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     

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。     

引汉济渭秦岭隧洞高磨蚀性硬岩TBM滚刀磨损试验研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM掘进施工在试掘进段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生严重磨损,致使施工进度严重滞后。为降低刀具磨损,节约施工成本,加快施工进度,必须对刀具磨损进行准确预测。针对高磨蚀性地层,开展滚刀磨损预测研究; 通过课题组前期研究结果,建立滚刀磨损理论预测模型; 通过室内实验,建立滚刀磨损实验预测模型; 通过现场试验,对室内实验模型及课题组前期研究建立的理论预测模型进行验证。结果表明,实验预测结果具有较高的准确性,相对误差在10%以内。     

深埋隧道TBM施工岩爆特征规律与防控技术

川藏铁路隧道等深埋隧道工程的岩爆给TBM施工安全和掘进速度带来很大影响,这是亟待解决的技术难题。以埋深超过2000m的引汉济渭工程、新疆ABH工程为案例,与锦屏Ⅱ级水电站工程进行对比。基于现场大量数据分析,给出岩爆对TBM施工安全速度影响和时空特征规律;并结合TBM结构和工法特点,提出了"轻微、中等、强烈"3个等级岩爆的TBM施工防控目标,以及"掘速控制、风险控制、时空控制、分级控制"4个TBM施工岩爆防控准则;分别给出了轻微、中等和强烈3个等级岩爆的防控技术方案,从而构建了"装备—掘进—支护"三者协同控制的"3-4-3-3"分级岩爆防控理论技术体系,并在实际工程中应用。主要研究结果为:1)TBM施工速度轻微岩爆为无岩爆的70%～90%,中等岩爆为无岩爆的50%～70%,强烈岩爆为无岩爆的25%～50%;2)20%～40%的岩爆发生在开挖后10 h以内,10～24 h岩爆发生频率最高,90%以上的岩爆发生在24 h以内,9%的强烈岩爆发生在24～48h;3)超过30%中等以上岩爆发生在护盾至掌子面区域,90%以上的中等和强岩爆发生在掌子面后15 m以内,主动控制TBM进尺速度可使80%～90%的强岩爆控制在TBM护盾至掌子面区域。所提的技术方案已成功用于以下工程:1)新疆ABH工程,其中1台TBM已安全高效穿越了全部中等岩爆洞段,完成14 km掘进; 2)引汉济渭工程,岭南段TBM穿越了10 km岩爆洞段,在第2掘进段中穿越了2 km连续强岩爆洞段,强岩爆洞段平均月进尺达到110 m。     

引汉济渭工程岭北隧洞TBM利用率分析

为了分析TBM利用率的主要影响因素,统计分析引汉济渭工程岭北隧洞连续掘进2 100 m的围岩特征和掘进记录,确定了导致TBM非正常停机的底事件,建立了TBM非正常停机故障树模型,结果表明出渣系统故障、支护设备故障、刀盘刀具故障和电气故障是导致TBM利用率不高的主要因素。通过TBM利用率及主要故障与场切深指数（Field Penetration Index,FPI）相关性分析,表明节理破碎岩体中TBM利用率与FPI之间不存在明显相关性,出渣系统故障、支护设备故障、刀盘刀具故障与FPI有较强的相关性。分析主要故障发生原因,从设备管理和现场施工管理2个方面提出TBM利用率提高措施。     

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。     

敞开式TBM安全快速通过隧洞强岩爆地层施工技术——以引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM施工段为例

岩爆为深埋隧洞施工的主要灾害之一,为有效解决敞开式TBM在强岩爆地层施工中安全风险高、效率低这一核心问题,依托引汉济渭工程秦岭隧洞岭南TBM段在岩爆防治措施上的多年实践与研究,形成具有针对性的强岩爆防治技术体系。研究结果表明： 1）引进微震监测岩爆超前预测系统后,通过监测实施过程中数据的不断分析与修正,能大致推断出掌子面前方约15 m范围内围岩可能出现的岩爆等级; 2）采取合理的超前钻孔应力释放预处理措施,可以降低围岩出露TBM护盾后岩爆发生的规模与频率; 3）通过对治理工艺进行优化,可实现高岩爆风险区围岩的快速封闭; 4）采用合理的支护材料,能有效防止滞后性强岩爆对初期支护体系的破坏。系统的防治体系有助于强岩爆地层的施工安全管控,也可达到加快施工进度的目的,对类似工程具有一定借鉴意义。     

HSP法在引汉济渭TBM隧道地质预报中的应用

为了解决超前地质预报与TBM快速施工之间的干扰,结合TBM的施工特点,分析地质预报的难点,介绍适用于TBM施工的HSP声波反射法原理和探测方案。该方法创造性地利用刀盘剪切岩石产生的振动信号为震源信号,采取阵列式布极,获取前方地层特征参数,来预报TBM施工前方的地质条件,来达到TBM快速施工的目标。通过HSP在陕西省引汉济渭工程TBM施工段应用案例的解析和实际情况的对比分析,表明HSP声波反射法对不良地质结构面的存在具有较好的正相关响应,是适用于TBM施工时地质预报的高效方法之一。     

小风室接力通风在引水隧洞斜井进主洞施工中的应用

引汉济渭秦岭隧洞采用单斜井单正洞双向掘进的方式进行施工,最长独头通风距离达6 386 m,且主洞净空断面小,需要考虑同步衬砌、车辆通行安全距离和风管直径等因素,采用传统的通风方式已不能满足施工需要。为此,在参考前人的研究基础上结合本工程的实际情况,为本工程设计了小风室接力通风方案,经过相应的供风计算,从理论上分析小风室接力通风的可行性,通过工序优化及辅助通风措施的应用,科学合理地优化了通风方案,最后通过现场检测验证了小风室接力通风的应用效果,可为类似工程提供参考。     

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。     

陕西引红济石调水工程Ⅳ标TBM成功始发

2008年10月8日上午，陕西引红济石调水工程引水隧洞Ⅳ标TBM始发仪式举行，引红济石调水工程Ⅳ标双护盾TBM的成功始发标志引红济石Ⅳ标施工进入掘进决胜阶段。     

高压富水隧洞硬岩地层径向注浆堵水施工技术及应用

引汉济渭工程岭南隧洞TBM施工穿越高压富水破碎带等不良地质段,施工过程中隧道断面高压突涌水严重。为解决高压富水破碎带的大量出水问题,本文提出"钻孔分流+表面嵌缝+浅层封堵+深层加固"的裂隙径向注浆堵水处理技术,配合新型注浆材料,实现了对高压富水裂隙出水的有效封堵。结合岭南隧洞工程隧道断面出水情况,给出裂缝宽度、注浆量、注浆压力等计算公式以及注浆过程控制标准。通过对工程现场8个出水段实施径向注浆堵水技术,洞内出水量由原来的46 000 m3/d降至7 800m3/d左右,实践证明该技术方法有效,可为同类高压富水破碎地层径向注浆提供参考。     

长深隧洞突涌水危险性等级指标及评价方法

长距离、大埋深已成为未来隧洞工程的新特点,其中突涌水问题是制约此类工程开挖进度的关键因素之一。陕西省引汉济渭秦岭输水隧洞越岭段长81.8 km,最大埋深2 000 m,地质构造复杂,因此以该工程为背景研究长深隧洞突涌水灾害等级评价问题具有重要的科学价值和实用价值。在分析大量地下洞室突涌水灾害的基础上,针对长深隧洞突涌水的孕灾环境,遴选了地层岩性、岩层产状、不良地质、地表汇流条件、隧洞底部水头压力、可溶岩与非可溶岩接触带、层面（间）节理裂隙与地表河流规模结合度7大指标,采用打分法描述指标致灾因子的致灾程度,构建了长深隧洞突涌水灾害危险性等级评价指标体系,运用模糊层次分析法构建指标间的判断矩阵,用最大特征根法求取每个指标的权值,通过对评级层建立云模型,使综合评价等级的隶属度更加客观,形成了一种长深隧洞突涌水灾害危险性等级评价方法;并建立了突涌水危险性等级与单点最大突涌水量范围之间的对应关系,可在初期设计阶段预测突涌水量范围。结果表明：秦岭隧洞已开挖段（约60 km）突涌水危险性评价结果与实发突涌水情况吻合性较好,验证了长深隧洞突涌水灾害危险性等级指标及评价方法的可靠性,对秦岭隧洞未贯通（约20 km）突涌水危险性进行评价,为有效预防突涌水灾害发生奠定了基础。     

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。     

秦岭输水隧洞施工对黑河金盆水库的影响

秦岭输水隧洞出口端邻近黑河金盆水库,为缩短洞线长度,减小工程投资,在勘察设计阶段对下穿黑河金盆水库区的地质条件进行认真研究。在对地面大量调查基础上,采用钻探、物探、取样试验等综合勘察手段,运用定性分析与定量计算相结合的评价研究方法,详细分析秦岭输水隧洞通过区的工程地质、水文地质特征及隧洞施工对水库渗漏的影响程度。根据影响分析结果,研究提出相应的防止库水渗漏的隧洞施工建议。经施工实践证明,秦岭输水隧洞洞线方案选择经济合理、对库区及地下水环境的影响小,达到了预期的效果。     

南水北调西线隧洞独头通风14km方案研究

规划中的南水北调西线工程地处海拔高程3 000 m以上的青藏高原,高原高寒缺氧为主要气候特点。输水线路隧洞长244km,最长洞段73 km,TBM单工作面掘进长度达25 km,考虑布置通风竖井通风,独头通风距离将达到14 km,在国内外隧道工程中都是罕见的。对通风设备、通风系统进行研究,提出14 km独头通风解决方案,为西线工程提供参考。     

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。     

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。     

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。     

引汉济渭岭北TBM施工段隧洞微震监测系统及工程应用

本文以引汉济渭岭北施工区隧洞开挖为工程背景,通过微震监测系统的建立和微震监测技术对开挖过程的实时连续在线监测和分析,研究分析岩爆发生的前兆信息。通过研究表明:岩爆发生前微震事件数量及累计能量的骤增骤减是岩爆发生的前兆,且通过微震事件的"时空强"等信息可以宏观推断岩爆发生的位置及强度。通过对岩爆发生过程中相关规律的研究,可以为隧道开挖的安全提供指导。