤石等探测的进展及应用等;2)介绍我国隧道岩爆监测预警方法及其应用,预报清楚之后就要加强安全风险过程监控;3)介绍基于BIM技术的建筑物(隧道工程)安全风险监控最新进展,包括安全风险实时感知系统和实时预警系统;4)指出隧道工程建设信息化技术的发展方向,包括开展基于大数据技术的TBM/盾构施工的分析与控制研究以及数字隧道向智慧隧道(建设和运营维护)的发展。     

HSP法在引汉济渭TBM隧道地质预报中的应用

为了解决超前地质预报与TBM快速施工之间的干扰,结合TBM的施工特点,分析地质预报的难点,介绍适用于TBM施工的HSP声波反射法原理和探测方案。该方法创造性地利用刀盘剪切岩石产生的振动信号为震源信号,采取阵列式布极,获取前方地层特征参数,来预报TBM施工前方的地质条件,来达到TBM快速施工的目标。通过HSP在陕西省引汉济渭工程TBM施工段应用案例的解析和实际情况的对比分析,表明HSP声波反射法对不良地质结构面的存在具有较好的正相关响应,是适用于TBM施工时地质预报的高效方法之一。     

高黎贡山隧道TBM不良地质条件下卡机脱困施工关键技术

为降低TBM在不良地质条件下施工的卡机风险,解决卡机后快速脱困问题,结合高黎贡山隧道TBM施工情况,针对岩性接触带、断层破碎带、全风化花岗岩粉细砂地层、涌水、高压富水软弱破碎蚀变构造带等不良地质条件,从地质预报、掘进参数控制、初期支护、防卡机措施、卡机脱困技术、不良地质超前加固及改良等关键技术方面进行研究分析,总结出掘进参数与卡机的关系并提出控制措施,同时还针对不同规模的不良地质,总结出刀盘清理法、循环管棚法、导洞法、迂回导坑法等应对措施。     

取芯水平钻探对川藏铁路隧道施工效率的影响研究

为研究川藏铁路深埋隧道超长水平钻探实施的可行性及复杂地质条件下水平钻探对隧道施工的影响程度,在川藏铁路隧道勘察设计中开展大量调研工作及地表超长深埋水平钻探试验,并结合隧道掘进指标、钻探速度,研究钻爆法及TBM施工中超长超前水平钻探对隧道掘进效率的影响程度。研究结果表明:1)在单位长度内,围岩地质条件越好,钻探深度越大,隧道掘进速度越快,超前水平钻探对施工影响越大。2)在Ⅱ、Ⅲ级围岩地段,在TBM设备后方180m处实施超前水平钻探时,水平钻探进度难以追赶TBM施工进度,钻探对施工指导意义相对较小;在Ⅳ、Ⅴ级围岩地段,水平钻探进度可以很快追赶上TBM施工进度,在TBM施工受阻等复杂地质条件下,采取水平钻探技术对指导隧道施工有一定意义。3)在护盾处开展长距离连续水平钻探时,对隧道施工的影响程度最大可达85.11%,影响较大。综合分析表明,超前水平钻探在断层破碎带、强富水及高压富水、岩溶等不良地质地段实施较为合适。     

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。     

海域复杂地质双模式TBM设备选型与应用关键技术

为解决青岛地铁长距离穿越埋深30~60 m海底微风化凝灰岩和500 m宽的F5断层破碎带时面临的突涌水风险等技术难题，从工期、地质、地下水3方面综合比选，确定双模式TBM施工，穿越海底硬岩地层段采用TBM敞开模式掘进，穿越F5断层破碎带由敞开模式转换为土压平衡模式掘进。基于特殊工况下的水文地质环境，开展TBM设备选型与优化改造，增加盾尾刷以提高设备防渗能力，盾尾设止浆板保证壁后注浆效果；配备超前地质钻机和双液注浆设备，实现超前钻探和注浆加固；采用重型合金刀，减少换刀频率并增加开挖尺寸，降低复杂地质卡机风险；刀盘开口位置增设钢格栅，防止大块度洞渣破坏刀盘；压力隔板上增加超前孔，实现无压模式正面钻探及注浆加固。拆除主皮带机及相关设备，封堵压力隔板孔洞，安装螺旋输送机及泡沫系统，由敞开模式转换为土压平衡模式，提高双模式TBM穿越破碎带的安全性。通过设备选型与优化、工艺试验、模式转换研究，顺利完成了青岛地铁8号线大洋站—青岛北站区间穿越海域复杂水文地质辅助导洞施工。     

厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究

TBM法隧洞施工具有快速、高效、安全和环保的技术特点,但TBM施工地质适应性差,往往由于工程地质条件原因影响TBM的掘进效率,在TBM施工之前非常有必要对工程地质条件进行研究。以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,分析岩石单轴抗压强度、岩石耐磨性和岩体的完整性等指标,得出该隧洞的地质条件适合TBM施工的结论。并根据工程区域的工程地质条件,分析施工可能遇到的工程地质问题,主要包括岩爆、断层破碎带塌方、软岩大变形、涌水、高地温及有害气体5个方面,并针对性地提出在各种不良地质条件下的预防措施和施工对策。     

高黎贡山隧道敞开式TBM穿越高压富水软弱破碎蚀变构造带施工技术

为解决敞开式TBM在高压富水软弱破碎蚀变构造带不良地质条件下围岩变形、钻孔困难、支护困难、刀盘被卡、护盾被卡、突涌掩埋设备等工程难题,结合大瑞铁路高黎贡山隧道2台敞开式TBM在滇西南极端复杂地质条件下的施工情况,以PDZK221+481处高压富水软弱破碎蚀变构造带处治为例,从初期支护加固措施、钻孔技术、超前加固措施、侧壁导坑泄水降压措施、TBM卡机脱困技术、不良地质掘进支护措施等关键技术方面进行研究。总结出对于此类不良地质,可采用高位小导洞探测地质、侧壁导坑超前泄水降压、原位超前管棚及注浆加固、盾体区域扩挖释放护盾脱困、掌子面化学注浆加固后清理刀盘周边释放刀盘脱困、初期支护加强等综合处理技术通过,同时提出侧壁导坑断面形式及支护措施、管棚工作室断面及支护措施、超前加固支护措施等。     

高黎贡山隧道破碎地层TBM施工技术与应对方法研究

为解决大瑞铁路高黎贡山隧道出口段岩石破碎地质影响TBM施工的问题，针对掌子面前方破碎围岩，提出掌子面前方化学灌浆加固、小导洞开挖及超前管棚等方法联合帮助TBM脱困，同时提出护盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM设备改进应对方法； 针对破碎围岩露出护盾后易塌落问题，提出隧道顶部加强初期支护和化学灌浆、隧道腰部立模灌浆、隧道底部机械化清渣的应对方法。现场实践表明： 采用上述方法，有效降低了TBM在破碎地层掘进刀盘被卡的风险，即使刀盘被卡也能在可控的时间内及时脱困； 同时还有效提高了TBM通过破碎地层的施工速度。     

高黎贡山铁路隧道彩云号TBM的创新性设计与应用

高黎贡山铁路隧道作为大瑞铁路的关键性控制工程,具有“三高四活跃”的地质特点，为应对TBM施工过程中可能遇到的断层破碎带、突泥涌水、岩爆等灾害，正洞TBM设计实行了变截面可抬升开挖技术，创新了前置式自动化混喷技术、隐藏式常态化超前钻探技术以及水岩一体超前预报技术。实践表明，在掘进过程中TBM的创新性设计发挥了显著作用，可为同类地质条件TBM设计与应用提供经验。     

隧道超前地质预报技术及综合应用

隧道掘进过程中围岩地质条件复杂多变，单一的地质预报方法存在多解性，准确率较低。基于分析不同超前地质预报方法的适用范围，建立地质分析与物探长距离预报和短距离预报相结合的综合预报解译方法，并以某高速公路隧道超前地质预报为例，采用地质分析法、地震波反射法、电磁波反射法、瞬变电磁法进行了综合超前地质预报及工程应用。结果表明：综合超前地质预报能较准确查明掌子面前方不良地质体的分布范围及性质，可有效降低施工风险，为地质灾害处理和围岩设计变更提供依据。     

适于TBM施工的HSP法实时预报技术设计与实现

为实现TBM施工隧道的实时地质预报，以TBM刀盘滚刀破岩震动作为震源的HSP法地质预报技术为基础，通过分析TBM施工工艺与机身结构特点，对HSP系统硬件和软件进行优化设计，使其小型化、自动化和智能化，并搭载于TBM上进行智能控制。在TBM掘进过程中，首先，通过隧道轮廓位置的检波器连续或高频次地采集地震反射波信号； 然后，经系统软件对数据的自动处理，实时获取掌子面前方地层反射特征参数图谱； 其次，通过智能识别技术完成对不良地质反射界面的有效拾取与判识； 最后，实现不良地质的探测。通过对适于TBM施工的HSP法实时预报技术进行优化设计，实时探查前方地层不良地质(体)位置、规模与性质，为TBM的高效施工起到一定的推助作用。     

引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术

在不良地质条件下,引水隧洞采用双护盾TBM施工时易发生卡机事故,严重制约工程进度。结合引水隧洞双护盾TBM施工实践,对不良地质条件下双护盾TBM施工中3种常见的卡机类型进行原因归纳与分析,总结出5种卡机脱困技术,并提出双护盾TBM卡机预防措施。实践证明,相应的脱困技术成功地解决了卡机现象。