新街台格庙矿区斜井隧道双模式盾构关键掘进参数配置研究

为了解决盾构关键掘进参数的合理配置问题,实现盾构在不同地层条件下安全、快速、高效掘进,以新街矿区斜井隧道工程为依托,在研究斜井隧道工程地质条件的基础上,提出了双模盾构掘进参数配置的原则;分析计算双模式盾构在2种掘进模式下的最大切深、土舱压力以及盾构推力、刀盘扭矩等关键掘进参数,确定了在EPB模式和单护盾TBM模式下的最大切深分别为28r/min和19 r/min,并提出了在6个地质区间下双模盾构关键掘进参数的配置建议。     

基于CSM改进模型的TBM刀盘关键参数相关性研究

为掌握TBM掘进参数与地质参数、操作参数、刀盘刀具设计参数的相关性，基于滚刀受力CSM模型，通过近似计算与推导，建立了滚刀破岩力与结构参数、TBM操作参数、地层强度参数σc的定量关系模型。同时，通过室内缩尺滚刀试验，对推导的模型参数关系进行验证。针对TBM掘进参数与围岩条件的匹配性关系，以大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工为依托，通过数据统计分析与对比，提出使用转矩与推力的比值作为判断地层完整性发生变化的依据。     

TBM掘进模态综合实验平台升级改造研究

为建立全断面岩石隧道掘进机刀盘不同位置滚刀载荷分布规律，防止TBM滚刀及刀座频繁过载失效，通过对TBM掘进模态综合实验平台升级改造，研发了单把滚刀载荷测试方法，实现了单刃滚刀、中心双联滚刀以及不同规格滚刀载荷的直接获取； 开发了滚刀载荷和转速监测系统，实现了滚刀载荷和转速数据的实时采集和无线传输； 制造了可安装不同规格滚刀、刀间距和刀高差可调的多功能刀盘，实现了刀盘刀具多种方式布置。TBM掘进模态综合实验平台的升级改造为TBM刀盘不同位置滚刀载荷分布规律、刀盘刀具布置等滚刀破岩理论的研究提供了实验工具，为TBM滚刀载荷实时监测提供了新方法。     

基于线性回归法的TBM滚刀贯入度预测研究

为解决盾构施工中全断面隧道掘进机(TBM)滚刀贯入度的预测问题,使其更好地应用于所处地层,依托深圳地铁6号线的相关数据及中铁TBM云管理平台的数据处理功能,定性分析TBM破岩过程,并将破岩的宏观过程划分为3个阶段;采用线性回归方法,依次从贯入度与掘进推力的关系、贯入度与刀盘转矩的关系对TBM滚刀贯入度的变化情况进行量化分析,并在这一过程中推导得到TBM掘进的贯入度与推力、转矩的参数预测模型,并结合现场实测结果对线性回归法的预测结果进行验证。结果表明:1)TBM在不同阶段的贯入度、推力及转矩均有不同程度的变化,且相互之间存在一定的关联;2)掘进参数的线性回归预测模型经过验证是合理的,表明线性回归法适用于TBM掘进参数的预测,可视具体情况为隧道工程实施阶段掘进参数的调整提供理论指导和参考。     

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。     

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。     

大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统设计与应用———以杭州望江路过江隧道工程为例

在盾构施工过程中,刀盘温度的异常升高会导致刀盘磨损加剧,甚至造成刀盘变形,严重影响盾构施工及安全。为了实时监 测盾构刀盘温度,避免刀盘温度过高所带来的危害,以杭州市望江路过江隧道工程为依托,建立一套大直径泥水盾构常压刀盘温度 在线监测系统,结合无线传输技术,利用安装在刀盘背面的传感器收集刀盘温度数据,并对数据进行整理和分析。结果表明: 1)该 系统能避免信号屏蔽和泥水盾构掘进的干扰,长时间稳定监测刀盘温度; 2)盾构单环掘进时,刀盘温度呈周期性变化,与盾构工作 流程相匹配; 3)盾构连续掘进时,掘进产生的热量会在刀盘上稳定积累,使得刀盘温度曲线的峰值持续升高; 4)在刀盘温度异常升 高时,通过向刀盘注入分散剂,并观察刀盘温度变化,可以对刀盘形成泥饼和前方地质突变2 种情况进行区分。本文设计的刀盘温 度在线监测系统可以用于分析刀盘情况、判断地质变化和调节掘进参数。     

大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

为了研究中铁工程装备集团有限公司自主研制的首台TBM的各项技术特点与工程适应性,结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况,分析了TBM掘进地层特点以及主要设计参数。引松供水工程四标段掘进岩层复杂多变,富含大量断层破碎地层以及风化灰岩地层,部分地层岩石强度大且石英含量高,对TBM刀盘及刀具要求极高,TBM刀盘面板采用270 mm厚板设计,且刀座基座直接在刀盘面板上加工而成,刀具按非线性方式布置且刀间距控制在82~90 mm;设计了有效的TBM初期支护系统和材料运输平台,并且搭载了激发极化超前地质预报系统。工程掘进结果表明： 该台TBM刀盘设计可靠性强且能保证高效破岩,创造了最高月进尺1 226 m、日进尺70.8 m的优异成绩,TBM在不良地质下支护高效快速,超前地质探测结果可靠,各系统运行情况良好。     

盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

北京地铁九号线玉渊潭区间在富水条件下穿越砾岩及卵砾、圆砾地层,该区域间分布有连续、粒径超过1 000 mm的漂石,可见漂石粒径有1 500 mm×1 700 mm,且区间隧道大部分处于高透水地层中。为保证盾构在施工过程中能安全、顺利掘进,通过分析常规破岩机制和盾构破岩机制,最终选择了尖锐划割挤压破碎机制。通过对盾构设备进行改进、设定盾构推进参数、掘进管理及其他辅助技术的改革,解决了用盾构刀盘、刀具连续破碎漂石、孤石等技术难题。通过对进度、刀盘刀具磨损情况等推进情况进行分析,并对盾构刀盘刀具的磨损情况等进行仿真验证,可知撕裂刀在解决漂石破碎、孤石等起了重要作用,最后对盾构设备及刀盘刀具的优化等提出了建议。     

大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术

为解决大直径土压盾构在大粒径富水卵石、漂石土地层条件下刀盘刀具磨损严重、刀盘被卡、地表塌陷、渣土喷涌等工程难题,结合都四山地轨道交通项目DSZQ-1标永丰站—蒲阳站区间盾构隧道工程的施工情况,从盾构选型设计、超前地质预警处理、掘进参数选择、渣土改良、螺机防喷涌等方面进行研究,总结出都江堰地区大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术,为后续工程在此类地层施工提供了借鉴依据。     

孤石与基岩爆破处理对泥水盾构掘进参数的影响分析

为有效降低海底复杂地层中盾构开挖范围内遇到的孤石或基岩突起对盾构刀具的损坏程度,降低施工风险和提高施工效率,以台山核电站1#、2#海底取水隧洞工程为依托,采用钻探和物探的方法确定孤石和基岩的分布规律,并制定陆地和海面钻孔爆破处理方案。通过对孤石群和基岩段爆破前后盾构掘进过程中的掘进速度、每环掘进时间、掘进推力等掘进参数进行对比分析可知： 1）爆破后基岩段盾构掘进速度提高了约68.2%,平均每环掘进时间节省了约45.1%,平均掘进推力降低了约11.5%; 2）孤石群爆破段与正常掘进段盾构参数基本一致; 3）孤石群和基岩爆破达到了预期效果,消除了基岩突起和孤石群对盾构掘进的威胁,保证了盾构掘进的顺利施工。     

固结黏土地层盾构直接破除排水板关键技术研究

宁波地铁5号线1期下穿高速公路路基时存在68°斜交长40 m的含塑料排水板的固结黏土地层，为研究盾构直接通过可行性、刀具选型、施工参数优化等问题，利用TBM掘进模态综合试验平台，进行了不同类型刀具、不同掘进参数的固结黏土地层排水板破除试验。研究表明： 对于含排水板的固结黏土地层，在合理选择刀具、盾构参数并优化掘进参数情况下，盾构法施工直接破除基本可行，试验为宁波地铁工程建设提供了依据，也可为类似工程设计及施工提供参考。     

水下隧道工程实践面临的挑战、对策及思考

首先介绍钻爆法、TBM/盾构法以及沉管法3种主要水下隧道建设方法的优点及不足,进而从地质条件、水流速度、水面交通、隧道埋深、通行车道数量、渗漏情况、工程总量、施工工期、施工安全、工程造价等方面对3种修建方法进行对比分析。最后重点分析当前水下隧道工程建设过程中存在的主要挑战与相应对策,主要包括:沉管法施工中河床冲刷、管段局部高出河床、埋深增大的挑战及对策,盾构穿越浅覆土层、刀盘刀具磨损、埋深提高、轴承损坏及盾构通过断层和破碎地层施工中的挑战与对策。     

复杂地质条件下TBM刀具失效形式及原因分析与应对措施

为研究分析复杂地质条件、不合理掘进参数等与TBM刀具异常损坏、刀具消耗的关系，以利于TBM掘进效率和施工成本的控制，在系统阐述TBM刀具常见失效形式的基础上，研究分析总推力、刀盘转速、刀具贯入度等掘进参数及不同围岩单轴抗压强度、石英质量分数等地质参数对刀具磨损及异常损坏的影响规律。以引汉济渭秦岭隧洞和中天山隧道工程为例，对刀具消耗及失效形式进行统计分析，并从刀具选型、检查及维修等方面，提出针对性的优化方法。最后，基于目前刀具配置及监测技术存在不足的现状，提出应进一步研发刀间距可调的刀具配置技术，以确保不同地质条件下的刀具破岩效率；同时，加强对TBM工作环境具有较强适应性的新型刀具状态监测系统的研发及应用。     

国产双护盾TBM在兰州市水源地建设工程中的应用

为了研究国产双护盾TBM的工程适应性,结合TBM在兰州市水源地建设工程中的实际应用情况,分析了双护盾TBM掘进段的地质特点,并采取了针对性设计。TBM采用成熟的硬岩刀盘结构形式,滚刀刀座在锻造厚板上一次加工成型,减少焊接量;刀具按照非线性布置,刀间距控制在86 mm以下(含中心刀);主机采取多种针对性设计降低卡盾风险,并预留充足的应急处理接口;后配套系统采用平台式拖车结构,尾部连接四轨双线式会车平台。实践证明,该TBM在兰州市水源地建设工程中具有良好的地质适应性。     

中国盾构和掘进机隧道技术现状、存在的问题及发展思路

简要分析我国盾构、掘进机隧道修建技术的现状,包括水下盾构隧道、地铁盾构、TBM隧道和山岭TBM隧道的技术现状。通过列举典型工程案例,分析总结我国盾构、掘进机隧道技术存在的问题:1)水底公路隧道盾构直径过大,2)单层管片衬砌的耐久性不足,3)护盾式TBM有很多局限性,4)土压平衡盾构不是万能的,5)隧道线路标高选择不合理,6)工程建设中存在4大不合理。针对这些问题提出解决建议:1)一般情况下,水底公路隧道盾构直径不宜超过12 m;2)增设二次模筑混凝土衬砌,形成复合衬砌结构;3)取消护盾式TBM,提倡采用开敞式TBM;4)盾构选型时,应同时考虑比选泥水盾构、土压盾构和开敞式无刀盘盾构;5)避开在岩层交界面上选线;6)工程建设一定要坚持科学发展观。为盾构、掘进机隧道的设计和施工提出新思路,包括:1)无刀盘的开敞式网格盾构,2)压缩混凝土衬砌,3)TBM导洞超前再钻爆法扩挖,4)风井始发盾构。最后,指出大直径盾构不是发展方向,长距离掘进(2 km)时,深埋盾构施工才是发展方向;并提出琼州海峡隧道采用盾构法施工(深埋优于浅埋),渤海湾海峡海底隧道采用直径为10 m的TBM+钻爆法施工,台湾海峡隧道采用深埋方案开敞式TBM+钻爆法施工的想法。     

双护盾TBM在深圳地铁应用中存在的问题及对策

为解决双护盾TBM在城市地铁施工中始发困难、极限小转弯半径、穿越极硬岩及断层破碎带等工程难题，结合双护盾TBM在深圳地区的应用需求，研究双护盾TBM在深圳地铁施工中存在的问题及对策。1)提出双护盾TBM在R260 m极限小转弯半径施工中的刀具磨损消耗规律、步进控制措施及测量顶台振动解决方案； 2)提出一种分体始发技术方案以解决双护盾TBM始发场地狭小、空间受限问题； 3)提出在210 MPa极硬岩工况下双护盾TBM的针对性设计及刀具优化改进措施； 4)提出双护盾TBM穿越断层破碎带掘进参数建议及应对策略。     

复杂地层盾构掘进速率和刀盘扭矩预测模型及其地层适应性研究

以复杂地层地质分段为基础,统计不同地质分段的盾构掘进参数,开展针对盾构掘进速率与刀盘扭矩的多元回归分析,得到适用于复杂地层的掘进参数回归模型,并分析回归模型系数与全断面等效岩体基本质量指标间的相关性。研究表明： 全断面等效岩体基本质量指标考虑了复杂地层中不同区段掌子面内各地层面积占比差异,可作为地质分段标准; 掘进速率与刀盘扭矩的回归预测值与实测值间相对误差较小,回归模型对均质地层及复合地层均有较好的拟合精度; 围岩等级提高时,掘进速率、刀盘扭矩回归模型系数具有明显的分段变化特征。其量化结论可用于定量预测不同地层盾构掘进参数,以提高盾构施工效率。     

上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究

基于国内上软下硬地层盾构隧道典型工程案例，对上软下硬地层盾构工程案例区域分布特点及发展趋势、施工主要问题及其产生的原因进行分析。在此基础上，分别从隧道设计、盾构设计及工程实施的角度提出相应的对策措施，并结合相应的工程实例进行阐述。 研究得到上软下硬地层盾构实施主要问题，包括刀盘刀具磨损、刀盘结泥饼、刀盘卡死、排土器喷涌、盾构掘进姿态不良、衬砌损坏、地表沉降过大等方面。针对这些问题，采取如下措施： 1）隧道设计上可采取线型避让、特殊地层预处理、隧道结构特殊构造设计进行应对； 2）盾构制造上应充分考虑刀盘刀具、盾构机驱动、防冲刷及泡沫注入口的优化和超前地质探测装置的增设； 3）在施工上应优化施工参数，加强巡视和监测，做好应急预案。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。