TBM施工超硬岩分类指标和确定方法研究

超硬岩分类指标和确定方法是TBM施工围岩分类需要关注的重要问题。完整岩体中隧洞施工，岩石坚硬程度和摩擦性是影响TBM掘进状态的主因。基于国内外TBM掘进预测模型和典型工程实测数据，重点分析岩石单轴抗压强度与TBM净掘进速度、现场贯入度指数的关系和敏感性，分析岩石摩擦性和TBM刀具磨损程度，讨论适用于划分超硬岩类别的阈值。综合分析岩石坚硬程度和摩擦性对TBM施工的影响，提出2类超硬岩划分标准： 一类是单独由岩石坚硬程度决定的超硬岩（H₁），建议按单轴抗压强度UCS>200 MPa确定； 另一类是由岩石坚硬程度和摩擦性共同决定的超硬岩（H₂），建议按单轴抗压强度UCS>150 MPa且摩擦性指数CAI>4.0确定。     

CCS水电站引水隧洞双护盾TBM施工围岩分类研究

为了对双护盾TBM隧洞施工中的围岩进行分类,以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,参考RMR围岩分类方法,通过伸缩护盾的间隙和刀盘的空隙对洞壁和掌子面围岩进行观测,结合岩渣及掘进参数,获取岩石的质量指标RQD、节理间距和节理性状等信息。通过综合分析,选取岩石的回弹值、围岩的完整性、岩石的质量指标RQD、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量和地下水渗流量作为围岩分类的指标,然后对7个指标分别赋值,建立围岩的分类标准,并通过求和的方法进行综合围岩分类。分类结果表明:选取的7个指标可以克服双护盾TBM施工时无法对围岩进行全面地质素描的困难,可以满足TBM快速施工的需要,并且能较真实地反映围岩的情况,分类结果可靠。     

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。     

TBM施工条件下隧洞围岩分级方法研究与应用

隧洞围岩如何分级(或称分类),才能满足TBM施工条件下的隧洞施工需要,是一值得研究的问题。结合大伙房输水工程对TBM施工条件下的隧洞围岩分级,主要针对工程岩体的可掘进性进行研究,并在此基础上进行支护结构设计,这对TBM隧洞围岩的分级方法进一步研究和TBM隧洞施工都有利。     

双护盾TBM在青岛地铁的适应性研究

为了解决复杂硬岩地质条件下城市地铁隧道能够安全、快速地开挖建设,以青岛地铁2号线双护盾TBM施工为研究对象,通过对TBM掘进过程中施工数据的控制和分析,得出双护盾TBM可良好适应于青岛地铁隧道施工掘进。通过施工实践,针对小半径曲线隧道和破碎围岩条件下的双护盾TBM掘进作业提出了施工对策和建议。     

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。     

适用于超小转弯半径的紧凑型TBM设计关键技术研究及应用——以山东文登抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程为例

为解决全断面硬岩掘进机(TBM)在抽水蓄能电站应用受限的难题,研究设计一种可实现超小转弯半径的紧凑型TBM。首先,结合抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程的地质条件和特点,对紧凑型TBM设计特点进行分析,提出紧凑型TBM应用于抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程时需要考虑和解决的关键问题,例如刀盘破岩能力、小半径曲线掘进及过站施工工艺等,以提高紧凑型TBM的适应性及成洞效率;然后,对紧凑型TBM小半径转弯掘进、快速过站和高效破岩等针对性设计和优化改进措施进行研究,包括新型推进系统设计、超小转弯半径自动导向系统设计、一体化皮带机设计、一字布置单片式TBM中心刀、偏刃滚刀结构设计等;最后,通过自主研制的紧凑型TBM在文登抽水蓄能电站排水廊道隧洞工程的实际应用证明,紧凑型TBM具有良好的地质适应性和高效的机械化施工优势。     

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。     

软弱千枚岩地段TBM掘进施工技术

为提高TBM在软弱千枚岩地段中的掘进速度,提高施工效益,从施工组织管理、调整TBM掘进参数、围岩坍塌的快速处理和设备改造4个方面介绍TBM在这种围岩中掘进的施工措施及技术。实践证明:通过设备改造和采用合理的掘进参数,能有效地提高TBM在软弱千枚岩地段中的掘进速度和施工效益。     

中国TBM施工技术进展、挑战及对策

总结我国近30年来TBM设计与施工技术的发展历程,可归纳为以下5个阶段:1)研发探索和试用阶段;2)以国外施工承包商为主体,采用国外设计制造TBM施工我国隧道工程阶段;3)独立进行TBM招标采购和选型设计,并建立起自主的TBM施工队伍阶段;4)与国外厂家联合设计制造TBM,工程应用和自主施工快速发展阶段;5)实现TBM国产化,面向国内外TBM工程市场自主施工阶段。通过我国不同时期TBM施工的典型工程,介绍我国在复杂地质、大坡度、高海拔、不同直径、不同机型、超长隧洞TBM施工方面取得的经验、技术积累和业绩,展示我国TBM在穿越断层破碎带、软弱变形、岩爆、涌水等不良地质洞段取得的一系列施工新技术,以及最高月进尺1 868 m、平均月进尺超过600 m和掘进作业利用率超过40%的掘进技术水平。分析TBM在极硬岩、大断层破碎带、软弱大变形围岩、强岩爆围岩、涌水突泥洞段、高地热隧洞和超长隧洞工程中施工面临的风险和挑战,并提出一些相应的技术措施和对策,期望这些措施和对策在未来大量实际工程中进一步得到实践验证、优化和改进,不断积累和创新TBM设计与施工新技术。     

极端复杂地质TBM研制及高效施工关键技术

为解决全断面硬岩掘进机在极端复杂地质掘进效率低下的难题，考虑极端复杂地质环境条件和全断面硬岩掘进机技术特点，首先，制定极端复杂地质全断面硬岩掘进机技术指标，研制极端复杂地质全断面硬岩掘进机，提出变截面收敛地层扩挖技术；然后，基于破碎围岩地质特征，建立关键参数控制、小导管化学灌浆、管棚注浆、小导洞开挖技术协同作业方法，并应用于解决破碎围岩地层；针对岩渣堆积掘进效率低下的问题，建立机械除渣和皮带机出渣联合清渣模式；最后，通过高黎贡山极端复杂地质掘进验证了本文研究成果。结果表明： 1）全断面硬岩掘进机在Ⅱ、Ⅲ级围岩条件具有较高的进尺速度，设备完好率较高； 2）Ⅳ、Ⅴ级围岩为主的破碎地层具有较好的适应性，实现刀具磨损一般的情况下最高月进尺达到了438 m，平均月进尺为412 m，表明具有良好的地质适应性。     

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。     

超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析

北疆供水二期工程总长540 km,主要由西二隧洞(139.04 km)、喀双隧洞(283.27 km)和双三隧洞(92.15 km)组成,隧洞占总长度的95.6%,均为深埋超特长隧洞,其中喀双隧洞是目前世界上已建和在建的最长输水隧洞。分析本工程的特点及地质情况,得出主要施工难题为长距离掘进关键设备耐久性、穿越断层破碎带、围岩突涌水防控、长距离独头通风及运输、反坡排水、破岩效率及快速掘进等。试掘进结果表明:1)勘察设计提供的地质情况与施工揭示的地质情况基本一致,这为高效掘进提供了基本条件。2)敞开式TBM能较好地适应Ⅱ、Ⅲ类围岩、节理裂隙带及小规模断层;而对于规模较大的断层破碎带及富水地层,则适应性较差,还有待于从设备、支护及施工技术方面加以改进。3)试掘进阶段TBM设备系统平均完好率达89.9%,但仍有一些设备故障率较高,有的还出现了主轴承密封圈漏油现象;为了实现长距离掘进,还需进一步提高设备的可靠性和耐久性。4)试掘进阶段平均纯掘进时间占比为29.6%,其中双三Ⅱ标TBM1平均纯掘进时间占比高达45.2%,最高月进尺达到1 280 m,创造了国内同类地质条件掘进最高记录。5)随着掘进进尺的不断增加,TBM集群要达到设备系统90%以上的完好率、支撑40%以上的纯掘进工时率的目标,还需要付出巨大努力。     

喜马拉雅山区域深埋软硬互层地质条件下敞开式TBM施工方法研究

针对敞开式TBM在深埋软硬互层围岩地质条件下遇到的技术难题,以喜马拉雅山区域某深埋水工隧洞为背景,分析了深埋软硬互层围岩地质条件下软岩对TBM掘进的影响及表现特征,提出了针对性的解决措施并成功实践。研究发现:由于岩层软硬相间变化频繁,造成软岩灾害在空间上随机分布;在大埋深高地应力洞段,软岩地层一般具有遇水崩解软化效应显著、变形快、"泥裹刀"现象严重、向外鼓胀崩解、难以出渣及塌方频发的特点,严重制约TBM快速掘进。通过实例分析总结了软硬互层围岩地质条件下顺利通过软岩的施工方法,采取分区段动态调整施工对策以适应深埋软硬互层复杂地质条件,可为国内外类似工程提供借鉴。     

TBM施工引水隧洞降温技术研究

TBM施工时,岩温和机械发热所产生的大量热量会导致隧洞内的温度环境恶化,TBM掘进面附近的温度控制是影响连续长距离掘进的重要因素之一。为制定合理的TBM施工段降温措施,采用传热学理论,对采用压入式独头通风的TBM施工隧洞内的温度分布规律进行研究,并以引汉济渭岭北段TBM 5#斜井工区为例进行验证。通过引入空调工程中焓值的概念,确定TBM隧洞人工降温的冷负荷,对常见的降温措施进行对比讨论,进而确定TBM施工隧洞的降温措施。研究表明： 隧洞内的空气温度与隧洞壁温、通风风温、通风风量、盾构的发热功率、隧洞周长、通风长度、风管侧壁传热系数和隧洞侧壁的换热系数等参数有关;对于TBM掘进面附近高温、高湿的环境,只能采取人工制冷降温措施进行降温     

基于RMR岩体分级系统的TBM掘进性能参数预测

为解决由于地质条件原因造成TBM掘进效率低下的问题,基于吉林引松供水工程建立的TBM数据库,提出应用RMR岩体分级系统对TBM的掘进性能参数进行预测。通过回归分析的方法分别建立了RMR与TBM性能预测参数掘进速率(PR)、施工进度(AR)、利用率(U)以及贯入度指数(FPI)的经验公式。研究结果表明:RMR与PR、AR、U均呈现二次相关关系,RMR与FPI为线性关系,且相关系数均大于0.7;当RMR=50~70时,岩体具有较好的可掘性;当岩体条件较差(RMR30~40)或者岩体条件极好(RMR70~80)时,岩体的可掘性均较差;吉林引松工程TBM掘进的平均利用率为22.36%,与地质条件相关的停工时间约占总工期的25.97%。     

高岩温TBM施工隧道的通风效果研究

为了在高温环境下保证施工人员健康和TBM的正常使用,对国内外高岩温隧道热害展开调研,采用理论分析和数学计算的方法,提出了高岩温TBM施工通风效果计算模型,对不同岩温、不同风量和不同风温条件下的掘进段通风效果进行计算分析。研究结果表明:围岩放热是高岩温TBM施工隧道的主要热源,在无通风条件下进行TBM施工时,预测空气温度与周围岩温基本呈线性递增关系;增大通风量可较大程度地改善高岩温隧洞空气温度,但是单纯地加大送风量不具有经济性。     

节理密集带地质硬岩TBM刀盘损坏形式及对策

为解决硬岩TBM在硬岩节理密集带地质段施工时,刀盘刀具损坏严重、施工效率低下、施工成本增加问题,针对中天山铁路工程硬岩TBM节理密集段现场施工情况,分析刀盘刀具的主要损坏形式及主要原因,并采取相应的改进措施,使硬岩TBM在节理密集带地质段掘进顺利进行,保证了施工进度,降低了施工成本,对类似工程具有一定的借鉴作用。     

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。