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。     

基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测

为准确判断和预测滚刀磨损生命周期,指导TBM安全、高效施工,采用现场跟踪试验和理论预测模型相结合的方法对滚刀磨 损进行分析研究。 由滚刀磨损机制分析得到,TBM滚刀磨损主要为磨粒磨损;基于滚刀破岩磨损现场跟踪试验,分析TBM滚刀磨 损失效形式,并结合刀盘刀具分布特点,研究滚刀磨损规律特性。 基于Rabinowicz磨粒磨损简化计算模型,引入CSM滚刀破岩模 型,构建滚刀磨损速率、线性磨损速率预测模型,对比分析高黎贡山正洞TBM 2 000 m掘进里程滚刀磨损实测数据与理论模型预测 结果。 结果表明: 1)正滚刀磨损发生规律性变化,中心滚刀易出现侧向滑移,边滚刀发生二次磨损; 2)TBM滚刀理论预测与实测 分析结果的相对误差小于10%,可准确预测滚刀磨损,同时得到正滚刀磨损速率与刀具、围岩物理参数具有相应的定量关系。     

狮子洋隧道陆地段盾构施工横向地表沉降研究

为了预测盾构隧道施工引起的地表横向沉降,针对狮子洋隧道陆地段DIK42+660断面地层,通过理论分析,利用Peck公式对该断面地表横向沉降量进行计算;通过数值模拟,利用ANSYS建立地层的有限元模型,并从数值模拟结果中获取地表单元的横向沉降量;最后通过与现场监测结果对比,对理论分析和数值模拟的地表横向沉降量预测方法进行评价。研究结果可为盾构隧道地表沉降的预测提供有效的方法。     

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。     

复杂地质条件TBM研制关键技术及应用

为解决高黎贡山隧道出口段软岩收敛卡机、破碎坍塌、岩爆片帮、高温热害、突泥涌水等不良地质TBM适应性差的问题，采用TBM适应性设计方法，提出并采用变截面抬升式开挖、水岩一体超前预报、隐藏式常态化超前钻探、前置式自动化湿喷、加强型大范围初期支护、通风系统强制制冷、刀盘刀具优化设计、物料快速运输等关键技术方案，联合研制出国产最大直径TBM（9.03 m）； 针对现场应用测试存在的部分问题，对TBM创新设计方案进行优化改进，使国产最大直径TBM在复杂地层前期应用中，取得月进尺400 m以上的掘进业绩。     

高黎贡山隧道高适应性TBM设计探讨

为了应对高黎贡山隧道“三高四活跃”的特殊地质条件,研制高适应性TBM迫在眉睫。通过对高黎贡山隧道TBM施工段地质特征的勘察,总结了高黎贡山隧道的主要不良地质条件,分析了TBM施工存在的软弱破碎和大变形围岩洞段TBM卡机、高地应力掌子面与护盾后方岩爆、围岩收敛挤压变形支护破坏、高压突涌水和高温热害等方面的施工风险。提出高适应性TBM的针对性设计方案,包括TBM支护系统设计、刀盘刀具设计、应对涌水设计、应对高地热设计以及其他适应性设计的初步方案。研究结果可为高黎贡山隧道高适应性TBM的设计选型和制造提供参考。     

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。     

基于宏观能量理论与微观磨损机制的滚刀磨损量预测

为了准确预测全断面岩石掘进机长距离掘进硬岩地层的滚刀更换与使用量,量化滚刀检修、更换的时间与费用,从滚刀磨损宏观能量转换入手,基于能量磨损理论,通过分析摩擦功与磨损体积之间的关系,建立滚刀宏观能量理论的磨损量预测模型;从滚刀磨损的微观磨损机制入手,基于磨粒磨损机制,通过分析微观磨粒犁沟与滚刀宏观磨损量的关系,建立滚刀微观磨损机制的磨损量预测模型。通过某引水隧洞工程的现场磨损数据与掘进参数对2种预测方法的可行性进行验证,结果表明:2种预测模型对滚刀磨损量的预估具有一定的参考;提高预测结果的准确性需通过实验方法建立关键参数的选取准则。     

引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

针对秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀消耗严重的问题,依托引汉济渭岭南TBM工程,通过对现场岩样和刀圈材料开展室内试验,明确岩石的磨蚀性能和刀圈的耐磨性能指标,发现岩石的磨蚀性由其抗压强度与矿物成分共同决定,刀圈的耐磨性主要取决于材料的成分及组织。通过对前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析,掌握各个刀位的磨损规律:1)正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长;边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大,两侧逐渐减小。2)与滚动距离磨损速率相比,破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度。3)重复磨损对边滚刀磨损影响较大,而通过在边缘区域增加滚刀数量来提高耐磨性的方法可以起到一定作用,但不能从根本上解决问题。