侧压系数及回填材料对双护盾TBM卡机控制的影响分析

为研究深部挤压地层侧压系数λ、回填材料弹性模量E、软填充长度Lr对双护盾TBM卡机控制的影响,采用3DEC建立了TBM与围岩相互作用模型。数值计算中采用了改进的Burgers(CVISC)黏弹塑性蠕变本构,模拟了TBM动态分步开挖,结果表明:(1)λ越大,对TBM卡机控制越不利:当λ≤1时,其影响程度较小;当1λ≤1. 2时,其影响程度逐渐增大;当λ≥1. 2时,TBM的总阻力急剧上升,对卡机控制极为不利;(2)回填材料E越大,TBM的总接触压力和总阻力越小,对TBM卡机控制越有利;(3) L_r越大TBM总阻力越大,TBM的卡机概率也越大; TBM掘进中,为了降低卡机概率应尽量缩短软填充阶段的长度。     

基于隧道掘进机掘进过程的岩体状态感知方法

针对现有技术无法预先、实时获取隧道掘进机（TBM）掌子面岩体状态参数的问题,提出基于TBM掘进过程监测的岩体状态感知方法. 以吉林引松供水工程TBM施工隧道为依托,分析TBM掘进过程中掘进参数的变化规律,建立TBM掘进参数与岩体参数数据库,研究TBM设备参数和在掘岩体参数之间的相互关系. 分别采用分步回归和聚类分析的方法建立岩机关系模型,利用监测TBM掘进参数实时感知岩石强度、体积节理数和围岩等级等参数. 以石灰岩和花岗岩地层为例,对TBM在掘岩体参数的预测值与实际值进行对比. 结果表明,利用提出的岩体状态感知方法预测的岩石抗压强度UCS和体积节理数与实际值的误差小于18%,预测当前围岩等级与实际岩体状态基本一致,验证了研究结果的准确性.     

基于现场数据的TBM掘进速率研究

为了研究TBM掘进速率在不同地质条件下的变化规律,基于吉林引松供水隧道工程开敞式TBM现场掘进数据,将TBM刀盘破岩过程分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段,并对破碎阶段应用统计回归方法,分析在不同岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数的条件下,TBM刀盘贯入度与刀盘推力、刀盘扭矩的关系.研究表明,在特定施工条件下,刀盘贯入度随刀盘推力增大呈幂函数曲线增长,随刀盘扭矩增大呈线性关系增长,增长率与岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数密切相关.进一步建立对于不同强度、完整性岩石的掘进机掘进速率模型,进行实际工程施工预测,预测结果的平均相对误差都低于16%,表明模型预测精度较高,可以为实际工程施工中操作参数的优化和不良地质条件的捕捉提供帮助.     

基于黏性耦合机理的TBM刀盘脱困特性

针对全断面硬岩掘进机(TBM)在实际工程应用中的卡机问题,对比分析现有TBM刀盘驱动系统的优缺点,设计基于液体黏性离合器(HVC)的新型TBM刀盘驱动方案,可实现在不增加系统装机功率的前提下提升TBM脱困扭矩.针对TBM脱困过程的发热问题,设计液体黏性离合器的油温冷却系统.根据油膜承载力及湿式离合器模型,构建液体黏性离合器的AMESim模型.基于新型TBM刀盘驱动系统仿真模型,研究黏性耦合作用下的TBM刀盘脱困机理,得到温升、离合器油膜厚度控制因素对TBM脱困性能的影响规律,提出电液比例溢流阀的控制策略.结果表明:通过优化设计油膜厚度控制曲线,可以实现脱困扭矩为2倍额定扭矩,持续时间长达79s的扭矩曲线,较好地满足TBM脱困对于脱困扭矩大、持续时间长的工程需求.     

刀盘掘进过程动态仿真

刀盘是岩石隧道掘进机(TBM)开挖岩石的关键部件,通过试验或者现场施工数据得到其与围岩的相互作用规律极为困难。利用数值模拟方法,在ABAQUS/Explicit环境下建立了模拟刀盘掘进的三维分析模型。采用扩展的DruckerPrager非线性弹塑性模型作为岩体的本构模型;应用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟切屑的形成及分离,并基于显式积分算法实现了TBM刀盘掘进全物理过程的直接数值模拟,得到了刀盘的动态掘进载荷以及掌子面岩体的损伤失效状态。仿真结果表明:对于所选定的岩石力学参数,当推进距离达到8.5 mm时,掌子面岩体全面损伤,刀盘进入稳定掘进阶段;在掘进过程中,刀盘载荷波动剧烈,其第1阶主频约为刀盘转动频率的2倍。上述模拟方法可以为TBM掘进过程的分析提供有效的工具。     

基于局部线性嵌入和支持向量机回归的TBM施工参数预测

依托吉林引松工程开展隧道掘进机（TBM）施工参数预测研究,提出TBM施工数据分段提取算法,提取上升段前30 s的总推进力、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速电位器设定值、推进速度电位器设定值、贯入度、贯入度指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)9个参数作为输入;通过局部线性嵌入（LLE）完成对上升段数据特征的降维;基于支持向量机回归（SVR）建立TBM施工控制参数（推进速度、刀盘转速）和负载参数（总推进力、刀盘扭矩）预测模型. 分析是否结合前一掘进循环的FPI、TPI指数进行预测对预测效果的影响. 结果表明,上述方法在推进速度、刀盘转速、总推进力、刀盘扭矩的预测中均取得了较好的预测效果,平均预测绝对百分比误差均小于15%,验证了该预测方法的有效性,该方法可以为TBM现场施工提供指导.     

NSVR硬岩隧道掘进机刀盘扭矩预测分析

为了避免硬岩隧道掘进机（TBM）刀盘受困,提出TBM刀盘扭矩的非线性支持向量回归（NSVR）预测模型来指导TBM掘进施工.结合吉林引松供水工程现场掘进大量数据,研究TBM刀盘扭矩与掘进参数间的相关关系,得到刀盘扭矩与围岩类别、刀盘转速和推进速度具有明显相关关系：随着围岩强度由强到弱,推进速度对刀盘扭矩的影响逐渐变弱,刀盘转速对刀盘扭矩的影响逐渐变强.基于这种相关关系,建立刀盘扭矩NSVR预测模型,并将该模型应用于吉林引松隧道工程,对按1：1划分的19 854个训练样本和19 854个测试样本的刀盘扭矩进行预测.预测结果表明：训练样本集和测试样本集的平均相对预测误差分别为11.3%和12.9%,测试样本集中相对预测误差高于60%的有516个测试样本,占测试样本集总数的2.6%.各项数据表明,在给定刀盘转速、推进速度和围岩类别条件下,建立的刀盘扭矩NSVR预测模型具有较高的预测精度.     

再制造全断面隧道掘进机刀盘多元损伤探究

为解决国内大量全断面隧道掘进机(TBM)未能全寿命使用,以及损伤修复相关问题。通过查阅国内外文献资料,分析TBM刀盘疲劳、磨损、蠕变、断裂等因素的影响程度,研究刀盘微观裂纹扩展机理,结合TBM刀盘特定服役环境(地质参数、结构参数、操作参数等)构建多元损伤模型,从再制造刀盘方面提出了多元损伤耦合框架。     

敞开式TBM护盾半径适应性设计

为了研究敞开式岩石隧道掘进机（TBM）护盾半径与开挖洞径的适应性问题,建立护盾与洞壁接触理论模型;基于护盾与洞壁接触间隙的变化规律,结合有限元力学性能分析和实际工况,提出护盾半径的设计方法. 结果表明：底侧护盾最下部应与最小洞壁保持5~10 mm的间隙,在水平位置附近与洞壁相切接触,护盾半径由开挖洞径上、下限共同决定;顶护盾的设计半径应比隧洞开挖半径小30~50 mm,其和洞壁的最大间隙与两者的半径差呈正相关关系,受开挖洞径大小影响微小;底护盾半径设计应保证护盾底部与最小开挖洞壁底部接触,护盾半径应比隧洞开挖半径小15~50 mm.     

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.     

基于马尔可夫过程和深度神经网络的TBM围岩识别

为了实现隧道围岩的实时识别,基于马尔可夫过程和深度神经网络模型,提出将先验围岩信息和掘进参数结合,作为深度神经网络输入的隧道掘进机（TBM）围岩实时识别方法. 根据施工现场地质勘探资料,用马尔可夫过程的隧道围岩分类方法预测隧道沿线的围岩分布概率;将该围岩分布概率作为先验围岩信息,结合TBM掘进参数作为神经网络输入,真实围岩类别作为输出,训练深度神经网络以实现对TBM前方围岩的实时识别. 使用工程现场数据进行对比实验,结果表明,所设计的深度神经网络模型的围岩总体识别率高于96%. 相比于仅将掘进参数作为输入,当结合先验围岩信息和掘进参数作为输入时,模型围岩识别率提高6%以上.     

基于XGBoost的隧道掘进机操作参数智能决策系统设计

为了实现隧道施工的同质化,提出基于极端梯度提升算法（XGBoost）预测模型的隧道掘进机（TBM）操作参数的智能决策方法. 定义场操作系数指数（FOI）作为替代传统场切深指数（FPI）的围岩级别特征参数,使用XGBoost算法建立预测模型以实现对FOI的预测,对围岩级别进行预测、判断. 通过对优秀司机在特定FOI下TBM操作参数的选择,建立专家模型实现FOI与特定TBM操作参数的关联,实现TBM操作参数的智能决策. 使用引松工程的现场数据进行对比实验,结果表明,设计的TBM操作参数的智能决策系统能够实现对优秀的TBM司机操作参数决策的复现,相比于以FPI为特征参数的传统智能决策系统,新系统的推进速度和刀盘转速两部分的平均相对误差分别下降8.84 %和7.97 %.     

大断层区隧洞TBM施工超前注浆加固计算

利用三维有限元方法,计算研究大型断层区超前注浆加固后在TBM开挖过程中隧洞变形稳定情况.通过一系列算例计算,分别考察了隧洞埋深、注浆加固环力学特性和厚度、断层材料的力学特性等对隧洞变形稳定的影响情况,从而加深了对大断层区注浆加固规律性的认识,得出的结论可用于指导大断层区隧洞TBM施工超前注浆加固工作以及今后的研究工作.     

硬岩隧道施工通风系统优化与抑尘效果评价

硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)在施工过程中会产生大量粉尘,粉尘是影响操作环境与工人身体健康的重要因素。为了进一步优化施工通风除尘效果,结合青岛地铁1号线双护盾TBM实际工况,使用Ansys-Fluent软件对隧道开挖过程进行数值分析。检测隧道各位置风速及粉尘质量浓度并与数值模拟结果进行对比,进而验证模型的有效性。针对TBM隧道施工过程中是否必要开启除尘系统,以及除尘风口位置和最优吸风流量选择等问题,开展数值模拟计算。研究结果表明:当关闭除尘系统或开启除尘系统但吸风流量在4 m³/s以下时,粉尘扩散到TBM掘进区大部分区域;在除尘风管距离掌子面15 m,吸风流量为12 m³/s时,除尘效果达到最佳,粉尘扩散全面距离降低至45 m,可以有效除尘。本研究结果可以为隧道通风除尘设计与施工提供科学依据。     

双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

隧洞掘进机开挖的围岩-支护系统联合承载数值分析

对隧洞掘进机(TBM)开挖过程围岩-支护的联合承载特性进行了数值分析.首先详细分析了在TBM掘进时,围岩和支护的相互作用过程和各种荷载的属性.然后,提出了TBM施工围岩稳定和支护受力的计算方法,主要考虑了施工作用力、开挖荷载和外水压力荷载.提出了确定TBM施工过程中围岩单独承担开挖荷载比例的计算方法.最后结合某大型供水工程,采用上述方法分析了TBM掘进段II—V类围岩稳定和支护受力特性.计算结果既符合一般规律,也提供了定量评估围岩承载能力的方法,能够充分反应不同岩性下围岩-支护系统的联合承载特性,并从数值分析角度论证了衬砌设计的合理性.     

Evaluation of boring machine performance with special reference to geomechanical characteristics

The duration of tunneling projects mostly depends on the performance of boring machines. The performance of boring machines is a function of advance rate, which depends on the machine characterizations and geomechanical properties of rock mass. There were various theoretical and empirical models for estimating the advance rate. In this paper, after determining the geome-chanical properties of rock mass encountered in the Isfahan metro tunnel, the performance of the roadheader and tunnel boring ma-chine (TBM...     

城市地铁TBM隧道掘进诱发既有建筑物变形的空间属性效应

针对城市地铁全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)隧道掘进诱发既有建筑物沉降变形的问题,考虑隧道下穿城市建筑物群实际工况的复杂性,以青岛地铁1号线小北区间段硬岩地层TBM隧道掘进下穿既有建筑物群为实际工程背景,采用数值计算分析方法,建立TBM隧道掘进连续下穿多座既有建筑物的三维力学计算模型,综合研究TBM隧道单洞掘进对单一建筑物变形的空间属性效应;从工程建设实际出发,系统研究空间属性对于TBM隧道双洞掘进连续下穿多座紧邻既有建筑物过程中诱发地层与既有建筑物的应力应变状态。研究结果表明:隧道埋深越浅,则建筑物受隧道开挖的沉降速率越大;在双线隧道开挖中,埋深越浅,建筑物受横向距离较近的隧道开挖影响占比越大,隧道埋深越大受双隧道叠加影响越大。隧道下穿不规则建筑物时对建筑物转角处以及在大尺寸建筑物附近的小型建筑物影响较大,在实际施工中需要进行监测。