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。     

亚洲铁路第一长隧——大瑞铁路高黎贡山隧道

大瑞铁路高黎贡山隧道全长34 538 m,为亚洲铁路第一长隧。隧道区域地质构造发育,沿线工程地质条件差,具有“三高”（高地热、高地应力和高地震烈度）、“四活跃”（活跃的新构造运动、活跃的地热水环境、活跃的外动力地质条件和活跃的岸坡浅表改造过程）的特征。工程主要不良地质有高烈度地震、 活动断裂、高地温、岩爆、软质岩变形、放射性地层、有害气体等。工程重难点为高温热害问题突出,软岩大变形,隧道涌水量大,软弱破碎围岩地段TBM施工易卡机,安全风险极高、组织管理管控要求严 ,通风效果要求高等。围绕高地热,活动断裂地层,深竖井、复杂地质条件下TBM研制等问题,已立项并实施隧道高地热环境施工关键技术、复杂地质条件新型TBM研制及应用、铁路隧道超深竖井施工关键技术和深埋特长隧道高地温地段混凝土技术。     

中国公路隧道近10年的发展趋势与思考

中国公路隧道在规模、数量、建设速度等持续快速发展的形势下,近10年来又取得了众多隧道建设技术的突破,已由隧道大国步入向隧道强国转变的轨道。首先宏观研究分析近10年来中国公路隧道建设状况,对比论述了山岭、水下、城市地下道路等类型隧道的发展特点、趋势及相关建议;从隧道建设需求导向、地质超前预报、节能环保、应急救援等方面提出了公路隧道建设理念的变化,对比总结了钻爆法、盾构法、沉管法及TBM法等4类修建公路隧道常用施工方法的应用情况及未来发展趋势,并在此基础上,对中国公路隧道未来建设中将遇到的一些问题进行了研究与思考。结果表明:应改变以支护参数设计为重点的隧道设计理念,建立以介质场为主体的隧道结构设计方法,在隧道场解重构理论与技术体系方面进一步创新;对于采用双洞布局模式的长大公路隧道,为减少长深斜竖井设置,提升建设速度,应优先采用“钻爆法+小TBM导洞扩挖法”相结合的混合方法来修建;针对越来越多的公路隧道进入后运营期,提出了隧道智能监测评估与快速修复的技术途径,以将隧道修复作业所带来的影响降到最低;中国公路隧道建设应融合大数据、智能装备、5G等先进技术,并尽快完成配套标准的制定。     

采用小直径TBM进行长大隧道导洞施工的讨论

介绍采用小直径开敞式TBM进行超前平导施工的意义、目的和国外采用小直径TBM进行超前导洞施工的实例;分析国内采用小直径开敞式TBM进行超前导洞施工的可行性;总结进行超前导洞施工时选择开敞式TBM的考虑因素。得出以下结论：利用小直径开敞式TBM进行长大隧道超前导洞施工,符合国家对基本建设的环保和安全的要求;当前的综合国力和施工技术水平也具备了相应的条件;选择小直径TBM时应考虑其特点,并满足“快速掘进、探明地质、支持正洞”的要求。     

堡镇隧道高地应力顺层偏压软岩大变形段的快速施工技术

堡镇隧道的主要工程地质特点是在高地应力、顺层偏压、软岩地质条件下隧道发生大变形。在对国内外高地应力软岩隧道施工技术研究现状基础上,分别对顺层偏压地层和高地应力顺层偏压地层隧道施工力学行为分析,制定了“超前支护、初支加强、合理变形、先放后抗、先柔后刚、刚柔并济、及时封闭、底部加强、改善结构、地质预报”的快速施工原则和总体方案。通过对开挖方法、通风方式、机械设备配套技术及管理技术等方面的综合攻关,实现了同类工程安全无事故条件下的快速施工。     

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战： 地质多样化带来更多的地质风险; 应用领域亟待拓展; 设备技术发展赶不上施工需求的变化; 施工进度不均衡; 施工环境越来越严苛; 存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望： 核心部件国产化; 提升各种地质条件下的破岩能力; 提高出渣能力及可靠性; 提升初期支护及超前加固性能; 研发异形断面TBM; 圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用; 大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用; 研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术; 促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。     

高黎贡山铁路隧道彩云号TBM的创新性设计与应用

高黎贡山铁路隧道作为大瑞铁路的关键性控制工程,具有“三高四活跃”的地质特点,为应对TBM施工过程中可能遇到的断层破碎带、突泥涌水、岩爆等灾害,正洞TBM设计实行了变截面可抬升开挖技术,创新了前置式自动化混喷技术、隐藏式常态化超前钻探技术以及水岩一体超前预报技术。实践表明,在掘进过程中TBM的创新性设计发挥了显著作用,可为同类地质条件TBM设计与应用提供经验。     

“盖挖+自进式管棚”进洞法在崩坡积体中的应用

新疆G575线东天山特长公路隧道出口穿越较大超浅埋崩坡积体。为保证隧道在超浅层崩坡积体中安全、快速通过,控制隧道变形、坍塌、滑移等风险,采用“盖挖+自进式管棚”进洞法施工方式,在发挥盖挖法形成的初期支护钢架 “拱”保护作用下,确保“拱下”洞内自进式管棚施工的安全; 并采用超前自进式管棚注浆预加固松散崩坡积体围岩的施工方式,实现暗洞中安全快速地掘进,确保施工工期。通过对不同进洞方案比选研究与现场实践,并对隧道施工过程中的拱顶地表沉降、洞内拱顶下沉、洞内水平收敛进行监测,回归分析量测数据后充分证明： “盖挖+自进式管棚”进洞法施工对崩坡积体的整体稳定性没有产生影响,采用“盖挖+自进式管棚”法,在崩坡积体中既可确保安全进洞,还可缩短工期。     

隧道洞口设计原则探讨——施工便道引入对隧道洞口设计的影响

目前隧道洞口设计时常常强调贯彻“不破坏或少破坏原始地貌”的原则,很少提到“结合施工条件确定洞口设计方案”的原则,在一些特殊条件下隧道施工需要扩大洞口开挖范围从而造成洞口原始地貌的改变。为了解决目前铁路隧道洞口设计理念与实际施工脱节的问题,对几条铁路隧道洞口设计及实际施工进行了对比分析,提出了为确保铁路施工及运营安全,当隧道洞口地形陡峻且需要开辟洞口工区时应该结合施工便道引入确定洞口的开挖及支挡结构,强调隧道洞口设计不但要贯彻“不破坏或少破坏原始地貌”的原则,在地形陡峻时也要贯彻“结合施工条件确定洞口设计方案”的原则。     

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。     

极端恶劣地质条件下TBM施工技术与管理探讨

随着TBM法隧道施工规模的扩大,不可避免地面临着诸多恶劣地质条件,如极强岩爆、严重破碎围岩、大变形等,TBM施工安全、进度、成本与投资都会受到极大的影响。针对极端恶劣地质条件下TBM施工技术与管理,结合在建和即将开工项目所面临的恶劣地质以及以往的TBM施工实践,对地质勘察与工程总体筹划、施工技术、施工管理进行研究,提出超前地质预报、及时合理的初期支护、超前处理、合理控制工期与投资、完善适应TBM施工特点的相关规范等建议和措施,以期促进TBM工法科学发展和可持续发展。     

对兴建台湾海峡隧道的工程可行性及其若干技术关键的认识

从10个方面对兴建台湾海峡隧道的工程可行性进行论述,并阐述对其中若干技术关键的认识和建议。1）从台湾海峡拟议中兴建隧位沿线的地质与地震灾害性条件,看跨海隧道设计施工的工程可行性--试以“北线”方案为例,说明其对隧道施工与日后运营的影响; 2）海底隧道设计施工的特点和问题：对地质勘察、隧道最小埋置深度、隧道内交通运输工具的选择、关于服务隧道和海底渡线室等的设置、工程的安全设计与安全作业等提出意见和建议; 3）隧道不良地质区段施工水情水患的预测与防治：对隧道场址的水文地质条件的认识与评价;对防塌治水的基本原则,难以预见的施工风险及施工整治处理要点进行了阐述; 4）隧道围岩防塌险情预警、变形预测与控制--围岩施工稳定性评价：提出用“变形速率比值判别法”对围岩的施工稳定性进行评价,在施工期采用BMP软件对隧道衬护原设计参数进行调整和修正; 5）隧道掘进机（TBM）与钻爆法施工方案的比选--隧道施工机械现代化：提出用TBM与钻爆法配合的海峡隧道施工方案,同时指出当隧道部分地段需改用钻爆法开挖时,隧道的主要施工机械及监测仪具应现代化（如自动化喷混凝土机器人、自动化量测及监测反馈系统等）; 6）耐腐蚀高性能海工混凝土材料和隧道支衬结构：指明采用常规材料配制高性能海工混凝土,增强其耐久性的基本途径;给出不良地质区段岩体的隧道开挖、支护、施工排水和限压衬砌设计施工的建议; 7）特长大隧道的运营期通风问题--暂按铁路隧道并以英法海峡隧道为例作考虑：阐述海峡隧道的空气动力学问题,介绍英法海底隧道的通风系统原理及结构布置措施; 8）隧道防灾与减灾：建议学习参考西方一些国家和日本在隧道防灾方面的设计理念; 9）海底隧道施工风险评估与风险管理：提出该隧道的主要技术风险类别,并阐述对风险管理的认识; 10）关于悬浮式隧道：对本隧道情况而言,建议悬浮式隧道方案再另行慎议;最后指出下一步的地质和地震勘察尚有待深入进行的工作。     

包家山特长隧道富水千枚岩地段快速施工技术

结合包家山特长隧道富水段的施工,围绕“上部弧形导坑预留核心土三台阶七步开挖平行流水作业法”,从施工方案和支护参数的选择、开挖方法的确定、支护体系的形式等5个方面详细介绍了富水千枚岩隧道施工方法,总结形成了富水千枚岩隧道快速施工技术。三台阶七步流水法结合超前、径向堵水技术,有效地控制了围岩的变形,相对于国内以往千枚岩地质隧道大多采用正台阶法及大截面型钢、锚索等控制变形的施工方法来说,本施工技术具有操作简便、转换灵活、施工快捷等特点,对同类工程具有一定参考价值。     

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。     

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。     

漫谈矿山法隧道技术讲座——后语

本讲座在16讲中,总结的矿山法隧道设计、施工的基本经验和行动准则（关键技术）可归纳为以下的“32字箴言”,即： 围岩为本,地质先行,松弛有度,内实外美,排堵协调,重视环境,预防维护,管理到位。实际上,“32字箴言”也是老生常谈,也是大家公认的。问题是,与“32字箴言”对应的“八大关键技术”,我们做得如何,要心中有数。有些技术亟待完善,有些技术则刚刚起步,有些技术尚在研究之中。因此,如何利用每年修建上千座隧道的大好契机,把我国修建矿山法隧道的技术提高到与“隧道大国”相适应的水平,实现“隧道强国梦”,是本讲座所追求的一个愿望。“抛砖引玉”,愿大家共勉之。     

圆梁山隧道深埋充填性溶洞“爆喷”的机理分析

本文从地形地貌、区域地质条件及固、液、气三态物质的相互作用等方面探讨了圆梁山隧道深埋充填性溶洞产生“爆喷”的机理,希能为类似地质条件下隧道的安全施工提供些有益的借鉴。     

适于TBM施工的HSP法实时预报技术设计与实现

为实现TBM施工隧道的实时地质预报,以TBM刀盘滚刀破岩震动作为震源的HSP法地质预报技术为基础,通过分析TBM施工工艺与机身结构特点,对HSP系统硬件和软件进行优化设计,使其小型化、自动化和智能化,并搭载于TBM上进行智能控制。在TBM掘进过程中,首先,通过隧道轮廓位置的检波器连续或高频次地采集地震反射波信号; 然后,经系统软件对数据的自动处理,实时获取掌子面前方地层反射特征参数图谱; 其次,通过智能识别技术完成对不良地质反射界面的有效拾取与判识; 最后,实现不良地质的探测。通过对适于TBM施工的HSP法实时预报技术进行优化设计,实时探查前方地层不良地质(体)位置、规模与性质,为TBM的高效施工起到一定的推助作用。     

贯彻环保理念努力实现隧道进洞施工“零开挖”

 以正在建设中的包（头）茂（名）高速公路小河-安康段为依仗,详细论述了隧道进洞施工“零开挖”在不同地形、地质条件下的设计理念和施工方法,以企树立公路基础设施建设与环境保护全面协调发展的全新思维方式,以保护和合理利用生态环境,将工程建设（洞口开挖）对自然生态的不利影响减少到最低程度,可为公路隧道设计施工提供借鉴。     

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。