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。     

复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞建设需研究的关键技术问题

我国兴建或拟建的若干长距离调水工程中的调水输水隧洞受选线制约,多要穿越地质构造背景复杂的山岭地区,面临自然环境恶劣、地震烈度高、地形地质条件复杂等诸多不利因素,工程建设难度及运营风险大。总结复杂地质条件下跨流域调水超长深埋隧洞建设需研究的关键技术问题,包括深埋隧洞工程的勘探、试验及测试技术,深埋隧洞围岩大变形及岩爆预测与防控技术,隧洞穿越活断层围岩-衬砌灾变机制与抗断技术,深埋隧洞围岩-支护体系协同承载机制与全寿命设计理论及方法,高压水害等不良地质条件下深埋长隧洞施工灾害处治技术5个方面,指出需要解决的工程科学技术问题及发展方向,为超长深埋隧洞工程建设提供一些参考。     

厄瓜多尔CCS水电站TBM法施工引水隧洞工程地质条件及问题初步研究

TBM法隧洞施工具有快速、高效、安全和环保的技术特点,但TBM施工地质适应性差,往往由于工程地质条件原因影响TBM的掘进效率,在TBM施工之前非常有必要对工程地质条件进行研究。以厄瓜多尔CCS水电站引水隧洞为例,分析岩石单轴抗压强度、岩石耐磨性和岩体的完整性等指标,得出该隧洞的地质条件适合TBM施工的结论。并根据工程区域的工程地质条件,分析施工可能遇到的工程地质问题,主要包括岩爆、断层破碎带塌方、软岩大变形、涌水、高地温及有害气体5个方面,并针对性地提出在各种不良地质条件下的预防措施和施工对策。     

引松供水工程岩溶及软弱破碎地层敞开式TBM施工技术

引松供水工程四标段隧洞TBM法施工长度约17 km,其中7 332 m主要穿越灰岩(岩溶)、炭质板岩、断层等软弱破碎地层。为解决TBM在该类地层中掘进时TBM偏机、栽头、刀盘被糊、被卡、涌泥涌水、收敛变形引起设备被卡等难题,通过资料查阅、调研国内外现有TBM施工案例、专家咨询研讨等,对比研究多种方案;结合工程实践,提出TBM超前地质预报、钢拱架、钢筋排和喷射混凝土联合及时支护等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。经工程验证,该方案与措施能够很好地保证TBM在岩溶及软弱破碎地层的连续掘进,为工程的顺利实施奠定了坚实的基础。本文研究得出了一系列理论及参数,可为类似工程提供借鉴和参考。     

广西首次成功实现开敞式TBM在岩溶地区最长独头掘进

正国内外岩溶地区最长隧洞——广西桂中治旱乐滩水库引水灌区工程北干渠TBM施工隧洞顺利贯通。该隧洞的顺利贯通标志着开敞式TBM(全断面隧道掘进机,tunnel boring machine)技术在复杂地质条件下取得重大突破,在国内外开创了岩溶地区独头掘进11. 9 km的先河,为多项岩溶区重大课题研究、同类工程施工提供了可借鉴的经验,标志着TBM技术在广西首次成功应用,广西岩溶地区勘察设计技术迈上新台阶。     

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。     

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     

厄瓜多尔CCS水电站输水隧洞优化设计总结及体会

24.8 km输水隧洞工程是厄瓜多尔CCS水电站工程控制工期的关键项目,由2台双护盾TBM施工。从工程概念设计、基本设计、详细设计直至现场施工,设计工程师转变依照规范进行工程设计的传统设计模式,分析梳理原设计方案,依据工程合同、工程地质及水文地质、现场施工环境条件及其变化等,并结合TBM施工隧洞工程技术特点,将TBM设备特性和TBM施工技术高度融合于隧洞工程设计中,对输水隧洞设计方案、隧洞施工规划方案及TBM管片类型等进行全过程动态优化设计,为TBM快速掘进,高效成洞,安全、环保施工提供便利的隧洞设计施工方案。该方案的实施,能保证CCS水电站工程质量和工期, 并有效控制EPC模式下的CCS水电站工程投资。     

喀-双深埋超特长输水隧洞建设关键技术

深入分析喀-双深埋超特长输水隧洞施工中存在的主要工程地质问题,围绕超特长隧洞TBM快速掘进与安全控制等重大需求,在隧洞规划选线布置、TBM及配套系统适应性设计、主洞和支洞施工建设、施工风险控制、TBM机群施工综合管理等主要环节,提出需重点研究解决的关键技术问题。从已探明的工程地质情况来看,发生地质灾害的可能性不大,适合TBM快速施工。由于隧洞沿线地形较为平坦,开挖深长缓斜井、深埋中间竖井是不可避免的,但超长距离的独头掘进,给隧洞高速掘进与高效率的出碴、通风增加了难度,应结合现代化的科学手段进行系统攻关。     

TST与CFC技术在宝林隧洞TBM掘进超前地质预报中的应用

宝林隧洞采用TBM开挖掘进,穿越断裂破碎带,地质构造极其复杂,围岩含水波动大,施工建设风险大。为了确保施工安全,减少并避免地质灾害的发生,采用综合物探法超前预报,结合TST地震波法和CFC电磁波法进行预报,震源采用TD-IS冲击震源。从而,成功地定位了断层及影响带、破碎带、含水带,为隧道施工提供科学的指导信息。     

某供水隧洞TBM施工塌方特征及处治措施研究

针对某供水隧洞TBM施工过程中穿越蚀变岩段出现的塌方问题，分析塌方段的地质条件和塌方体特征，揭示隧洞塌方段的形成原因。隧洞塌方段拟采用双拼拱架+锁脚锚杆+喷射混凝土封闭围岩+分层注浆回填的综合控制技术进行处治，并在上述塌方体特征和塌方原因分析的基础上，采用塌方发生—处治过程综合数值模拟的方法验证了塌方处治措施的可行性和可靠性。处治效果表明，该综合处治技术可行，可使TBM施工快速、稳定通过塌方段，可供类似工况的TBM施工塌方段处治技术参考。     

川藏铁路隧道TBM适应性选型分析及不良地质对策与思考

川藏铁路具有高海拔、高寒、地质条件复杂、超长隧道众多、隧道埋深大、辅助坑道设置条件差和环境保护要求高等特点,隧道工程的顺利推进将是川藏铁路成功修建的关键因素之一,而众多的长大隧道全部采用钻爆法施工也将面临巨大挑战,在川藏铁路推广扩大TBM应用应更符合隧道发展的预期,但类似环境条件下TBM应用案例并不多。为提升TBM在川藏铁路隧道的适应性并推进其应用,结合川藏铁路隧道的建设总体要求、地质条件、环境特征和各类型TBM特点,充分吸收前期相关各方大量阶段性调查研究成果,对川藏铁路隧道TBM的应用进行了认真的系统分析与深入对比,综合性给出了川藏铁路隧道TBM的选择原则、适应性和选型结论,认为现阶段推荐的4座TBM隧道和敞开式TBM选型是合理的。另外,针对川藏铁路隧道的重大不良地质,对TBM的针对性设计、施工措施和下一步工程推进等方面提出了一些建议和思考。     

引汉济渭秦岭输水隧洞岭北实现7272m贯通

<正>日前,被国务院确定为172项重大水利工程之一的陕西省引汉济渭工程秦岭输水隧洞岭北TBM已完成第一阶段7 272 m的施工任务,顺利贯通至5号支洞,较原计划工期提前了3个月。引汉济渭工程秦岭输水隧洞全长98.3 km,穿越秦岭主脊的TBM施工段全长约34 km,是引汉济渭调水工程总工期的控制性项目。TBM施工段岭北工程全长16.13 km,包括秦岭5号支洞、TBM配套洞室和     

引洮工程单护盾TBM掘进创全国纪录

前不久,引洮供水一期工程总干渠创造了单护盾TBM月进尺突破1 718.6 m的全国新纪录。这是中铁隧道股份公司继9月份月掘进1 582 m后取得的又一突破。引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程全长17 286 m,周边地质复杂、施工组织困难,在国内首次采用单护盾TBM施工,没有任何经验可借鉴。TBM穿越洮河流域与渭河流域,最大埋深368 m,是引洮总干渠控制工程。为保证TBM正常推进,项目部深入做好     

取芯水平钻探对川藏铁路隧道施工效率的影响研究

为研究川藏铁路深埋隧道超长水平钻探实施的可行性及复杂地质条件下水平钻探对隧道施工的影响程度,在川藏铁路隧道勘察设计中开展大量调研工作及地表超长深埋水平钻探试验,并结合隧道掘进指标、钻探速度,研究钻爆法及TBM施工中超长超前水平钻探对隧道掘进效率的影响程度。研究结果表明:1)在单位长度内,围岩地质条件越好,钻探深度越大,隧道掘进速度越快,超前水平钻探对施工影响越大。2)在Ⅱ、Ⅲ级围岩地段,在TBM设备后方180m处实施超前水平钻探时,水平钻探进度难以追赶TBM施工进度,钻探对施工指导意义相对较小;在Ⅳ、Ⅴ级围岩地段,水平钻探进度可以很快追赶上TBM施工进度,在TBM施工受阻等复杂地质条件下,采取水平钻探技术对指导隧道施工有一定意义。3)在护盾处开展长距离连续水平钻探时,对隧道施工的影响程度最大可达85.11%,影响较大。综合分析表明,超前水平钻探在断层破碎带、强富水及高压富水、岩溶等不良地质地段实施较为合适。     

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。     

引汉济渭秦岭隧洞工程投资控制的关键问题研究

为进一步加强引汉济渭秦岭隧洞工程投资的控制,确保陕西省引汉济渭调水工程按期完成,针对水利部概算"编规"的局限性,在现有法律法规和定额的基础上,重点研究了4个关键问题的解决方法:1)"编规"对引水隧洞项目的划分较粗,无法满足秦岭隧洞工区多、费用组成复杂的要求,设计采用金字塔型分工区结构进行概算组织;2)进口硬岩TBM掘进设备购置费高、断面单一,难以反复利用,"编规"仅在石方开挖单价中计取设备折旧费将使施工单位面临巨亏,设计采用折旧费由施工单位和业主分摊的方案达到了风险共担的目的;3)秦岭隧洞最大独头通风距离达到16 km,超越了"编规"最大12 km的极限,设计采用二次曲线拟合,准确确定TBM轴流通风机调整系数;4)"编规"中隧洞排水费已包含在临时设施费内综合考虑,不单独计列,无法适应多次穿越富水层的秦岭隧洞,设计根据预测涌水量和排水方案计算排水费,使概算合理,留有余地。     

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。     

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。     

桩底后压浆超长钻孔灌注桩承载性能研究

以台州湾大桥及接线工程TS09标段的两根桩底后压浆超长钻孔灌注桩自平衡法荷载试验为工程背景,对压浆前后侧摩阻力、桩端承载力以及桩基整体承载性能进行了分析。注浆前后荷载试验表明桩底压浆后桩底、桩侧和桩基整体承载性能得到明显改善。说明在一定地质条件下桩底压浆对提升超长钻孔灌注桩桩基整体承载性能具有积极作用。