TBM导洞扩挖法在高地应力软岩隧道施工中的应用效果分析

运用MIDASGTS有限元软件,分析了TBM导洞扩挖法在高地应力软岩环境中隧道开挖的应用价值。通过对某公路隧道分别采用TBM导洞扩挖法、预留核心土环形开挖法和两台阶法三种施工方法进行数值模拟,主要以拱顶沉降、拱腰水平收敛和拱底隆起等围岩变形指标进行对比分析,得出TBM导洞扩挖法高地应力软岩隧道施工时的围岩变形控制效果最好的结论。同时分析了在富水等复杂地质情况下,TBM导洞扩挖法在排水、探明前方地质情况等方面更具有优势。     

超大断面隧道小导洞先行与台阶反扩挖施工技术研究

针对隧道埋深大、节理裂隙较发育等不良工况下的超大断面隧道施工难题,为避免常规双侧壁导坑加临时支撑八步开挖方案所存在的断面开挖支护完成后衬砌跟不上、整体工期目标难以实现等风险,优化设计出了小导洞先行与台阶反扩挖施工方法。结合紫之隧道某标段北匝道隧道与主线两车道隧道交叉口位置处的超大断面隧道工况特点,从施工风险、施工进度、施工成本等方面模拟验证了小导洞先行与台阶反扩挖法相对于传统的双侧壁导坑法具有显著的优势。最后对小导洞先行与台阶反扩挖法的小导洞先行控制爆破施工技术、台阶反向扩挖施工技术等关键施工技术进行了研究分析。     

仰拱台车施工技术在大伙房输水工程TBM2标的研究与应用

为解决辽宁省大伙房水库输水一期工程二次衬砌施工进度与TBM快速掘进相匹配这一问题,降低TBM工厂化作业施工成本,通过对TBM施工配套仰拱台车施工方案与仰拱预制块施工方案的对比论证,最终选择了与传统施工工艺所不同的仰拱台车施工方法,确定了现浇仰拱施工组织形式及施工工艺的研究、仰拱模板台车及其它配套机具的研发、洞内施工运输组织的优化以及现浇仰拱混凝土施工质量控制等关键性问题。仰拱台车制造成功后,通过试验段的检验,先后解决了仰拱台车及配套机械的流水线作业、台车整体上浮、长距离单线运输、冬季混凝土施工质量控制及渗漏水段衬砌施工质量控制等问题,实现了TBM开挖仰拱衬砌施工的高效快速、降低了TBM工厂化作业的施工成本。     

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。     

开敞式TBM隧道仰拱衬砌同步施工关键技术

为实现TBM掘进与仰拱衬砌同步施工,缩短工程关键线路工期,提高隧道施工效率,设计出双通道仰拱同步衬砌台车。台车断面为非对称结构形式,以满足TBM掘进施工及其相关配套设施的布置及运行。台车采取"前斜坡段+前道岔段+4个标准段+后道岔段+后斜坡段"的布置方式,台车下方划分成多个作业面,具备仰拱混凝土浇筑准备、浇筑、养护等的功能;根据施工支洞距离长、坡度大以及TBM掘进段交通条件受限的特点,采用支洞轮式运输和主洞有轨运输的联合运输方式,保障物料运输快捷有序;台车前后采用升降坡轨道搭接装置,实现TBM配套标准轨道竖向搭接的平顺过渡。工程实践表明:仰拱同步衬砌台车应用效果较好,施工进度最大可达到648 m/月,在不影响TBM正常掘进的前提下可有效缩短关键线路工期。     

世界首台超小转弯半径硬岩掘进机实现首个区间贯通

正2020年4月14日,由中铁工程装备集团有限公司自主研制的世界首台超小转弯半径硬岩掘进机——"文登号"实现首个区间887 m上层廊道贯通。该设备应用于国网新源山东文登抽水蓄能电站工程,这是我国首次将硬岩全断面隧道掘进机(TBM)工法引入抽水蓄能电站工程建设领域,对于推动我国掘进机产业高质量发展和抽水蓄能电站智能化施工具有里程碑意义。山东文登抽水蓄能电站排水廊道项目具有开挖直径小、岩石强度高、围岩完整性好、转弯半径小等难点,对TBM设备的高效破     

长大隧道开敞式TBM同步衬砌施工技术应用前景及发展趋势

目前我国所使用的TBM以开敞式为主,通常情况下,隧道掘进之后需要施作初期支护以及二次模筑混凝土衬砌,隧道施工总工期较长。为了解决开敞式TBM不能同步施作现浇混凝土二次衬砌的难题,结合南疆铁路吐库二线中天山隧道和兰渝铁路西秦岭隧道工程实例,研发了有轨运输出渣（开挖直径88 m）和连续皮带机出渣（开挖直径1023 m）2种工况条件、2种断面下的开敞式TBM同步衬砌施工技术,并成功应用。探讨了该技术的应用前景及发展趋势,指出： 该技术具有重大的推广意义和广阔的应用前景,下一步需要深入地、系统地研究不同工况、不同断面条件、不同作业范围的同步衬砌施工技术,如小断面同步衬砌、现浇混凝土仰拱同步衬砌、全断面同步衬砌等施工技术,使之形成系列工法,推动我国长大隧道TBM施工技术的全面发展。     

紧凑型超小转弯半径TBM的设计及工程应用——以文登抽水蓄能电站排水廊道建设工程为例

为解决抽水蓄能电站平洞建设中机械化程度低、作业环境差、安全风险大、施工效率低的问题,研究一种能适应超小转弯半径施工的紧凑型TBM。该类型TBM在双护盾TBM基础上,取消尾盾、辅推油缸、管片拼装机,同时结合敞开式TBM的锚网喷支护系统进行TBM整机集成设计,包括"V"形推进系统设计、刀盘锻造厚板技术、刀具小刀间距设计、组合式耐磨保护设计、紧凑型整机设计、皮带机超小转弯适应性设计、一体式皮带机设计、远程操作系统设计。研究成果在文登抽水蓄能电站排水廊道建设工程中取得了成功应用。     

漫谈矿山法隧道技术第九讲——隧道开挖和支护的方法

强调对隧道开挖和支护关系的基本认识： 开挖和支护是隧道施工的2大基本工序,开挖的基本原则就是把对周边围岩的松弛降低到最小限度,弹性变形和少许塑性变形是容许的,超过围岩极限应变变形（过度变形或松弛）的场合需要依靠各种支护对策。开挖和支护有先挖后支和先支后挖2种模式,一般采用前者,当开挖后隧道围岩不稳定时,采用后者。随着施工技术的进步、采用大型施工机械的要求和大断面隧道的出现,对隧道开挖方法选择的观点有了极大变化： 1)在选定开挖方法时,要以大断面开挖为指向,围岩条件不是唯一的决定因素; 2）尽可能不采用施工中含有需要废弃的和临时性作业的分部开挖法; 3）把机械开挖法与分部开挖法相结合,如TBM导坑超前扩挖法,在欧洲和日本等国已经成为大断面隧道施工的基本方法; 4）在同一座隧道,开挖方法频繁变化,既不经济也不安全,主张在全隧道中（除洞口段外）采用同一种开挖方法--全地质型开挖方法,如全断面法或台阶法,当围岩条件剧烈变化时,采用注浆、超前支护等应对措施。介绍日本、美国和欧洲等国规范、指南推荐的隧道开挖方法概况： 1）日本从隧道围岩级别、洞口段和洞身段等方面分类,给出隧道相应的开挖方法,基本以全断面法和台阶法为主;在断面比较大、比较长的隧道,采用TBM导坑超前扩挖法。2）美国把围岩分为岩质围岩和土质围岩2大类,其推荐的开挖方法基本相同,即全断面法、台阶法和中隔壁法,仅采用的支护方法不同。3）欧洲各国由于围岩条件总体比较好,多采用全断面法和台阶法。归纳选择开挖方法的基本条件： 施工条件、围岩条件、隧道断面面积、埋深、工期和环境条件。     

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。     

西秦岭隧道TBM掘进步进施工技术

为了解决二次步进中TBM就位、安装步进设备中遇到的一系列技术难题,以兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工为例,通过采用TBM在钻爆加大断面内模拟正常掘进、材料运输车编组优化、仰拱安装机改造等手段,解决了TBM步进设备(滑行支撑架)位置确定、步进材料供应、仰拱拼装效率低等难题,顺利、高效地实现了TBM二次步进作业。     

敞开式TBM空推步进技术在引松供水工程的应用

引松供水工程4标段隧洞主要采用敞开式TBM进行施工，为节省工期，部分洞段变更为钻爆法施工接应，TBM步进通过。为使TBM在圆形钻爆段快速步进，通过分析TBM在圆形断面空推步进的影响因素，研究钻爆段弧形底板的施工方法、质量控制措施，以及TBM在步进过程出现撑靴撑不到洞壁、撑碎洞壁，底板破碎和底部高低不平等问题的解决措施，使TBM安全、快速步进通过；通过与滑板式步进技术进行对比分析，总结2种步进方式的适应性以及优缺点。     

大跨度无中导洞分岔隧道反挖施工关键技术研究

结合深圳东部过境高速公路连接线工程实际情况,提出了一种地下互通立交分岔节点矿山法隧道的反挖施工方法,用于不具备由大断面隧道段往分岔小断面隧道段施工的条件时,对隧道的地下互通立交分岔节点采用矿山法施工.该方法包括无中导洞连拱隧道施工、先导洞扩挖施工、主隧道反向开挖施工技术,可为类似的地层分岔隧道施工提供经验指导.     

基于矿山法铁路隧道复合式衬砌断面尺寸的施工问题分析及解决对策探讨

矿山法铁路隧道复合式衬砌有开挖成形、超欠挖、衬砌厚度控制难等诸多隧道断面尺寸问题及质量“顽疾”。基于高铁双线单洞隧道复合式衬砌设计和施工实践,分析隧道断面尺寸的预设、施工误差、断面测量、欠挖处理、二次衬砌混凝土厚度和方量等方面的问题,按照保证衬砌不欠挖同时严格控制超挖的理念,在隧道断面的尺寸预设和调整、断面测量方法、欠挖处理和初期支护基面修整、拱墙衬砌台车二次衬砌浇筑混凝土方量计算、断面尺寸质量控制等方面提出施工解决对策和建议。     

大断面软岩隧道变形控制技术研究

隧道开挖后受地应力影响极易发生变形,严重的将导致坍方等安全事故,若侵入结构还需要二次扩挖处理。为保障软弱围岩隧道的施工安全,避免二次扩挖,结合国内外隧道的典型案例和经验,从分析围岩的强度应力比出发,针对不同的软岩类型,对预留变形量、预加固措施、弱爆破的基本原则,综合信息方法、支护措施、施工要点等内容进行归纳研究。研究表明:1)预留变形量选择要充分考虑隧道的最大地应力和不同软岩物理特性的影响;2)上台阶采取有效预加固措施后,可以实施大断面开挖;3)不同地应力环境,必须根据信息成果,针对变形特征优化设计支护参数后,变形完全能够有效控制。     

铁路单线特长隧道快速施工组织探究

蒙华铁路连云山隧道为重载铁路单洞单线隧道,独头掘进距离长、断面小,洞内施工交通干扰大,隧道快速施工组织难度高。为有效解决单线小断面隧道快速施工组织问题,基于隧道开挖、仰拱及二次衬砌各施工工序组织,对配套施工机械设备、工艺工法选择和施工交通组织等进行研究。通过优化和改进,较大程度上解决了单线特长隧道的快速施工难题,有效提高了单线隧道的施工效率。     

软岩隧道台阶法与全断面（含仰拱）法施工比较研究——以成兰铁路平安隧道为例

以成兰铁路平安隧道软岩段施工为背景,采用数值模拟、理论计算和现场试验等方法对全断面（含仰拱）法和台阶法施工时的围岩变形、初期支护受力及施工组织等方面进行比较分析,结果表明： 上下台阶法相比全断面（含仰拱）法开挖围岩要稳定,但全断面（含仰拱）法开挖累计变形量更小; 2种方法开挖产生的剪切、拉伸破坏区的范围大小相近,均能满足结构安全的需要,而全断面（含仰拱）法的施工质量比上下台阶法易于控制; 全断面（含仰拱）法在人员投入和施工进度等方面明显优于上下台阶法。     

浅埋大断面大跨度连拱隧道施工变形现场监测试验研究

结合浅埋大断面大跨度隧道工程实践,对浅埋大断面大跨度连拱隧道施工变形进行现场监测试验,分析隧道施工全过程及在不同开挖工序下的施工变形特点。研究结果表明：1)左、右洞上台阶开挖引起先行隧道变形较大,引起的后行左洞变形较其它工序要大;2)后行隧道施工对先行隧道变形影响较大;3)右洞上台阶开挖对右洞变形的纵向影响范围为隧道跨度的1/4,右洞下台阶及左洞上台阶开挖对右洞变形影响范围为隧道跨度的1/3,左洞上台阶开挖对左洞变形影响范围为隧道跨度的1/3;4)对于浅埋大断面大跨度连拱隧道,应及早施作二次衬砌,以控制隧道变形。研究成果可为日后类似工程的设计、施工和研究提供有益的借鉴和参考。     

不同TBM导洞位置对洞周围岩变形的影响研究

采用翠屏隧道的建筑内轮廓、围岩参数及支护参数,运用MIDAS GTS NX模拟研究TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,TBM导洞在建筑内轮廓的顶部、上部、中部、下部及边墙处等5个不同位置处对隧道洞周围岩变形的影响。结果显示:导洞在下部时,隧道拱顶及拱底的位移值相对导洞在其他位置时最小,对控制拱顶及拱底位移变形最有利;导洞位置在边墙处时,洞周左右边墙位置处的位移变形量最大;导洞沿拱顶、上部、中部、下部等4个位置逐渐往下,洞周左右边墙位置处的位移变形量逐渐减小,即导洞在下部时洞周左右边墙位置处的位移变形量最小。即导洞在下部时,位移变形量在洞周左右边墙、拱顶及拱底位置处时位移变形量最小。推荐在采用TBM导洞+上下台阶扩挖法开挖公路隧道时,导洞布置在建筑内轮廓的下部。     

大断面隧道三岔口段施工技术及围岩变形规律

隧道斜井进入主洞三岔口段断面大、受力复杂、施工难度大,是长大隧道施工的关键。三岔口将隧道分为多个施工作业段同时施工,缩短了工程的工期,加快了隧道的整体施工进度。某山岭隧道斜井进入主洞处三岔口采用台阶扩挖法。斜井末端采用上下台阶,从上台阶向上挑挖4.2 m确定导洞高度,继续向前扩挖至对侧主洞边墙轮廓线完成导洞施工。主洞采用三台阶法,按照上台阶5.3 m、中台阶3.59 m、下台阶3.31 m依次向进口和出口方向开挖。三岔口段主洞断面面积92.1 m~2,为大断面隧道。大断面隧道的跨高比大,导致围岩和支护的稳定性变差,所以主洞在施工过程中应加强支护来保持隧道的稳定。利用ABAQUS有限元软件对隧道进行了数值分析,并直观地模拟了隧道开挖后围岩的应力分布,为隧道的施工提供合理依据。锚杆、钢筋网、衬砌、格栅和钢架根据不同的围岩等级按相应的要求进行了施工。通过对围岩及支护微小变形的监测,掌控了在开挖过程中围岩的稳定程度和支护结构的力学动态信息。对监控量测数据进行了回归分析,以较好地反映围岩变化规律,并分析各阶段的位移速率,预测最终位移值。监控量测数据表明:拱顶下沉和周边收敛的累计变形范围为8～14 mm。