TBM刀盘及滚刀施工机理试验研究

为进一步丰富并探索TBM刀盘及滚刀破岩与受力特征施工机理,结合TBM掘进工程实践进行了全面试验研究。结果表明:贯入度与刀盘推力及滚刀径向力间均呈二次抛物线关系,加大刀盘推力及滚刀径向力,增大贯入度有利于降低破岩能耗;刀盘振动基频与平均振幅较低,最大振幅相对较大,与滚刀破岩机理相一致。盘型滚刀破岩机理具有剪切破坏特征。双刃滚刀径向破岩峰值力远超刀盘总推力分配均值,峰值力较均值增大较多;正滚钝刀贯入度相同时,由是削破碎大块岩体而在能耗上更为经济,适当加大滚刀尖角有利于破岩增效及延长刀具寿命。试验研究成果全面、可靠,对刀盘及滚刀研发与优化技术改造具有重要意义。     

高地应力软岩隧道 ＴＢＭ适应性分析及应对方法研究

ＴＢＭ在高地应力条件下的工程软岩隧道地层中掘进存在较大的卡机风险，国内外采用定量化指标判定 ＴＢＭ适应性的方法缺乏；为提高 ＴＢＭ在高地应力软岩隧道适应性判定的准确性，更有针对性的制定卡机风险应对方案；通过引入护盾摩阻力等定量化指标，建立以护盾摩阻力与 ＴＢＭ极限推力间的关系为护盾受力判据，对 ＴＢＭ掘进适应性进行分级，以此判断 ＴＢＭ卡机风险大小，提前采取预处理措施来减轻卡机风险。结果表明:不同级别围岩变形对护盾产生的摩阻力大小对 ＴＢＭ正常掘进影响较大，通过定量计算护盾摩阻力，并与 ＴＢＭ推力进行对比，能够提高 ＴＢＭ适应性判定准确性；隧道工程软岩地段围岩地应力与岩石强度是影响 ＴＢＭ掘进的关键因素，围岩对护盾产生的摩阻力与地应力大小成正比，与岩石单轴抗压强度高低成反比。得到的结果为制定卡机风险应对方案提供了理论依据，可为类似工程施工提供参考。     

复杂富水地层下盾构机掘进速度模型建立与参数优化

文章结合山西省小浪底引黄工程引水干线盾构隧道工程,建立了复杂富水地层下盾构机掘进速度及刀盘扭矩的数学模型,得到刀盘总推力、盾体铰接总力度和刀盘转速与掘进速度成比例关系;刀盘总推力和盾体铰接总力度对刀盘扭矩的影响较为明显;对掘进速度数学模型进行参数优化,得到盾构机在复杂富水地层下掘进时的最佳掘进参数。研究结果为本项目工程中盾构机掘进参数的确定提供了理论基础,具有一定的参考意义及工程价值。     

泥水平衡顶管机推力扭矩计算及钢顶管失稳分析

在福建省平潭及闽江口水资源配置工程的隧道掘进中,为了研究泥水平衡顶管机设计的合理性以及施工过程中钢顶管的稳定性,结合泥水平衡顶管机的特点以及施工地层条件,提出了考虑滚刀和刮刀实际贯入阻力的刀具载荷计算修正模型。对现有泥水平衡顶管机掘进的推力计算模型进行了分析,引入刀具破岩阻力和切削力矩,修正了顶管机的推进力计算模型和扭矩计算模型。对仅轴向推力作用下,仅土体围压作用下和推力、围压共同作用下的钢顶管稳定性进行分析,推导出了其失稳临界值,验证了顶管机在类似工程地层下施工的可靠性。     

关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾TBM掘进机施工,隧洞围岩大部分为弱风化—微风化花岗岩,围岩坚硬完整、岩石强度高(最高强度达190～230MPa)。刀盘是TBM重要部件,刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率,降低施工成本起着决定性的作用。通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析,初步确定刀具形式、滚刀间距、滚刀直径等刀盘参数,为硬岩掘进创造基本条件;通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析,对刀盘初期设计参数进一步优化,适当增加滚刀数量,提高了TBM的掘进效率。     

TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果影响研究

TBM滚刀位置布置对于TBM掘进效率极为重要,为研究TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果的影响,利用二维离散元颗粒流软件(PFC2D)建立TBM双滚刀破岩模型,对TBM破岩过程中裂纹的扩展、岩石破坏形式、岩片面积、破岩比能、滚刀推力等变化进行了模拟分析。结果表明:(1)滚刀间距对于破岩效果具有较为明显的影响。间距过小时,滚刀间形成的岩片过于粉碎,滚刀间距过大,相邻滚刀形成的裂纹无法贯通,滚刀之间形成岩脊。间距不同破岩比能不同,存在最优滚刀间距现象。(2)滚刀入岩次序影响破岩效果。前后滚刀对于岩石的损伤深度和范围不同,同时破岩时左右滚刀所需垂直力较为接近,顺次破岩时后滚刀所需垂直力平均值小于前滚刀。相同滚刀间距下顺次破岩比能高于同时破岩时的比能,破岩效果将低于同时破岩情况。研究成果可为TBM滚刀布置设计提供一定参考。     

基于GRU算法的盾构掘进参数预测——以成都地铁19号线为例

刀盘扭矩和刀盘推力是保障盾构机正常掘进的关键参数，对其准确预测可有效指导设备运行。本项研究的数据来源于成都地铁19号线土压平衡(EPB)盾构机的掘进数据。深入剖析了EPB盾构掘进数据的特点，提出了一种包含数据分割、异常值处理、数据降噪和数据编译4个阶段的标准数据预处理算法。在Butterworth滤波器基础上，利用门控循环单元(GRU)建立了盾构掘进参数预测模型，基于RMSE和MAE指标综合评估预测模型的预测效果。结果表明：预测模型对不同地质条件下的刀盘扭矩和刀盘推力掘进参数均能实现良好预测；经过Butterworth滤波，预测模型的预测精度提高显著；砂岩地层中，预测模型对刀盘扭矩的预测误差最小，RMSE和MAE分别为4.91和3.86。基于GRU算法的掘进参数预测，可提高盾构机掘进状态的判断水平，利于施工参数优化调整。     

破岩机械垂直破岩力的设定理论研究

通过盘形滚刀侵入岩石的压痕试验得出岩石的跃进破碎参数。基于这些破碎参数建立破岩机械器具的垂直推力的预测公式及破岩机械工作点的设定理论，提高了刀具垂直破岩力预测的精确性，同时为减轻破岩机械的振动、噪音、粉尘的产生及破岩刀具的磨损提供了理论基础。     

盾构掘进参数优化研究

盾构机目前已广泛应用于各种土建工程领域,城市地铁的修建多使用盾构法,盾构法隧道施工具有安全、快速、地表沉降小等优点。盾构掘进参数包括刀盘转速,扭矩,刀盘压力等,在掘进过程中需要根据地质情况选择合适的掘进参数。本文依托深圳地铁5号线长龙-布吉盾构区间为工程背景,统计和分析了盾构掘进的各项参数,并总结了参数之间的相互关系。     

TBM净掘进速度预测模型发展现状及参数分析

TBM净掘进速度预测模型能为隧道施工方法选择、施工进度安排和成本估算提供科学依据。本文对国内外32个典型模型开展参数定性和定量分析。根据各模型建模原理可将参数输入过程划分为按逻辑和组合关系输入、作为修正参数输入、直接输入参数三种类型。评价TBM掘进速度的岩体参数以单轴抗压强度、岩石质量指标、隧道与结构面夹角和岩石脆性指数居多,机械参数主要是单刀推力和刀盘转速。通过调整岩体工程特性关键参数影响区间以及引入机械参数,可将钻爆法岩体分类(RMR、RSR、Q_(system))应用到TBM净掘进速度预测。模型参数选取需要权衡简易性和准确性,参数太少虽然简易但影响预测精度,参数过多会导致实际操作繁琐而不利于工程广泛应用。参数选取合理、组合恰当以及权重分配符合实际是净预测模型准确可靠的关键,随着对掘进过程和破岩机理的深入理解,开展与岩-机作用相关的新评价参数研究将是未来发展趋势。     

较破碎岩体中桩基竖向承载力分析与探讨

较破碎岩体中桩基设计时往往被视为端承桩,不计桩侧阻力,使得桩基承载力未能得到充分利用,因此,需对其进行更深入的研究。以贵州某地区嵌岩桩为研究对象,地基持力层岩体为较破碎岩体,通过单桩竖向抗压静载荷试验,分析较破碎岩体嵌岩桩竖向承载力,探讨较破碎岩体中桩基的承载特性。研究结果表明较破碎岩体嵌岩桩嵌岩段桩侧摩阻力发挥较好,且在同一岩性中因成分不同其值各有差异。根据实测结果,结合经验参数计算,桩基竖向承载力实测值为计算值的4.2~5.5倍。由此可见,较破碎岩体中嵌岩桩的侧摩阻力十分可观,若按端承桩设计,会创成工程成本增加。成果可为较破碎岩体中桩基设计提供参考。     

复合地层下盾构切刀破岩仿真分析

正随着城市建设的发展,水利隧道工程以及地铁施工项目的日渐增多,盾构的应用也日渐广泛。盾构是利用液压油缸产生的推力作用在刀盘上,通过刀盘的旋转使刀具不断地向前切削土体,在隧道的掘进过程中,盾构掘进参数的合理设定将减小刀具的磨损,保证地面构建物的沉降和隧道建设的安全,而掘进参数的设定不仅与地质条件有关,而且与刀盘刀具的受力有关,所以研究刀盘刀具在切削过程中的受力可以为盾构掘进参数的合理设定提供科学     

不同围岩条件对TBM掘进的影响研究

以山西省大水网中部引黄工程为例,选取碳酸盐岩类洞段与变质岩岩类洞段进行对比,从掘进速度、掘进参数、刀具消耗、掘进时间利用率四个方面进行分析,研究表明:在不同围岩条件下,随着岩石抗压强度、完整性、石英含量的提高,刀盘推力不断增加,刀具检查频次及消耗量显著提高,掘进贯入度明显下降,可钻性及掘进效率大幅降低。由此可见,ＴＢＭ适宜在较硬岩和较软岩中可以发挥较高的掘进效率,而在岩体完整的坚硬岩中须对刀具耐磨性、ＴＢＭ额定推力等参数进行专项研究,以提高ＴＢＭ工法在不同围岩条件下的适应性。     

基于LSTM-GRU模型的TBM掘进参数时序预测研究

隧道掘进机(TBM)施工效率对于地质条件的高度敏感性，以及TBM设备智能控制并最终实现无人驾驶，都对在复杂地质条件中精准预测TBM掘进参数提出了更高要求。为精准预测不同等级围岩下TBM的掘进速度、总推力、刀盘转速和刀盘扭矩，基于向原始数据学习和向误差学习的双学习机制，建立了掘进参数时序预测模型LSTM-GRU,并对某引水工程隧洞TBM施工实例进行了计算分析，验证了模型的有效性。最后选用决定系数R²、均方根误差、平均绝对误差、平均相对误差等4个参数，分别与广义回归神经网络GRNN、长短时记忆网络LSTM以及门控循环网络GRU的预测结果进行比较分析，结果表明，Ⅱ级围岩和Ⅲ级围岩下，LSTM-GRU模型的预测精度更高。研究结论可为隧洞工程TBM施工控制提供参考。     

济南地区盾构隧道富水闪长岩物理力学特性试验研究

济南地区存在富水闪长岩地层,其强度离散性大,了解其性质对于盾构选型、刀盘配置及盾构 掘进施工等具有重要意义。以济南地铁Ｒ２线长途汽车站地铁站在建基坑附近钻芯获取的不同风化闪 长岩作为研究对象,通过电镜扫描实验在微观层面观察其结构和矿物组成,利用岩石耐崩解实验在宏观 视角分析其遇水崩解的发展程度,并根据单轴及三轴压缩试验得到相关力学指标,分析其对盾构掘进能 力的影响,可为盾构在类似地层中施工提供参考。     

盾构机脱困施工技术研究

盾构法施工隧道中,在全断面硬岩地层中经常会发生卡盾现象,盾构不能顺利掘进,工期及施工成本将大大增加。结合福州220 kV东台-盖山线路缆化工程电力盾构隧道施工案例,介绍卡盾的几种情况,分析卡盾原因,采取加装撕裂刀破岩、岩石热破碎及人工破岩3种盾构脱困技术,成功实现盾构脱困,并制定防卡盾措施。通过施工实践,总结盾构机脱困施工技术。     

隧洞塌方引起的TBM刀盘被卡事故风险评估

隧道掘进机(TBM)在节理岩体中掘进,刀盘可能被困;为了减少损失,进行风险评估很有必要。通过刀盘被困理论分析可知,刀盘被卡与否取决于扭矩与阻力矩的关系;阻力矩大小由塌方高度决定,根据塌方高度的随机特性,结合概率理论建立了刀盘被卡概率计算公式。同时,根据塌方产生的阻力矩的大小和TBM刀盘参数,将刀盘被困的后果分为5个等级,并结合概率等级提出了刀盘的风险评价矩阵。通过工程实例计算,验证了研究结果的合理性。     

顶管施工坚硬岩层非爆破破岩掘进技术应用

针对复杂地质条件下,顶管施工在遇到岩石、硬土等坚固物块时采用何种方式破岩掘进这一问题,为合理选择破岩方式,根据滇池外海北部水体置换通道改造工程的实际施工情况,分析非爆破掘进技术在小断面水文与工程地质特殊以及周边环境复杂、施工减振(噪)要求高等条件下的适用性。经过对比,最终确定了在无水施工段和有水工作段分别采用静态破碎法、劈裂法作为顶管施工坚硬岩层的非爆破破岩方法。无水段采用采用静态破碎法破岩施工时,根据断面情况提出水平布孔和环形布孔两种方式,相邻孔距为40 cm,排(环)距为50 cm,孔径42 mm;含水段采用劈裂法施工时,全断面采用同静态破碎法工艺相同的环形布孔方式,若断面为复合断面,则应在断面正底部150°范围内钻孔取临空面后,沿临空面向上逐排布孔,孔径100 mm。工程实践表明:静态破碎法在无水工作面岩石掘进效果较好,掘进速率为8.5 m/d;在有水工作面因破碎剂失效,应采用劈裂法破岩,劈裂法破岩速率为10.5 m/d;静态破碎法有利于掘进断面控制,而与静态破碎法相比,劈裂法具有适应性强、掘进速度快等优点。该工程的顺利实施为今后类似条件下小断面顶管硬岩非爆破破岩掘进施工提供了有益的借鉴。     

顶管施工坚硬岩层非爆破破岩掘进技术应用

针对复杂地质条件下,顶管施工在遇到岩石、硬土等坚固物块时采用何种方式破岩掘进这一问题,为合理选择破岩方式,根据滇池外海北部水体置换通道改造工程的实际施工情况,分析非爆破掘进技术在小断面水文与工程地质特殊以及周边环境复杂、施工减振(噪)要求高等条件下的适用性。经过对比,最终确定了在无水施工段和有水工作段分别采用静态破碎法、劈裂法作为顶管施工坚硬岩层的非爆破破岩方法。无水段采用采用静态破碎法破岩施工时,根据断面情况提出水平布孔和环形布孔两种方式,相邻孔距为40 cm,排(环)距为50 cm,孔径42 mm;含水段采用劈裂法施工时,全断面采用同静态破碎法工艺相同的环形布孔方式,若断面为复合断面,则应在断面正底部150°范围内钻孔取临空面后,沿临空面向上逐排布孔,孔径100 mm。工程实践表明:静态破碎法在无水工作面岩石掘进效果较好,掘进速率为8.5 m/d;在有水工作面因破碎剂失效,应采用劈裂法破岩,劈裂法破岩速率为10.5 m/d;静态破碎法有利于掘进断面控制,而与静态破碎法相比,劈裂法具有适应性强、掘进速度快等优点。该工程的顺利实施为今后类似条件下小断面顶管硬岩非爆破破岩掘进施工提供了有益的借鉴。     

岩石在盘形滚刀作用下的性能研究

考虑岩石的各向异性,深入研究了岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点,建立了岩石在盘形滚刀作用下的力学模型,给出了岩石在盘形滚刀作用下形变的几何方程、物理方程和平衡方程。并通过对岩石在盘形滚刀垂直载荷和平面滚压载荷作用下的试验观察,提出在盘形滚刀垂直力的计算中以盘形滚刀侵入岩石而在岩石表面形成面积（双曲线围成）上的平均应力代替岩石的杨氏模量;在滚动力的计算中以岩石的抗拉强度代替剪切弹性模量,以抗剪强度代替A常数;盘形滚刀破岩侧向力计算中的岩石性能参数则取用杨氏模量。将此方案用于所建立的的力学模型,求得了盘形滚刀破岩的垂直力、滚动力和侧向力;计算结果均比已有压痕试验求得的垂直力、线性滚压岩石试验求得的垂直力和滚动力更精确。计算还获得了盘形滚刀破岩的侧向力,其结果也通过了试验验证。