Analysis of Adaptability of TBM in Trial Boring Stage of Super long Tunnel（超特长隧洞TBM集群试掘进阶段适应性分析）

The total length of the 2nd stage water transfer project in the northern area of Xinjiang of China is 540 km. The project consists of three tunnels, namely Xi Er (XE) Tunnel, Ka Shuang (KS) Tunnel and Shuang San (SS)〖HJ6.5mm〗 Tunnel, with lengths of 139.04 km, 283.27 km and 92.15 km respectively. All of these three tunnels have deep cover and are super long tunnels, and 95.6% of the total length of these three tunnels is constructed by TBMs. KS Tunnel is the longest water tunnel built or under construction in the world. In the paper, the trial TBM boring scheme and schedule of the water transfer project are introduced; the geological conditions revealed are statistically analyzed; and main project difficulties, i.e. durability of key equipment in long distance driving, passing through fault and fracture zones, water inrush, single head ventilation and transportation in long distance tunneling, anti slope drainage, and rock breaking efficiency and boring efficiency, are put forward. The adaptability of the TBMs used is analyzed from the aspects of adaptability to different surrounding rocks, adaptability to bad geological conditions and countermeasures, long distance ventilation and belt conveyor mucking and countermeasures, and TBM boring stability (such as equipment availability, boring time proportion, system malfunction and operation time). The following conclusions are obtained: (1) Accurate geological survey is the precondition of efficient tunneling. (2) The open type TBM can better adapt to Grade Ⅱ and Ⅲ of surrounding rocks, jointed and fractured zones and small faults; the adaptability of the TBMs used to the large scale fault fracture zones and water rich strata in this project is poor, and it needs to be improved in aspects of TBM equipment, supporting and construction technology. (3) The average availability of the TBM equipment in the trial boring stage is 89.9%, however, the malfunction rate of some ancillary equipment is high, particularly oil leakages occur to the main bearing seals; in order to achieve long distance tunneling, it is necessary to further improve the reliability and durability of the TBM equipment. (4) The average net boring efficiency in the trial boring stage is 296%, and TBM1 in Section Ⅱ of SS Tunnel achieves up to 45.2 % net boring efficiency; and highest monthly progress rate is 1 280 m, which created the highest record of the open type TBM boring in China. (5) TBM need to make great efforts to achieve 90% of the equipment system′s availability and over 40% of the tunneling efficiency.     

基于GRA-SSA-Elman的隧洞TBM掘进适应性评价

为准确评价隧洞施工TBM掘进适应性,保障TBM安全、高效施工,提出一种基于灰色关联分析（GRA）与麻雀搜索算法（SSA）优化Elman神经网络的TBM掘进适应性预测模型。首先,从地质条件、掘进参数、不良地质、施工组织4个方面综合考虑,初步选取13个主要影响因素,建立隧洞TBM掘进适应性评价指标体系; 然后,利用GRA分析指标与掘进适应性间的关联性,引入SSA优化Elman神经网络,提高模型性能,并采用留一交叉验证法验证模型的准确性及可靠性,使得模型最接近原始数据分布特征;最后,结合北疆水利工程某标段中待测样本对模型预测效果进行验证,同时与Elman、PSO-Elman、BP神经网络模型预测结果及现场实际结果对比分析。结果表明： SSA-Elman模型预测结果与实际工程结果吻合度较高,该模型能够正确、有效地对TBM掘进适应性进行预测评价,且具有合理性和可操作性,可为隧洞TBM适应性评价提供一种新方法。     

TBM掘进隧洞施工期排水能力分析

为准确评估TBM掘进隧洞支撑轨道所用的轨排对隧洞排水能力的影响,依托某引水发电隧洞工程,将解析法和数值法2种手段相结合用于排水能力的分析,数值法算得的综合糙率代入解析公式,能准确预测在预报的涌水量条件下保证安全施工的泄流能力。该方法已在实际工程中应用,施工期间发生的数次大涌水情况下的计算过流能力与实际过流能力较符合,证明了文章所述排水能力计算分析方法的准确性与实用性。     

大伙房输水工程特长隧洞施工TBM选型研究

大伙房输水工程特长隧洞,由于工程地质条件、技术经济和环境指标的影响,为更好地发挥TBM的效率,工程施工之前就TBM的类型特征和对地层的适应性以及经济因素等的影响进行了深入研究。工程实践表明,该项工程正确的TBM选型,取得了较好的经济、社会和环境效益,可供复杂山区同类工程参考。     

大伙房特长隧洞TBM施工中TSP超前地质预报

以大伙房特长隧洞桩号8+538前方的地质为例,利用TSP203对其进行地质解译。TBM开挖后所暴露的地质条件表明,TSP203利用泊松比以及波速的变化能够准确预报地质情况。     

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。     

特长隧道“一洞双机”TBM高效掘进关键技术及应用

为降低特长隧道“一洞双机”模式下2台TBM同时施工的相互干扰,实现2台TBM协同、高效、快速施工,以北疆供水二期工程某标段为背景,针对TBM组装洞结构形式、皮带机出渣、有轨运输、隧洞施工排水等方面,基于“独立运行、统一管理”的思路,形成“一洞双机”TBM高效施工关键技术： 1）TBM组装洞结构优化关键技术; 2）双向多级皮带机出渣关键技术; 3）综合互通型有轨运输关键技术; 4）汇流式梯级抽排水关键技术。从应用效果来看,优化后组装洞结构形式合理,满足2台TBM同步组装的需要,并有助于实现皮带机、有轨运输、施工排水等关键技术系统的建立。在掘进施工阶段,各系统运行良好,有效应对了“一洞双机”模式下2台TBM施工干扰大、效率低等问题,实现了2台TBM的长期稳产、高产。     

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。     

TST与CFC技术在宝林隧洞TBM掘进超前地质预报中的应用

宝林隧洞采用TBM开挖掘进,穿越断裂破碎带,地质构造极其复杂,围岩含水波动大,施工建设风险大。为了确保施工安全,减少并避免地质灾害的发生,采用综合物探法超前预报,结合TST地震波法和CFC电磁波法进行预报,震源采用TD-IS冲击震源。从而,成功地定位了断层及影响带、破碎带、含水带,为隧道施工提供科学的指导信息。     

超特长隧洞TBM施工“115”超前地质预报系统创建与实践——以北疆供水二期工程为例

超特长引水隧洞是跨流域调水工程项目的控制性工程,施工面临突涌水、塌方等诸多地质灾害风险。为研究适用于TBM法施工超特长隧洞地质灾害预报方法,通过调研地质灾害预报预警技术的发展历程与技术现状,提出TBM法施工超特长隧洞地质灾害预报面临的挑战和关键问题。针对上述挑战与难题,建立超特长隧洞TBM施工不良地质全覆盖预报系统,即115超前地质预报系统。该系统包括1km千米级宏观地质预报、100m百米级长距离地质预报和50m十米级短距离精细探查预报3个层次,通过多元信息联合反演分析,实现对掌子面前方不良地质和可能由其引发的地质灾害形式的全覆盖预报。采用115超前地质预报系统在北疆供水二期工程地质灾害预报中开展了工程实践和应用,准确预报了隧洞施工过程中不良地质发育情况,保证了超特长隧洞TBM高效掘进和安全施工。     

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。     

特长公路隧道通风竖井施工阶段稳定性分析

结合某隧道2#通风竖井施工项目,采用数值模拟的方法,分析了竖井及风道的施工对围岩衬砌稳定性的影响。研究结果表明：竖井开挖初期,衬砌压应力、壁座拉应力和位移量均随着竖井的开挖逐步增大,最大值分别为8.1 MPa、1.03 MPa和2.62 mm。开挖到第五步和第六步时对衬砌的应力和位移影响最为不利,应采取相应的保护措施。风道开挖后拱底上抬、拱顶下沉,拱底衬砌最大位移量为3.2 mm,临近竖井部位衬砌拉应力值达到3.76 MPa,可能对初期衬砌造成局部破坏。竖井和风道连接部位衬砌和围岩均出现拉应力集中,最大拉应力值分别达到3.8 MPa和1.6 MPa,围岩最大上抬位移为2.66 mm,竖井和风道连接部位出现局部破损,在实际工程的施工中需予以加固。     

特长引水隧洞洞内横向贯通精度仿真计算和分析

为解决特长引水隧洞洞内带状平面控制网精度难以提高、横向摆动和贯通误差大等问题,结合新疆某特长引水隧洞洞内平面控制测量的实际情况,设计一种混合固定测站和自由测站观测值的隧道洞内平面控制测量新网形。首先,利用计算机模拟仿真的方法生成该平面控制测量网形的模拟观测值,经过相应处理可以估算出隧道洞内横向贯通误差;然后,按照设计网形对该引水隧洞洞内平面控制网进行实际测量。实测结果表明,采用该网形观测得到的洞内平面控制网,各项精度指标均能满足隧道二等要求,并且根据实测数据估算的洞内横向贯通精度与仿真计算结果较为接近,从而验证了所采用的仿真计算方法用于估算隧道洞内平面控制网精度的可行性和可靠性。     

TBM掘进刀具磨损实时监测技术及刀盘振动监测分析

受制于施工环境,TBM(tunnel boring machine)刀具磨损及刀盘振动实时监测问题一直难以解决。基于此,对滚刀和刮刀分别提出了基于电涡流传感器及电阻格栅的磨损实时监测系统,并通过试验建立了输出电压信号与磨损量之间的关系;同时,对吉林引松工程直径为8.03 m的隧道掘进机进行刀盘振动现场监测,并对振动响应进行时域及频域分析。结果表明:在一定地质条件下,随着贯入度的增大,刀盘振动值逐渐变大;刀盘空转频域曲线表现为局部峰值、整体幅值较小的特点,正常掘进时振动幅值明显较大的几个频率范围与刀盘空转时几个波峰对应的频率范围相同,在制作刀盘时其固有频率要尽量避开这几个频率范围,防止产生共振。     

双护盾TBM掘进施工管片内表面裂缝成因分析

在某双护盾TBM隧洞施工过程中,侧管片内表面连续出现了贯穿管片宽度的裂缝。通过对施工现场详细观察,对裂缝的分布位置、数量、缝宽进行统计分析;结合裂缝观察方式、裂缝性状与TBM操作特点、围岩状况、地下水状况、管片结构、回填灌浆等情况,对裂缝成因进行了探讨和研究。认为TBM在软质地层掘进过程中主推油缸强行牵引及尾盾钢板约束是造成管片内表面裂缝的主要原因,最后,提出了降低或减少裂缝产生的建议与措施。     

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。     

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。     

菲律宾无米乐—安佳越域引水隧道TBM掘进效率回馈分析

本文叙述了菲律宾无米乐—安佳越域引水隧道之工程内容、地质条件,并说明设计阶段推估之TBM掘进速率及TBM性能,就施工阶段之实际掘进速率回馈分析与研判并与推估值比较,探讨掘进速率、机械性能与地质条件之互制关系,验证现今国际上通用掘进速率推估方法之信赖度。本工程得以顺利在原预估之时程内如期如质完工,归功于事前地质条件之掌握,合理之契约工期订定,与承包厂商精湛之技术与应变能力,也同时为台湾在国际间提供TBM技术顾问服务竖立里程碑,及建立拓展海外技术输出之业绩与信誉,特藉本文提供两岸同业共享。     

TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策

为探索TBM、盾构盘形滚刀在破岩中与岩石的相互作用过程,优化掘进机在不同类型及类别岩层中的设备选型及刀盘刀具配置,提高破岩效率,以TBM、盾构在国内不同地区硬岩掘进实际工程案例中正常磨损的滚刀刃口磨损形状为依据,分析其磨损机制,得到以下结论:1) TBM、盾构的硬岩掘进对应于不同的机型、掘进模式、掘进参数、岩石强度、滚刀梯度硬度,其正常磨损的滚刀刃口会出现不同的特定的磨损形状。2)刃口磨损形状是在特定的边界条件下出现的结果,反过来会影响掘进效率。3)根据刃口磨损形状分析结果可知,优化及选择合适的机型、掘进模式、掘进参数、滚刀配置可以提高破岩能力及效率,延长滚刀使用寿命。     

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。