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。     

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Matlab的BP神经网络在预测TBM掘进速度中的应用

TBM的掘进效率受围岩特征和机器设备性能的影响,预测TBM的掘进速度需要考虑这两方面因素。由于地质环境具有不确定性,文章分别采用正态分布和指数分布模拟岩石单轴抗压强度UCS和岩石质量指标RQD的统计分布规律,利用Monte Carlo算法生成相应的随机输入参数;在考虑机器设备性能因素时,通过净推力和刀盘直径的比值,消除了不同机器设备之间性能因素的影响差异;基于围岩和机器性能两方面输入参数,在Matlab软件中建立了预测TBM掘进贯入度的BP神经网络模型。通过工程实例验证,模型的预测结果和实际情况比较接近。     

TBM掘进数据标准化预处理方法研究

TBM信息化采集了海量数据,对TBM数据的标准化预处理是进行诸多研究的前提.基于此,提出了一种TBM掘进数据标准化处理方法,依托TBM现场施工掘进大数据,以破岩特征为依据选取基本掘进参数(刀盘转速、推进速度、刀盘推力及刀盘扭矩)分析掘进过程TBM数据特点,提出循环掘进过程空推段、上升段、稳定段及下降段起点的判别方法,对...     

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。     

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。     

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。     

岩质地层盾构掘进施工控制参数分析

盾构机掘进施工参数的影响因素繁多,盾构机各参数之间的相关性研究主要以理论分析为主,盾构掘进施工参数的影响因素与影响机制难以阐明。文章对大连岩质地层中土压平衡盾构掘进施工控制参数进行了收集与分析,结果表明:盾构机的总推力与顶推速度、刀盘转速与刀盘扭矩以及螺旋输送机转速与其扭矩的相关性均不显著;因岩质地层中土拱效应明显,盾壳与围岩之间的摩阻力较小,总推力主要用于提供刀盘与开挖面之间的水平相互作用力;盾构机的螺旋输送机转速与盾构机顶推速度之间的相关性显著;螺旋输送机通过转速来调整土舱饱满度,进而影响开挖面上被切削的土体进入土舱内的难易程度,因此螺旋输送机的渣土输出效率对顶推速度与刀盘扭矩影响明显。     

TBM掘进数据标准化预处理方法研究北大核心CSCD

TBM信息化采集了海量数据,对TBM数据的标准化预处理是进行诸多研究的前提。基于此,提出了一种TBM掘进数据标准化处理方法,依托TBM现场施工掘进大数据,以破岩特征为依据选取基本掘进参数(刀盘转速、推进速度、刀盘推力及刀盘扭矩)分析掘进过程TBM数据特点,提出循环掘进过程空推段、上升段、稳定段及下降段起点的判别方法,对稳定段起点提出了标准差法判别方法、均值判别方法、直方图判别方法,满足实时和非实时的数据划分需求。最后对两个TBM工程的数据进行标准化预处理,实现施工大数据的标准化。结果表明,提出的标准化预处理方法可实现循环掘进过程数据的有效划分。研究成果可推广应用于众多TBM工程的数据标准化处理,有效实现机器学习数据库的建立。     

节理岩体中TBM掘进施工围岩稳定性及可视化分析

节理岩体的地质赋存特征含岩体结构、原岩应力场和地下水三方面,由此产生诸如破碎带、大变形软岩、富水带等恶劣的工程地质条件。TBM在节理岩体中掘进受到岩体地质特征和工程地质条件的影响,同时也对岩体造成一定的扰动,可能将导致隧道围岩发生失稳。另外,地质勘探不到位、掘进机选型不当等因素也会导致或促进围岩发生失稳。TBM掘进围岩失稳的形式主要有开挖面失稳和洞周失稳,以及二者兼有的大型围岩失稳。为了更直观地观察TBM掘进围岩失稳,文章采用自主研发的块体理论分析软件BLKLAB对节理岩体进行三维可视化建模,模拟TBM隧道开挖,并根据块体理论计算分析得到了开挖面和洞周的可动块体和关键块体。     

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.     

泡沫剂对土压平衡盾构主要掘进参数的影响研究

为实现土压平衡盾构快速高效掘进,文章依托厦门地铁2号线3标湿地公园站—五缘湾站区间盾构施工,进行盾构主要掘进参数的影响因素研究,分析了泡沫剂参数与盾构掘进参数的内在关系。通过4种泡沫剂的室内配比试验,并结合现场试验,研究泡沫剂浓度、气液比和泡沫注入比对改良土体的内摩擦角和容重的影响。结果表明,泡沫剂浓度增大1%,渣土内摩擦角减小约2.43°;泡沫剂各参数对刀盘扭矩影响程度是泡沫浓度泡沫流量膨胀率,对盾构推力影响程度是泡沫浓度膨胀率泡沫流量,泡沫浓度对两个掘进参数的影响都最大。当采用改变泡沫系统参数来改善掘进状况时,优先选择改变与掘进参数具有显著线性关系的泡沫浓度,来控制盾构推力和刀盘扭矩达到合理的数值范围,保证盾构安全、顺利掘进。在该工程施工中,泡沫浓度每提高1%,盾构推力平均减小约1 710 kN,刀盘扭矩平均减小约316 kN·m。     

基于TBM工法的隧洞工程进度定量分析——以引红济石隧洞工程TBM段为例

文章结合QTBM理论,对引红济石隧洞工程前期的开挖进度数据进行了分析统计,结果表明:该工区TBM在Ⅲ类、Ⅳ类围岩中掘进速率较为稳定,而在V类围岩中掘进速率较低;同时,获得了适合该工区的岩体品质参数以及TBM净掘进速率、平均使用率等相关参数;并据此对该工程TBM待开挖段的工程进度进行预测,预测表明剩余6600m的开挖尚需...     

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.     

不同围压下节理岩体中TBM滚刀破岩效率研究

为提高TBM掘进效率,降低TBM施工成本,有必要研究节理岩体中的滚刀破岩效率。为此,文章采用二维离散元软件UDEC研究在不同围压下,节理间距、节理倾角、滚刀间距及贯入度对破岩效率的影响规律。研究表明:(1)节理倾角以30°附近为界向上增加或向下减小,比能耗随围压增加而减小的趋势变缓,并且在接近90°和0°时,围压的增加对滚刀破岩呈现不利影响;(2)节理岩体节理间距越小,比能耗受围压影响越明显。随着节理间距的增加,围压对比能耗的影响逐渐弱化,直至消失;(3)节理倾角0°附近,在满足安装要求的情况下滚刀间距宜取小值;节理倾角30°附近,刀间距100 mm左右时比能耗最小;节理倾角60°时,刀间距120 mm左右比能耗最小;(4)在滚刀之间裂隙贯通的前提下,节理岩体取较小贯入度时破岩效率较高。     

兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM1施工段关键技术研究

兰州市水源地建设工程输水隧洞TBM1施工段工程地质条件、工程设计和布置较为复杂,施工中面临连续皮带机出碴、变坡段排水、不良地质段处理、超前地质预报等关键技术问题。通过对上述问题的分析研究,文章提出了针对性的处理措施或方法:重点关注转弯段及上坡段连续皮带机的稳定运行,针对常见故障提出了相应处理方法;设计了TBM支洞下坡段及主洞上坡段掘进的排水系统;TBM掘进过程中采用地质分析、施工地质描述、物探方法相结合的综合超前地质预报方法对掌子面前方的地质条件进行预报,根据预报结果采取针对性的应对措施,避免或减轻地质灾害的发生。TBM1的掘进实践表明,所采取的措施效果良好,保障了TBM1快速、安全施工。     

预测TBM掘进速率的难点及对策研究

结合TBM施工方法的特点,分析研究了制约准确预测掘进速率的三个因素:岩体条件的不确定性、机一岩相互作用的复杂性和施工过程的多变性.以Maen隧道为例研究发现.TBM的净掘进速率PR分布具有随机性.根据这一特点,提出了基于风险评估方法的TBM施工决策方法,即应用定量的风险评估方法(DAT模型)来预测采用TBM施工的工期和成本的概率分布情况.业主和施工方可以据此来决策是否选择用TBM法,从而实现是否选用TBM法施工的科学决策.     

基于相关向量机的TBM掘进速度预测模型

TBM具有安全性强、施工效率高等优点,在隧道施工尤其是长距离隧道施工中得到广泛应用。TBM掘进速度受多个因素影响,各因素本身除了具有较强的不确定性以外,还存在着复杂的关联关系,难以建立精准的速度预测模型。文章提出一种基于相关向量机的TBM掘进速度预测模型,该模型通过对样本的学习,可以建立各因素与掘进速度的非线性映射关系,精准预测仅知道影响因素的预测样本。将该模型应用于TBM掘进速度预测,结果表明,该方法具有精度高、容易实现和离散性小等优点,为TBM掘进速度预测提供了一条新途径。     

复合式土压平衡盾构机在高强度硬岩中的掘进技术分析与研究

硬岩局部侵入地铁隧道开挖断面,往往对盾构顺利掘进提出较大挑战。盾构通过硬岩段时存在的主要问题是滚刀非正常磨损严重,开挖系统综合性能大大降低,造成推进参数异常、贯入度小、掘进速度极低等问题。文章依托深圳地铁9号线工程,对复合土压平衡式盾构掘进通过高强度花岗岩地层时遇到的主要问题和原因进行了分析,提出了应对措施,通过合理配置刀具、及时更换刀具以及合理确定掘进参数确保了盾构安全顺利通过硬岩段。     

钻爆法和TBM两种不同施工方法下深埋高外水压力隧洞的破坏特点及其力学机制分析

钻爆法和TBM法是地下工程掘进的两种主要方法,其对围岩扰动程度、加固措施有显著影响。文章以四条平行分布且分别采用TBM法和钻爆法掘进的大型隧洞为研究对象,进行同一地质条件下不同开挖方法对围岩破坏的影响研究。通过大量地质资料的统计处理、力学分析,总结了围岩的破坏方式,并归纳对比两种不同施工方法对围岩影响的共性特征,包括破坏部位相同、破坏面积相近、破坏坑深相近。另外,对比了两种方法对围岩影响的差异性,包括TBM施工时二次破坏范围比钻爆法的二次破坏范围大,并且易于产生岩爆和应力型破坏,但钻爆法施工时岩体易发生结构面型破坏。在此基础上,分析了各种破坏现象的力学机制,研究成果可为同类工程的施工和加固提供参考。