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。     

高黎贡山隧道TBM掘进卡机段TSP法物性参数响应特征分析

高黎贡山隧道工程地质条件复杂,断层破碎带、节理密集带等不良地质易造成TBM卡机事故。为有效避免TBM卡机事故的发生,以TBM穿越高黎贡山隧道燕山期花岗岩地层为背景,提取卡机段采用TSP法(tunnel seismic prediction)获取的围岩力学参数,通过分析TSP参数的相关性以及对比分析卡机段和正常掘进V级围岩段的TSP参数,获取TSP参数与围岩的相关性及卡机段TSP参数的波动规律。研究结果表明:1)随着泊松比的增大,卡机段的围岩纵波速度呈下降趋势,岩体的静态弹性模量总体呈现降低的趋势;2)对比正常掘进V级围岩段,卡机段TSP法获取的围岩纵波速度、静态弹性模量、波阻抗均有不同程度的下降,而泊松比则有增大的趋势。通过层次分析法理论,对围岩纵波速度、泊松比、静态弹性模量和波阻抗进行定量分析,一定程度上可作为TBM掘进过程中卡机判别的依据。     

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。     

土工织物包裹碎石桩力学特性的数值模拟研究

不同于普通碎石桩,土工织物包裹碎石桩受力变形过程因涉及到碎石与织物之间的相互作用而变得更为复杂。为研究包裹碎石桩强度及变形等力学特性,采用数值方法模拟土工织物包裹碎石桩的单轴与三轴压缩试验。通过对比试验数据验证数值模型的合理性,并在此基础上,分析土工织物模量、抗拉强度和围压对包裹碎石桩力学特性的影响,揭示包裹碎石桩体变形承载及破坏机制。结果表明：包裹碎石桩体在加载早期即已进入屈服状态,当织物发生拉伸破裂后包裹碎石桩体强度随即从峰值强度迅速下降;包裹碎石桩模量随土工织物模量呈线性增长,碎石相对密实度越高其模量增长幅度也越高;包裹碎石桩单轴抗压强度随土工织物抗拉强度线性增长,增长幅度与碎石相对密实度无关;在三轴压缩状态下得到的表观黏聚力随土工织物抗拉强度线性增加,与碎石相对密实度无关;土工织物抗拉强度对包裹碎石桩体的摩擦角几乎没有影响,其对包裹碎石桩体强度的提升主要以增加表观黏聚力的形式体现;围压和土工织物对碎石桩体约束作用发挥的先后顺序将改变包裹碎石桩三轴压缩状态下的应力-应变曲线形态;数值模型无法反映碎石颗粒对包裹织物带来的刺入及磨损,因此在土工织物包裹碎石桩数值模拟中必须对织物抗拉强度进行一定程度折减,否则数值模拟结果将极大高估其抗压强度。     

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。     

干湿循环作用下云母片岩力学特性试验研究

针对鄂西北地区云母片岩,开展了干湿循环条件下云母片岩单轴压缩试验,研究了云母片岩强度与变形参数随干湿循环次数增加的变化规律。结果表明:随着干湿循环次数的增加,云母片岩强度、割线模量逐渐降低,泊松比变化较小,抗压强度、割线模量与循环次数分别呈对数、线性相关。干湿循环达到一定次数后,云母片岩被水完全浸透,致使强度和割线模量损伤出现拐点。     

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。     

TBM在不同特性硬岩中的掘进速度

最近，韩国用TBM修建了一座引水隧洞，该隧洞位于抗压强度大于260MPa的围岩中。本文探讨了此类硬岩中TBM的净掘进速度和围岩特性之间的关系。分析得知测得的掘进速度与Schmidt硬度和RMR（RMR）为岩体等级－－校者注）互成比例。可以把围岩的这两种特性和现场应力情况看作很好的预测TBM在硬岩中的掘进速度的定量指数。     

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。     

TBM刀具岩石磨蚀性CAI值调整系数的应用

为研究TBM掘进不同岩层的刀具消耗规律，解决川藏铁路隧道TBM施工概预算定额刀具消耗量的适用问题，根据岩石磨蚀性指数特性，结合引汉济渭、高黎贡山TBM掘进现场实测数据成果，分析等效石英含量、单轴抗压强度、完整性等不同条件下刀具磨蚀消耗量的变化规律，并结合应用案例研究推导其与岩石磨蚀性CAI指数的对应关系。在此基础上，推导并验证不同CAI值条件下刀具消耗量调整系数，证明通过石英含量、单轴抗压强度等相关参数推导CAI指数的可行性，为概预算定额中岩石磨蚀性CAI值调整系数的应用提供了理论基础。     

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。     

全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析

为了有效控制和降低全断面岩石隧道掘进机施工时滚刀的磨损,较准确地预测滚刀的磨损量,通过室内实验和现场实验从地质影响因素和机械影响因素2个方面对滚刀磨损问题进行了分析。通过水泥试样实验,得出等效石英含量EQC和单轴抗压强度UCS单独对岩石磨蚀性的影响规律;通过现场岩样实验,得出两者共同对岩石磨蚀性的影响规律。通过对比进口与国产TBM的刀盘刀具布置,得出滚刀破岩面积对磨损速率的影响规律;通过统计现场掘进参数与刀具磨损数据,得出场切深指数FPI对滚刀平均磨损速率的影响规律。研究结果表明： 岩石对滚刀磨损的地质影响是岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同作用的结果;破岩面积是刀盘刀具设计参数对滚刀磨损的敏感指标;场切深指数是设备掘进参数对滚刀磨损的敏感指标。     

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。     

小间距隧道围岩力学参数正交设计反演

根据西康高速公路18标长哨段的隧道围岩收敛位移现场监测结果,利用正交设计理论,对该区段小间距隧道围岩变形特性及塑性区大小影响较敏感的力学参数进行了反演分析,获得了比较接近工程实际的围岩综合力学特性参数,即千枚岩的弹性模量、泊松比、凝聚力和内摩擦角,有效地克服了千枚岩难于取样和难以进行力学参数试验的困难。利用反演分析所获得的力学参数对长哨小间距隧道的施工过程进行了数值仿真,分析了该隧道施工期间围岩的应力与变形规律,给出了围岩稳定性评价,为小间距隧道工程设计与施工提供了具有一定参考价值的重要资料和信息。     

围岩力学参数对小净距隧道初期支护受力影响的研究

以青岛地铁8号线胶州湾海底隧道工程为依托，研究各围岩力学参数在小净距隧道开挖过程中的重要程度。根据控制变量法选取了弹性模量，泊松比，黏聚力和内摩擦角进行数值模拟研究。运用三维有限差分模型，对泵站施工进行了模拟计算。结果表明:两侧隧道的最大主应力和周边位移随泊松比的增大而增大，随弹性模量等参数的增大而减小；隧道结构力学响应对内摩擦角的变化最敏感，对于应力方面，泊松比变化最不敏感；对于侧面竖向位移方面，黏聚力最不敏感。     

三维应力状态下沥青混合料动态模量归一化

沥青混合料的动态模量是路面力学响应分析和结构设计的重要参数之一。为客观表征不同应力状态、试验温度及加载频率等试验条件对沥青混合料动态模量的影响规律，建立复杂服役条件下沥青混合料的动态模量预估模型，揭示沥青混合料动态模量的服役状态相关性。首先开展了不同温度、不同加载速率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸强度试验，揭示了不同温度下沥青混合料强度随加载速率的幂函数变化规律，为模量试验应力比的确定提供了依据。进而据此开展了不同温度与不同加载频率下沥青混合料的单轴压缩、间接拉伸及直接拉伸动态模量试验，提出了以等效应力比表征三维应力状态下模量试验应力比的沥青混合料动态模量分析方法，并基于时-温等效原理，采用Sigmoidal函数，建立了基于三维应力状态下等效应力比的动态模量归一化预估模型，实现了不同试验方法下沥青混合料动态模量的统一表征。研究结果表明：不同试验温度与应力状态下沥青混合料的强度均随加载速率的增大而增大，基于等效应力比表征的三维应力状态下模量试验应力比可实现不同试验条件下沥青混合料动态模量的统一表征，避免了路面结构设计时人为选取材料模量设计参数导致的设计结果不确定性。研究可为提...     

温湿耦合作用下喷射混凝土孔隙结构与强度试验研究

为分析隧洞围岩温度和洞室环境湿度对喷射混凝土细观孔隙结构特征及单轴抗压强度的影响，采用室内CT扫描和无侧限压缩试验的方法，测试不同围岩温度、湿度条件下喷射混凝土细观孔隙结构的分布特征和单轴抗压强度，建立基于细观结构参数的喷射混凝土单轴抗压强度预测模型。研究结果表明： 1）低湿环境（湿度25%）下，高岩温诱发喷射混凝土孔隙结构和力学性能劣化，温度越高劣化影响越显著，喷射混凝土单轴抗压强度可采用Schiller模型预测； 2）高湿环境（湿度95%）下，60 ℃岩温是喷射混凝土力学性能和孔隙结构特征发生劣化转变的临界温度； 3）引入相对湿度影响系数建立的高湿环境喷射混凝土抗压强度预测模型，其预测结果与试验结果较吻合。     

基于对数应变考虑渗流影响的软弱围岩圆形隧洞弹塑性解

为求解发生大变形时软弱围岩圆形隧洞的应力和位移，基于三剪应力统一强度理论和拉格朗日坐标下的对数应变，通过考虑施工期、运行期和检修期3种工况下主应力顺序以及渗流等影响，推导理想弹塑性模型软弱围岩的弹塑性解，并分析弹性模量、泊松比、孔隙水压力和强度准则4个参数对塑性区厚度和洞壁处径向位移的影响。研究结果表明： 1）施工期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现先增大后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），而运行期围岩塑性区厚度随弹性模量的增大呈现逐渐减小后逐渐趋于一个稳定值（小应变解），洞壁处径向位移在施工期和运行期2种工况下均随弹性模量的增大逐渐减小； 2）施工期和运行期围岩塑性区厚度随泊松比增大几乎无影响，而洞壁处径向位移随泊松比增大呈线性增大； 3）施工期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而增大，而运行期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移随孔隙水压力的增大而减小； 4）不同强度准则下的塑性区厚度和洞壁处径向位移变化显著； 5）检修期围岩塑性区厚度和洞壁处径向位移变化规律与施工期类似。对于发生大变形的软弱围岩圆形隧洞，推导的弹塑性解与小应变解明显不同。     

TBM的掘进性能数值仿真研究

介绍了TBM(隧道掘进机)性能预测模型的研究状况、滚刀的切削力计算模型以及掘进参数的计算方法.编制了TBM掘进性能预测程序,可以对每个滚刀的切削深度、切削槽断面积、切削体积、切削槽形状、切削力、刀盘扭矩、推力、纯掘进速度、不平衡力等参数进行计算.运用预测程序对秦岭隧道TB880E型隧道掘进机性能进行了模拟预测,并与实际施工性能参数进行了验证对比.结果表明,模型的计算精度高,预测结果合理.预测模型可用于优化TBM刀具布置、验算TBM刀盘不平衡力以及预测TBM施工性能参数.