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。     

基于硬化泥膜的填舱换刀技术研究

为了解决砂土地层盾构刀盘换刀作业面易涌水、涌砂进而导致作业面失稳坍塌问题,采用水泥砂浆和膨润土浆液组成的混合浆液在土舱压力作用下,通过刀盘开口向砂土地层渗透,经固化后在原有稳定泥膜的基础上形成新型混合泥膜,在利用风镐清除土舱内硬化混合浆液的同时,保留刀盘前段形成的混合泥膜,即可进行盾构刀盘换刀作业。通过在广州某地铁盾构施工项目中的应用,表明本施工技术能为砂土地层盾构换刀提供高效且安全的解决方案。     

使用聚合物对纯砂层进行渣土改良的试验研究

土压平衡盾构在不同的地层进行渣土改良的关键是选择合适的改良剂,纯砂层施工中最常用的改良剂就是膨润土泥浆,目前已开始尝试使用聚合物进行改良。本文选取3种典型的聚合物,研究聚合物溶液特性与聚合物浓度、搅拌时间和静置时间的关系,并选择合适的聚合物对粗砂试样进行塌落度试验、渗透试验和直剪试验的室内试验研究。研究结果表明,针对粗砂地层(含水率10%左右),0.3%的PAM聚合物溶液注入率为20%~25%时,能有效增强粗砂的流动性和黏聚性,降低渗透系数和摩擦因数,满足土压平衡盾构施工要求。     

立交隧道相互作用三维数值模拟与实测对比研究

以温福铁路琯头岭隧道下穿同三高速公路隧道为例,研究新建下穿隧道与既有隧道工程之间相互影响的问题。采用ANSYS有限元软件,模拟上覆公路隧道和下穿铁路隧道的位移和应力变化情况,并与现场监控量测结果对比,得到以下结果:下穿隧道拱顶沉降量较小,水平收敛值较大,下穿隧道立交段拱腰和边墙是需要重点支护的对象;上覆隧道在立交段下沉值变大,变化幅度为仰拱边墙拱腰拱顶,隧道中部和下部水平收敛值变化较大;受下穿隧道开挖影响,立交隧道上覆地层受力产生不均匀变化,造成扭矩存在,地面水平位移整体呈现"8"字形,立交隧道的建设对地层产生了较大的转动扰动。     

磁力摩擦式辅助驱动在TBM连续皮带机中的应用

长大隧道TBM(tunnel boring machine)施工大多采用连续皮带机出渣,当运输距离较大时通常需要在中间增设辅助驱动,以降低胶带最大张力,从而降低胶带强度。为了提高辅助驱动的工程适应性,研发了磁力摩擦式辅助驱动系统,具有驱动力大、无二次转载、胶带无二次冲击损伤、结构简单、故障点少、结构紧凑占用空间小、安装方便和配置灵活等特点。该成果可用于采用钢丝绳芯胶带的TBM连续皮带机、支洞皮带机以及其他需要辅助驱动的胶带输送机,并在山西省中部引黄工程TBM1标段成功应用,具有广阔的推广应用价值。     

盾尾密封油脂泵送性测试仪器、测试方法与评价标准研究

针对目前国内盾尾密封油脂的泵送性无精确定量测试设备、测试方法和评价标准的问题,对国内外盾尾密封油脂泵送性的测试仪器、测试方法和评价标准进行了梳理和对比。根据课题组对盾尾密封油脂的配方和性能的研究成果,结合我国盾构隧道施工中盾尾密封油脂的具体使用情况,参考ASTM D1092,研制了盾尾密封油脂泵送性的定量测试设备、给出了测试方法,并推荐了其评价标准。为我国制定盾尾密封油脂泵送性指标的行业标准提供了借鉴。     

土压平衡盾构施工中泡沫改良砾砂土的试验研究

为了解决土压平衡盾构在砾砂土地层掘进过程中,土体塑流性差、刀盘及螺旋输送机磨损严重和开挖面平衡不易保持等问题,通过自制泡沫发生器发泡,对砾砂土地层的泡沫改良技术进行室内试验研究,分析气液比、含水率和泡沫掺量对塑流性的影响和改良前后土样的渗透系数的变化规律,得出泡沫发生器气液比在30∶1~55∶1、含水率为5%~12.5%、泡沫掺量为20%~40%时,土体具有较好的塑流性,泡沫的"轴承效应"和泡沫剂中表面活性剂的亲水基团与水、砾砂土颗粒形成的氢键是塑流性提高的根本原因;使用泡沫剂改良砾砂土后,渗透系数大幅降低,掺泡沫后在280 min内渗透系数随时间变化较小,能达到10~(-5)cm/s,泡沫剂溶液中高分子化合物的联结和液桥力是土样具有堵水作用的原因。     

高黎贡山隧道复杂地质条件下敞开式TBM施工关键技术研究

高黎贡山隧道地质条件极其复杂,可总结为"三高四活跃"。其中,高地热、高地应力、多断层破碎带、高压突涌水是制约TBM施工质量和安全的主要地质因素,将给TBM施工带来不可预估的风险。为了减少以上地质问题带来的TBM施工风险,通过资料查阅、调研国内外现有的TBM施工案例、专家咨询研讨、设计高适应性的TBM,并结合工程目前的施工状况,提出了TBM超前地质预报、钢筋排和钢拱架联合喷射混凝土及时支护、合理调整掘进参数等一系列确保TBM连续施工的方案与措施。研究结果可为即将进场施工的TBM提供理论参考。     

圆形隧道施工对不同深度地层沉降影响的模型试验研究

为了预测圆形隧道施工引起地表以下不同埋深地层沉降特征,首先,通过理论推导不同地层最大沉降位移与沉降槽宽度系数的函数关系;然后,建立包括试验台架、地层模型、圆形隧道开挖模型以及测量地层变形装置的平面应变模型试验系统。通过理论解析和模型试验可知:1)地表以下地层的最大沉降位移与沉降槽宽度系数成反比;2)不同深度地层的沉降位移随着地层埋深的增加而增大,且地表以下地层沉降槽曲线仍然符合正态分布;3)通过对模型试验数据进行回归分析,得到黏土地表以下不同深度地层沉降槽宽度系数的计算公式,从而为预测圆形隧道施工地表以下不同深度地层竖向位移提供了一种可靠的计算方法。     

多元评价体系组合模型在铁路隧道变形预测中的应用

为克服传统预测模型结构单一、预测精度及稳定性不足等缺陷,提出多元体系组合预测模型的建模思路。首先,基于支持向量机、BP神经网络及ARMA模型3种单一预测模型,构建铁路隧道变形预测体系;再以均方根误差、误差平方和及平均绝对误差等为评价准则或指标,构建各预测结果的误差评价体系,求解各单项预测模型的权值贡献指数,得到最优组合权值;然后利用后验差检验、残差检验和关联度检验构建预测精度校验体系,对组合预测结果进行检验,评价预测模型的有效性;最后,结合工程实例,对多元体系组合预测模型在特大断面隧道中的变形预测效果进行检验。结果表明:多元评价体系组合模型预测相对误差值均小于2%,具有较高的预测精度,且较单一预测模型具有更高的预测精度,也一致通过相关检验,验证了多元体系组合预测模型的有效性。