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。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关,特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系,以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数,进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析,得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上,经过线性处理,建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性,TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小,随泊松比的增大而增大; TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高,其预测误差在15%以内,且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

主驱动双速减速机在高黎贡山隧道再制造TBM中的施工应用

高黎贡山隧道出口段采用2台敞开式TBM分别在主洞和平导洞施工,由于地质条件复杂,TBM经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况。为提高刀盘驱动系统脱困转矩,满足TBM在破碎围岩条件下掘进的需要,对彩云1号TBM主驱动系统安装双速减速机的技术改造进行研究。双速减速机安装在TBM主电机和减速机之间,高、低速模式下减速比分别为1.00和1.47,可通过手柄直接进行模式切换,具有切换方便的特点;在低速模式下,可将设备脱困转矩由6150k N·m提升至9225k N·m。经现场验证:在TBM脱困使用低速挡掘进时,设备可在7000k N·m转矩下持续掘进,说明在TBM上安装双速减速机可大大提高敞开式TBM在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。     

紫溪隧道软弱围岩施工技术

结合隧道工程实例,对软弱围岩洞口地段加固、偏压处治、台阶式洞身掘进和锚喷支护施工技术进行了介绍和分析,指出了超前长管棚、超前小导管和锚喷支护技术是保证软弱围岩隧道施工安全行之有效的方法。     

TBM在软弱围岩中掘进方向的控制

本文主要阐述了在软弱围岩石质中施工，TBM在掘进方向上易遇到的方向突变，纠偏困难，刀盘下陷等问题的原因及控制措施。     

引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术

引松供水工程四标段隧洞TBM法施工长度约17 km,其中7 332 m主要穿越灰岩(岩溶)、炭质板岩、断层等软弱破碎地层。为解决TBM在该类地层中掘进时TBM偏机、栽头、刀盘被糊、被卡、涌泥涌水、收敛变形引起设备被卡等难题,通过资料查阅、调研国内外现有TBM施工案例、专家咨询研讨等,对比研究多种方案;结合工程实践,提出TBM超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。经工程验证,该方案与措施能够很好地保证TBM在岩溶及软弱破碎地层的连续掘进,为工程的顺利实施奠定了坚实的基础。本文研究得出了一系列理论及参数,可为类似工程提供借鉴和参考。     

TBM施工隧洞围岩分类方法的探讨

针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性,将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别,对于当今隧洞围岩分级方法的进一步发展,以及提高我国TBM施工隧洞的设计和施工水平具有一定的实用价值。     

基于主成分分析与BP神经网络的TBM围岩可掘性分级实时识别方法研究

TBM 围岩可掘性等级实时在线识别和预警对TBM 安全高效以及智能化掘进意义重大,基于新疆EH 隧洞工程直径为7. 0 m 的敞开式TBM 实际掘进数据与地质数据, 通过TBM 掘进性能与施工风险的特征参数指标对围岩进行可掘性分级。在对不同围岩 下区分度较好的掘进参数进行主成分分析之后,获得表征围岩可掘性等级的2 个主成分指标,并在此基础上构建BP 神经网络对围 岩可掘性等级进行识别。同时,为提高模型响应速度,设计了一个MATLAB 程序,从而获得了实用性较强的围岩可掘性等级实时识 别方法。     

DS1217-303-1型双护盾TBM主驱动性能提升改进探析

双护盾TBM在均质硬岩中具有掘进速度快,开挖和支护同步进行等特点,但遇到软弱围岩和断层破碎带时极易出现卡机现象。以陕西省引红济石调水工程为例,为解决施工过程中出现的卡刀盘问题,介绍TBM设备主驱动系统工作状况,对性能参数进行分析验证,提出性能提升改进方案,改进后TBM对地层的适应性大幅提高,未再出现卡刀盘现象。该改进案例可为今后TBM设备表现出对地层不适应而进行设备再改进提供借鉴经验。     

TBM在不同特性硬岩中的掘进速度

最近，韩国用TBM修建了一座引水隧洞，该隧洞位于抗压强度大于260MPa的围岩中。本文探讨了此类硬岩中TBM的净掘进速度和围岩特性之间的关系。分析得知测得的掘进速度与Schmidt硬度和RMR（RMR）为岩体等级－－校者注）互成比例。可以把围岩的这两种特性和现场应力情况看作很好的预测TBM在硬岩中的掘进速度的定量指数。     

适用于模拟复杂地质条件的微型TBM试验系统研制及应用

为研究TBM掘进隧道复杂地质的演化过程及破坏特征,研制了适用于复杂地质条件的微型TBM模型试验系统,主要由微型掘进装置、多功能岩箱、微型掘进机工位平移装置、四联液压系统以及微型掘进机掘进控制系统组成。该系统可实现推进速度0~50 mm/min可调、刀盘转速0~10 r/min可调、刀盘最大转矩可达1 000 N·m、刀盘最大安全掘进距离可达1 100 mm; 可以进行半断面可视化掘进和全断面高地应力模拟掘进,并提前了解TBM掘进复杂地质时隧道应力的变化规律,为现场高地应力大埋深复杂地质下TBM掘进提供可靠的参考资料。     

基于“4M1E”影响因素的敞开式TBM快速掘进保障措施

TBM施工是一个复杂的系统工程,涉及的专业多、领域广,需要各个制约因素的高效集成,充分确保TBM设备利用率,加快施工进度,是体现TBM优势的关键。将影响TBM施工的各项因素归结为"人、机、料、法、环"5个方面进行研究。结果表明,通过培养高素质的人员管理队伍、保障完好的设备状态加之对材料供应、施工方法、环境控制等方面的科学管理,能够发挥人员的主观能动性、降低施工风险、体现设备的先进性,使快速掘进得以实现。     

TBM掘进综合试验台的研制

刀盘刀具破岩技术是全断面隧道掘进机技术的核心,但是目前国内研究基础还比较薄弱。为了掌握滚刀破岩技术,需要在实验室内准确模拟滚刀破岩过程的试验台架。介绍TBM掘进综合试验台的主要结构、工作原理、主要技术指标、液压系统和信号检测系统等。试验台的建成将为我国TBM刀盘破岩技术及滚刀制造技术提供关键的试验设备。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题,应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险,基于高黎贡山隧道TBM施工项目,从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术,提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案,并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究,使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm,避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象,实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

基于GRA-SSA-Elman的隧洞TBM掘进适应性评价

为准确评价隧洞施工TBM掘进适应性，保障TBM安全、高效施工，提出一种基于灰色关联分析（GRA）与麻雀搜索算法（SSA）优化Elman神经网络的TBM掘进适应性预测模型。首先，从地质条件、掘进参数、不良地质、施工组织4个方面综合考虑，初步选取13个主要影响因素，建立隧洞TBM掘进适应性评价指标体系； 然后，利用GRA分析指标与掘进适应性间的关联性，引入SSA优化Elman神经网络，提高模型性能，并采用留一交叉验证法验证模型的准确性及可靠性，使得模型最接近原始数据分布特征； 最后，结合北疆水利工程某标段中待测样本对模型预测效果进行验证，同时与Elman、PSO-Elman、BP神经网络模型预测结果及现场实际结果对比分析。结果表明： SSA-Elman模型预测结果与实际工程结果吻合度较高，该模型能够正确、有效地对TBM掘进适应性进行预测评价，且具有合理性和可操作性，可为隧洞TBM适应性评价提供一种新方法。     

敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术

为确保TBM能安全顺利地通过花岗岩节理密集带,以南疆吐库二线中天山隧道进口为例,通过现场实践,采用刀盘内施作超前自进式锚杆,注新型聚氨酯化学浆液,围岩出护盾后径向注浆补加固等方法,有效地控制了围岩变形坍塌,提高了设备利用率,确保TBM安全、高效地通过了花岗岩节理密集带。     

敞开式TBM断层破碎带脱困技术

某供水工程敞开式TBM掘进在穿越断层时发生坍塌,刀盘被掌子面坍塌体掩埋,护盾被压住,TBM被困。为安全、快速地使TBM脱困,迅速恢复生产,在脱困过程中首先加固已施工段支护,在保证后方安全的前提下,进行前方掌子面和护盾上部加固,采用化学注浆法固结刀盘前方围岩和护盾上方中管棚超前支护法进行围岩超前支护、加固,然后清除刀盘刮渣孔及切口环内虚渣,使TBM顺利脱困,总用时20.5 d。通过这些方法的使用,达到了TBM安全快速脱困,迅速恢复生产的目的。     

基于掘进参量反演的TBM围岩等级预测识别方法研究

为探究TBM掘进参量和围岩等级关系，达到岩机信息互馈感知动态调整，辅助TBM主司机优化调整掘进参数的目的。采用数据清洗、分布统计和智能预测等手段,建立了一种基于自组织神经网络聚类和最小二乘支持向量机相结合的围岩等级预测识别方法（SOM-SVM）。主要结论如下： 1）单个完整TBM掘进循环可分为空推段、上升段与稳定段，各掘进参量近似服从正态分布关系。2）推力切深指数（FPI）和刀盘转矩旋转切深指数（TPI）可反映隧道岩石掘进难易程度，FPT、TPI和围岩等级近似呈线性关系，可用该参量作为岩机敏感因子反演预测识别围岩等级。3）干扰异常数据样本点的预处理对SOM-SVM围岩预测模型收敛中心和波动半径有一定影响，数据预处理是保证围岩等级预测识别准确的关键。4）经标准试验数据样本和工程数据验证，不同的支持向量机核函数对围岩等级预测识别影响很大，线性核、多项式核、高斯径向基核函数围岩综合识别率分别为70.8%、81.2%、87.6%，围岩等级预测识别模型预测精度高、鲁棒性好。