超特长隧洞集群TBM试掘进阶段存在的问题与施工技术发展方向

北疆供水二期工程总长540 km,其中隧洞段长度516 km。隧洞采用以TBM为主并结合钻爆法进行施工,其中支洞施工采用2台TBM,正洞施工采用18台TBM和3台盾构。单台掘进长度均超过15 km,最长掘进26km。TBM施工面临着集群掘进、不良地质及极硬岩穿越、超长距离施工等风险和难题,对隧洞的设计与施工技术提出了新的挑战。通过试掘进阶段的工作总结与分析,为进一步提高TBM的安全高效掘进技术水平,文章提出了超特长隧洞TBM施工今后发展的几个研究方向:1)适应TBM快速掘进的实时超前地质预报技术;2)地质适应性更强的TBM装备;3)智能化掘进技术;4)设备状态实时监测技术;5)围岩分级方法及相应的支护体系;6)辅助破岩技术;7)超长距离隧洞独头高压通风技术;8)超长距离皮带运输技术。通过改进TBM设备性能、优化隧洞设计和施工技术,从而提高设备对各种地质的适应能力,实现超长隧洞TBM的安全高效掘进。     

超前地质预报在TBM施工中的应用

TBM隧洞施工法与常规钻爆开挖方法相比具有高效、优质、安全、经济、环保和低劳动强度等优点。TBM施工对地质状况非常敏感,在深埋长大隧洞TBM施工中,经常遇到不良地质体,如大规模塌方、涌水,岩爆等,都会严重影响TBM正常的掘进施工。为保证TBM施工安全,需要实时对不良地质体进行超前地质探测和超前地质预报,判断可能发生施工地质灾害的相对位置、规模和严重程度等,以便提前做好技术准备,指导TBM施工。文章介绍了超前地质预报在东北某工程TBM施工中的应用技术。     

兰渝铁路西秦岭特长隧道方案研究

西秦岭特长隧道是目前中国铁路建设史上采用TBM掘进最长的隧道,设计为两座单线隧道,采用钻爆法和TBM相结合的施工方案进行施工。文章结合该隧道的环境及工程、水文地质情况,对方案比选及其TBM施工特点及工程适应性、隧道衬砌断面及其支护参数设计、TBM掘进与同步衬砌、连续皮带机出碴等关键技术方案进行了分析论述,并介绍了TBM设备和隧道的施工概况。     

中天山隧道TBM掘进施工适应性研究

文章结合TBM在南疆铁路二线吐库段中天山隧道中的应用,根据该隧道的地形地质条件并借鉴西康铁路秦岭隧道的实践经验,分析了TBM的工程适应性;依据勘察设计施工中实测的地质参数和掘进速度,探讨了主要地质因素对TBM掘进效率的影响,对如何使TBM适应地质条件,以及如何采用针对性措施提高掘进速度进行了分析研究。结果表明,隧道围岩的工程地质对TBM掘进效率影响显著;采用高质量和耐磨性能的刀具、增大TBM总推力是提高TBM掘进效率的有效途径。     

基于岩体指标和掘进参数的TBM净掘进速率预测模型

净掘进速率是TBM施工速度的主要评价指标,与围岩物理力学性质、TBM掘进参数之间存在一定相关性。文章以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,基于现场实测数据,选择岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、岩石耐磨性CAI值等岩体指标,以及刀盘推力和刀盘转速等掘进参数,进行TBM净掘进速率与有关影响参数之间的单因素相关性分析,得到相应拟合公式;基于TBM净掘进速率与岩体指标、掘进参数之间的相关性,利用多元非线性回归方法建立了TBM净掘进速率预测模型。通过将兰州水源地建设工程输水隧洞实测TBM净掘进速率和预测结果进行对比,验证了TBM净掘进速率预测模型的合理性。研究结果表明:(1)在复杂的多种地质条件下,TBM净掘进速率与岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、岩石耐磨性CAI值、刀盘推力以及刀盘转速呈负相关关系,与泊松比呈正相关关系;(2)干湿状态对岩石耐磨性CAI值有一定影响,饱和状态下岩石耐磨性CAI值与TBM净掘进速率之间的相关性更显著;(3)建立的多元非线性回归预测模型,预测精度较高,可为相似地质条件下TBM净掘进速率估算提供参考。     

基于掘进能耗的TBM掘进参数优化研究

TBM掘进过程中,受地质条件的影响,掘进能耗差别较大,研究TBM掘进能耗对于实现经济、高效施工具有重要的意义。文章首先根据TBM工作原理,建立掘进能耗计算公式及掘进参数优化公式;其次以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,分析不同地质条件下的掘进能耗与贯入度的关系;最后根据大量的实测数据拟合贯入度与推力、刀盘扭矩的函数关系,并根据TBM掘进能耗、设备性能及围岩稳定性等对掘进参数进行优化。研究结果表明:随着围岩类别的降低,掘进能耗随之下降,Ⅲ类花岗岩相对Ⅱ类花岗岩掘进能耗下降约45%;掘进能耗随着贯入度的增加而降低,降低幅度逐渐减少;贯入度与掘进推力呈幂数关系,与刀盘扭矩呈线性关系。     

悬臂掘进机成套机械化作业线在铁路隧道施工中的应用

新磨溪二号隧道为Ⅳ级、Ⅴ级软弱围岩隧道,穿越岩溶、滑坡等不良地质及石膏等特殊岩土,地质条件复杂,施工风险高;而且该隧道邻近既有营业线,施工难度大,安全要求高,采用传统爆破法施工难以满足进度与安全要求。文章对比分析了悬臂掘进机法相较于传统钻爆法的施工优势,阐述了悬臂掘进机成套机械化作业线设备配套技术及施工组织方案。实际应用效果表明,悬臂掘进机成套机械化作业线作为一种较为先进的隧道非钻爆法施工方法,在隧道工程施工中具有广阔的应用前景。     

大伙房输水工程特长隧洞TBM选型及施工关键技术研究

大伙房输水工程隧洞长85.32 km,开挖洞径8.03 m,属于深埋特长隧洞.隧洞施工采用以TBM为主、钻爆法为辅的联合施工方式.隧洞穿越区域水文地质条件复杂,开挖中面临的主要工程地质问题有围岩稳定性、隧洞涌水、石英砂岩的掘进效率及岩爆等三大关键技术难题.文章通过对大量文献资料和工程实例的研究,概述了TBM近一个世纪的发展及其在隧道建设中的应用现状和主要问题.通过对大伙房特长隧洞所穿越区域的地质条件以及主要工程地质问题进行分析,并结合国内外已有的TBM施工经验,以及对特长隧洞TBM选型进行分析,决定选用锚喷支护+模筑混凝土复合衬砌结构支护系统代替管片衬砌结构,采用连续皮带机高速度出碴、TBM掘进独头长距离施工通风以及TBM洞内组装和检修等技术,对大伙房输水工程特长隧洞高速度、高标准、高质量的建成发挥了重要的保证作用,也可为今后类似工程提供参考和借鉴.     

水平砂岩层Ⅳ级围岩隧道二台阶法开挖技术

文章结合梧州至柳州高速公路土建工程№A01-7标段枫木界隧道Ⅳ级围岩开挖工程实例,从开挖方法、钻爆设计、超欠挖情况、超前地质预报、监控量测及施工控制要点等方面详细介绍了在水平砂岩层隧道Ⅳ级围岩中采用二台阶法开挖的技术经验,为类似隧道钻爆法开挖施工提供一定的参考借鉴。     

基于模糊聚类理论的TBM施工围岩可掘进性分级预测模型

文章针对硬岩掘进机(TBM)在复杂地质条件下的可掘进性,进行了系统及定量的研究;基于模糊聚类理论和施工样本数据分析,建立了以掘进速率为分级指标,包括岩石单轴抗压强度、岩石完整性系数、围岩结构面与隧道轴线夹角和渗水量四项性质指标的可掘进性分级预测模型,将TBM施工围岩可掘进性分为好、一般和差三个性能等级;并在此基础上进一步细化模型粒度,以提高模型的精度和地质适用性。将所建模型应用于西秦岭隧道和大伙房水库输水隧洞工程实际工程效果表明,TBM掘进速率与由模型预测的掘进速率基本相吻合,验证了掘进性分级预测模型的可行性、科学性和有效性,进而对TBM的选型、设计和施工提供了重要的理论依据。     

极端复杂地质条件下TBM隧道施工关键技术研究及应用北大核心CSCD

大瑞铁路高黎贡山隧道、引汉济渭秦岭隧洞、滇中引水香炉山隧洞等工程的相继开工建设,使富水破碎极软地层带来的TBM卡机、高地应力极硬岩地层带来的岩爆等TBM施工问题日益凸显。文章首先对比阐述了国内TBM隧道工程建设过程中常遇到的软弱破碎、极硬花岗岩等典型不良地质及其对TBM掘进所带来的影响,在总结分析辽西北供水、引松供水、引洮供水等工程建设过程中出现的隧道局部塌方、TBM卡机等案例及其影响因素的基础上,以极端复杂地质条件TBM掘进关键技术为对象进行了系统研究论述,结果表明:(1)超前地质预报技术是TBM施工应对极端复杂地质的重要手段,但目前尚无法对前方中远距离地质状况进行准确量化预测;基于微震监测分析结果,根据可能发生的轻微、中等、强烈等不同等级的岩爆,制定对应处置措施;节理发育、炭质板岩、断层破碎带等不同软弱破碎地层,应采取针对性的防卡机措施,同时可根据不良地质段的长度来选择合适的脱困方案;(2)TBM推力、推进速度、刀盘转速及扭矩等掘进参数的异常波动,是表征掌子面前方地质条件状态的重要指标,TBM掘进前,根据前期预判的全断面硬岩、软弱破碎等围岩条件,分别选择合适的掘进参数;TBM掘进过程中,应基于掘进参数异常变化,纠正地质条件预判并采取对应的调控措施,进而确保TBM处于最佳掘进状态;(3)针对既有TBM难以适应现有地质条件的情况,以引洮供水隧洞、引红济石隧洞、引汉济渭隧洞等工程为例,对TBM改造技术进行了分析论述。最后,针对极端复杂地质条件下的TBM隧道工程建设新问题及其应对措施进行了展望与探讨。     

德国高速铁路岩溶隧道工程经验和施工方法

在德国新高速铁路线Nuremberg至Ingolstadt段的工程中,修建了总长约15 km的若干座隧道,最长的是7 250 m的Irlahüu隧道.该隧道是在喀斯特地质条件下开挖的.当时没想到喀斯特地质现象分布范围如此广泛,迫使业主、设计人员和承包商对该工程采取了一些新对策.他们研制了一些不同的机具来应付现场发生的问题.同时不得不增加了一些现场勘查工作以查清隧道附近的喀斯特现象.为确保该隧道的稳定性和服务能力,还必须找到一种新的确定施工事故概率的新方法.根据德国高速铁路Nuremberg至Ingolstadt段的隧道施工经验,本文将对两种隧道施工方法钻爆法(或新奥法)和TBM法进行讨论.     

隧道超前地质预报多源地震干涉法成像结果影响因素研究

多源地震干涉技术是近年来在地球物理领域新发展的一种探测方法。在隧道超前地质预报中,由于该方法能够直接利用爆破开挖或TBM滚刀破岩所产生的地震波对前方地质情况进行预测,既不影响隧道施工,又降低预报成本,因此具有广泛的应用前景。但由于实际震源的复杂性以及隧道施工环境对数据采集质量的影响,增加了地质预报成像的难度。文章基于数值模拟手段,对该方法在TBM施工及钻爆法施工环境下的理论效果进行了模拟,在此基础上主要对采集时长、震源激发延迟时间、震源点及接收点的位置分布等因素对成像结果的影响进行了研究。模拟分析结果能够为该方法的实际应用起到指导作用。     

西康铁路秦岭特长隧道I线出口段TBM施工

秦岭特长隧道是在我国铁路隧道中首次采用掘进机法(TBM)施工的隧道.I线出口段从1998年2月16日至1999年8月26日,共完成掘进5720.118m,平均月进度301.06m,平均日进度10.307m,最高月进度508.96m,最高日进度35.254m.文章分析了秦岭特长隧道I线出口段TBM施工的掘进进度以及掘进速度与围岩类别的关系,并在此基础上介绍了TBM通过不良地质地段的施工对策,为敞开式TBM在我国隧道工程中的应用提供了宝贵经验.     

秦岭终南山特长公路隧道东线进口钻爆法快速掘进关键施工技术

文章以秦岭终南山特长公路隧道进口段为例,阐述了采用钻爆法快速掘进施工技术的方法,包括通过缩短钻眼、装碴和运输时间组织快速掘进;分析确定隧道爆破参数,提高钻爆效果;计算选定机械化施工方案条件下的可行性通风方案;采取措施防治岩爆地质灾害等.     

铁路隧道钻爆法机械化修建设计关键技术北大核心CSCD

隧道钻爆法机械化修建方法是以全工序高效率大型机械配套为基础,用以解决复杂山区长大山岭隧道安全、优质、高效及经济等施工问题的一种技术方法。文章从隧道设计角度论述了钻爆法机械化修建面临的掌子面安全控制与洞身段变形控制两大关键挑战,并总结了以机械化全断面全地质型施工技术、掌子面稳定性评价方法、掌子面超前主动支护技术、掌子面超前支护“定量化”精准设计技术、低预应力锚杆主动支护技术、早高强喷混凝土主动支护技术、初期支护快速成环封闭技术、围岩形变压力计算方法等为核心的隧道钻爆法机械化修建设计关键技术,为推广应用隧道钻爆法机械化修建方法提供技术支撑。     

天山胜利特长公路隧道施工方法探讨

天山胜利隧道属特长、高寒、高海拔、高地应力公路隧道,为全线控制性工程,采用传统的钻爆法施工很难满足施工安全、工期、环保等要求。基于此,文章通过对前期拟定的4种施工方案进行工期、经济性、安全和质量管控等方面的对比分析,最终确定主洞采用钻爆法+平行中导洞采用TBM法的三洞方案,达到了经济合理、安全可靠、缩短工期的目的。     

履带式隧道四臂凿岩台车的研制

针对目前国内隧道掘进施工的现状及钻爆法掘进施工的特点,结合某高速公路隧道掘进施工工法及炮眼布置方案,研制开发出了一种结构简单可靠、移动方便、适用于公路隧道钻爆法掘进多台阶施工的四臂凿岩台车。现场试验表明,该凿岩台车能够有效地改善工人作业条件,降低劳动强度,实现隧道炮眼钻孔的安全高效施工。     

TBM掘进速率预测模型的比较

TBM钻掘隧道,对于地质状况非常敏感,营造厂在选择机器及投标时TBM的掘进速率预测是关键的,错误或误判可能会有严重的后果.文章将采用QTBM、NTNU及Alber三种预测模型预测曾文水库越域引水工程计划--东引水隧洞采用TBM挖掘所需工期及工程所需费用,并进行比较.NTNU模型与Alber模型所预测的掘进速率介于600～800 m/月之间,且不同的围岩所预测的掘进速率变化不大,即围岩性质对掘进速率不敏感,切刀推进力对掘进速率也不敏感;QTBM模型所预测的掘进速率变化很大,切刀推进力对掘进速率敏感;NTNU及Alber预测模型不适合用来预测有突水及严重挤压状况之TBM掘进速率,对于岩石坚硬但破碎之围岩亦不适合.     

某公路隧道施工方法及钻爆方案设计

文章以某公路隧道施工工程为例,针对不同的围岩级别及不良地质概况,提出采用台阶法、短台阶法、三台阶临时仰拱法进行公路隧道的开挖施工,并介绍了钻爆设计方案,为类似工程提供参考。