引水隧洞双护盾TBM卡机分析及脱困技术

在不良地质条件下,引水隧洞采用双护盾TBM施工时易发生卡机事故,严重制约工程进度。结合引水隧洞双护盾TBM施工实践,对不良地质条件下双护盾TBM施工中3种常见的卡机类型进行原因归纳与分析,总结出5种卡机脱困技术,并提出双护盾TBM卡机预防措施。实践证明,相应的脱困技术成功地解决了卡机现象。     

断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析

新疆某引水工程的大坡度支洞采用敝开式TBM施工,在掘进施工过程中遭遇大断层构造破碎带并发生塌方,TBM刀盘被掌子面坍塌围岩卡死,护盾被破碎体压住,TBM被困。为使TBM快速脱困,首先采用超前预报方法探明前方地质情况,之后加固已支护段的围岩,然后采用流动性大、早强、高强性能的化学注浆材料,对护盾上方及前方围岩进行固结灌浆,将刀盘和护盾周围的松散岩石加固成一个稳定的整体,进而清除刀盘及护盾周围的虚渣,并缓慢转动刀盘向前推进,最终使TBM安全脱困。采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法不仅使TBM顺利脱困,而且与其他脱困方法相比,进一步缩短了脱困时间。     

敞开式TBM断层破碎带脱困技术

某供水工程敞开式TBM掘进在穿越断层时发生坍塌,刀盘被掌子面坍塌体掩埋,护盾被压住,TBM被困。为安全、快速地使TBM脱困,迅速恢复生产,在脱困过程中首先加固已施工段支护,在保证后方安全的前提下,进行前方掌子面和护盾上部加固,采用化学注浆法固结刀盘前方围岩和护盾上方中管棚超前支护法进行围岩超前支护、加固,然后清除刀盘刮渣孔及切口环内虚渣,使TBM顺利脱困,总用时20.5 d。通过这些方法的使用,达到了TBM安全快速脱困,迅速恢复生产的目的。     

高黎贡山隧道破碎地层TBM施工技术与应对方法研究

为解决大瑞铁路高黎贡山隧道出口段岩石破碎地质影响TBM施工的问题,针对掌子面前方破碎围岩,提出掌子面前方化学灌浆加固、小导洞开挖及超前管棚等方法联合帮助TBM脱困,同时提出护盾向前延伸、刮渣口限粒板加密的TBM设备改进应对方法; 针对破碎围岩露出护盾后易塌落问题,提出隧道顶部加强初期支护和化学灌浆、隧道腰部立模灌浆、隧道底部机械化清渣的应对方法。现场实践表明： 采用上述方法,有效降低了TBM在破碎地层掘进刀盘被卡的风险,即使刀盘被卡也能在可控的时间内及时脱困; 同时还有效提高了TBM通过破碎地层的施工速度。     

单护盾TBM管片旋转问题及应对措施

为了解决由于单护盾TBM掘进刀盘扭矩过大或盾体姿态发生偏差时,管片在掘进过程中产生旋转,造成管片安装精度、外观质量及运输效率受到影响等问题,结合单护盾TBM在软岩地层掘进条件下,分析管片旋转产生的原因,针对刀盘等设备的结构进行设计改进、优化掘进参数、优选刀具类型、及时清理刀盘以及必要时采取牺牲管片环缝与纵缝等措施,最终解决了单护盾TBM掘进过程中管片旋转的施工难题。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题,应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险,基于高黎贡山隧道TBM施工项目,从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术,提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案,并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究,使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm,避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象,实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

双护盾TBM前盾下部液压支撑装置的设计研究与探讨

双护盾TBM主机长度较长,使得其在掘进和换步过程中姿态不易控制,如遇到突发地质破碎带时卡机风险增加,成为施工中的不利因素之一。本文提出一种液压稳定支撑装置,安装于前盾下部左右两侧。该装置具有2种不同的工作模式:高压支撑模式和低压撑紧模式。液压支撑装置在高压支撑模式下工作时能将前盾和刀盘整体抬升,从而丰富主机扩挖方式、提高边滚刀更换的效率和安全性;在低压撑紧模式下工作时能增加前盾与开挖洞壁的接触点,从而减轻掘进时主机的振动、提高换步过程中主机的稳定性。     

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。     

主驱动双速减速机在高黎贡山隧道再制造TBM中的施工应用

高黎贡山隧道出口段采用2台敞开式TBM分别在主洞和平导洞施工,由于地质条件复杂,TBM经常遇到刀盘脱困转矩不足导致设备卡机的情况。为提高刀盘驱动系统脱困转矩,满足TBM在破碎围岩条件下掘进的需要,对彩云1号TBM主驱动系统安装双速减速机的技术改造进行研究。双速减速机安装在TBM主电机和减速机之间,高、低速模式下减速比分别为1.00和1.47,可通过手柄直接进行模式切换,具有切换方便的特点;在低速模式下,可将设备脱困转矩由6150k N·m提升至9225k N·m。经现场验证:在TBM脱困使用低速挡掘进时,设备可在7000k N·m转矩下持续掘进,说明在TBM上安装双速减速机可大大提高敞开式TBM在软弱破碎围岩地质条件下的脱困能力。     

双护盾TBM设计与施工配套技术

以青海引大济湟调水工程所使用的德国WIRTH产品TB593E/TS双护盾TBM为例,通过对双护盾TBM技术特定和适用条件及工艺的介绍,针对各系统（刀盘、主机、管片安装系统后配套等）在施工过程的设计缺陷,提出双护盾TBM的设计与施工配套建议,对今后双护盾TBM的选型设计与施工配套具有较好的借鉴作用。     

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。     

单护盾TBM快速掘进条件分析

单护盾TBM在国外很多工程中得到了成功的应用,而在国内的应用则极少。根据引洮供水一期工程总干渠7#隧洞首台单护盾TBM施工的实际情况,重点从工程地质条件、设备配置、辅助工作、施工组织管理等方面进行分析研究,提出为满足单护盾TBM快速掘进所需注意的问题,总结单护盾TBM快速掘进所需条件。     

城市地铁双护盾TBM设计及应用

结合城市地铁隧道工程的地质条件和工程特点,对双护盾TBM设计特点进行分析,提出双护盾TBM应用于城市地铁时需要考虑和解决的关键问题,如刀盘破岩能力、小曲线掘进、回填灌浆工艺以及断层破碎带防卡机和脱困功能等,以提高双护盾TBM的适应性、隧道衬砌质量及成洞效率。研究双护盾TBM高效破岩、过断层破碎带、小曲线转弯和回填灌浆等针对性设计和优化改进措施,包括刀盘厚板设计、盾体直径阶梯递减设计、单轨梁吊机设计、管片壁后豆砾石回填+水泥浆液灌注等。通过深圳地铁的实际工程应用证明双护盾TBM具有良好的地质适应性和高效的机械化施工优势。     

高黎贡山隧道敞开式TBM穿越高压富水软弱破碎蚀变构造带施工技术

为解决敞开式TBM在高压富水软弱破碎蚀变构造带不良地质条件下围岩变形、钻孔困难、支护困难、刀盘被卡、护盾被卡、突涌掩埋设备等工程难题,结合大瑞铁路高黎贡山隧道2台敞开式TBM在滇西南极端复杂地质条件下的施工情况,以PDZK221+481处高压富水软弱破碎蚀变构造带处治为例,从初期支护加固措施、钻孔技术、超前加固措施、侧壁导坑泄水降压措施、TBM卡机脱困技术、不良地质掘进支护措施等关键技术方面进行研究。总结出对于此类不良地质,可采用高位小导洞探测地质、侧壁导坑超前泄水降压、原位超前管棚及注浆加固、盾体区域扩挖释放护盾脱困、掌子面化学注浆加固后清理刀盘周边释放刀盘脱困、初期支护加强等综合处理技术通过,同时提出侧壁导坑断面形式及支护措施、管棚工作室断面及支护措施、超前加固支护措施等。     

TBM掘进参数智能控制系统的研究与应用

目前TBM智能化作业水平较低,无法实现岩体信息实时感知以及掘进参数的智能决策,影响TBM掘进效率,卡机、涌水突泥等安全事故也时有发生。为解决上述问题,研发一套TBM掘进参数智能控制系统,通过分析岩体状态参数与TBM掘进参数的相关关系,采用数据挖掘的方法建立岩机信息感知互馈模型; 在此基础上构建智能决策控制体系,实现掘进参数的预测以及掘进状态评价; 通过手动或自动控制模式对TBM掘进参数进行优化调整,使TBM保持安全高效的掘进状态。该系统软件在引松供水工程TBM施工中应用效果良好,对提高TBM掘进效率和保障施工安全具有重大意义,可为TBM隧道的科学化、智能化施工提供指导。     

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。     

高黎贡山隧道TBM不良地质条件下卡机脱困施工关键技术

为降低TBM在不良地质条件下施工的卡机风险,解决卡机后快速脱困问题,结合高黎贡山隧道TBM施工情况,针对岩性接触带、断层破碎带、全风化花岗岩粉细砂地层、涌水、高压富水软弱破碎蚀变构造带等不良地质条件,从地质预报、掘进参数控制、初期支护、防卡机措施、卡机脱困技术、不良地质超前加固及改良等关键技术方面进行研究分析,总结出掘进参数与卡机的关系并提出控制措施,同时还针对不同规模的不良地质,总结出刀盘清理法、循环管棚法、导洞法、迂回导坑法等应对措施。     

单向出渣单护盾TBM防滚转技术研究及探讨

为提高单护盾TBM在长距离硬岩地层中的适应性,针对单向出渣单护盾TBM在掘进过程中的盾体滚转问题,设计2种可防止和纠正盾体滚转的系统。通过分析单护盾TBM盾体滚转产生的原因和影响因素,提出2种单向出渣单护盾TBM纠滚技术——不依赖管片的盾体主动纠滚技术和推进油缸偏转纠滚技术,说明2种盾体纠滚技术间的联系,建立盾体姿态控制数学模型,阐述盾体滚转发生的临界条件和控制盾体姿态需满足的要求,并结合工程实例说明推进油缸偏转控制盾体姿态的可行性和有效性。     

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。     

青岛地铁双护盾TBM负环始发技术研究与实践

城轨交通区间隧道地质及施工环境复杂,不具备施作始发洞条件时,需要探索新的双护盾TBM始发方案。为此,结合青岛地铁1号线台东站的始发场地及周边环境条件,研究并实施双护盾TBM负环始发技术。根据双护盾TBM结构特点,提出双护盾TBM负环始发方案,并从掘进模式、掘进参数、姿态控制和辅助措施等方面论证该方案的可行性。实践表明:双护盾TBM负环始发时采用单双护盾混合模式掘进并选择合理的掘进参数,可有效控制盾体滚动在允许范围内,实时监测、及时调整TBM姿态并采取必要的辅助措施可保证负环始发的成洞质量。