复杂地质条件下双护盾TBM掘进性能研究

针对复杂地质条件下双护盾TBM的掘进性能问题,以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,采用现场实测数据统计分析的方法,研究不同地质条件下双护盾TBM利用率、滚刀损耗及掘进速度。研究结果表明：(1)对于Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩,TBM利用率随着围岩类别的降低而提高,但Ⅴ类围岩由于易发生涌水及卡机等事故,因此TBM利用率一般低于10%。(2)硬岩对TBM滚刀损耗明显高于软岩,硬岩随着围岩类别的降低,滚刀的损耗明显降低。(3)对于Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类围岩,随着围岩类别的降低,净掘进速度明显提高,TBM的平均掘进速度受净掘进速度和设备利用率两方面的影响;Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类围岩的平均掘进速度随着围岩类别的降低而提高,但Ⅴ类围岩受设备利用率极低的影响,其平均掘进速度最低。     

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。     

贯入度对引汉济渭秦岭隧洞TBM滚刀磨损影响实验研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM掘进施工在试掘进阶段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生异常磨损,施工进度严重滞后计划进度。为了降低刀具的磨损,必须研究施工因素对刀具磨损的影响,而贯入度对滚刀的磨损较为敏感。以引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为背景,通过缩尺滚刀实验,对不同贯入度下的滚刀磨损进行实验分析,确定了降低滚刀磨损的合适贯入度值,降低了滚刀的磨损,为高磨蚀性地层TBM现场掘进施工提供指导。     

高磨蚀性硬岩地段敞开式TBM掘进参数优化和适应性研究

通过论述敞开式TBM的施工特点,结合敞开式TBM在引汉济渭工程秦岭隧洞高磨蚀性硬岩地段施工的具体情况,详细陈述敞开式TBM在隧洞掘进过程中遇到的典型问题及现场采取的施工措施,对TBM在高磨蚀性硬岩地段掘进中掘进速度的影响因素和敞开式TBM适应能力进行分析。结果表明,在高磨蚀性硬岩地段,TBM掘进参数拟定宜采用高转速、低贯入度、高推力、低扭矩的"两高两低"模式。研究成果为引汉济渭工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程后续掘进施工提供了掘进施工依据,且对实现TBM快速掘进提出了具体建议。     

TBM采用大直径滚刀掘进的优越性

扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况。研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率。采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向。     

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。     

基于围岩分类HC评分的双护盾TBM施工速度预测模型

针对双护盾TBM施工速度预测问题，以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景，采用现场实测数据统计分析的方法，基于《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)的围岩分类HC评分值，研究了TBM净掘进速度、TBM利用率与围岩分类HC评分值的相关性，进而建立了双护盾TBM施工速度预测模型。结果表明：(1)TBM净掘进速度与HC值呈二次函数关系，相关性系数为0.84,随着HC值的降低，TBM净掘进速度呈现增加的趋势；(2)TBM利用率与围岩HC值呈二次函数关系，相关性系数为0.82,TBM利用率随着HC值的增加有先增大后减少的趋势；(3)围岩的HC值为41～46时，TBM的施工速度达到最高，日进尺可达到45 m以上，当HC值<41时，TBM施工速度随着HC值的降低而降低，当HC值>46时，TBM施工速度随着HC值的增加而降低；(4)预测施工速度与实际施工速度吻合较好，平均误差为5.2%,最大误差<10%,说明预测模型可靠，可用于双护盾TBM施工速度预测。     

大直径盘型滚刀在TBM上的应用

刀具是TBM破岩的主要工具,刀具的消耗量对隧道掘进施工进度和施工成本的影响至关重要,研制开发大直径滚刀是TBM发展的必然趋势。本文介绍了20″盘型滚刀研制思路及应用情况,根据工程实例统计,20″较19″滚刀更换量减少40%、设备利用率高出20%~30%,对TBM掘进效率提升的效果非常明显,经济效益也极其可观。     

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。     

引汉济渭秦岭输水隧洞硬岩TBM掘进施工技术

以陕西省引汉济渭调水工程秦岭隧洞TBM施工段岭南工程为依托,为克服TBM在长距离大埋深隧洞施工中遭遇的高磨蚀性硬岩、强烈岩爆和突涌水等施工难点,研究了掘进参数,优化了刀盘刀具,对岩爆预测并进行分类防治,采取了超前探水及堵排结合等多种措施、监测技术和施工工法。针对TBM在高磨蚀性硬岩掘进期间刀具磨损大、掘进效率低、施工成本高等问题,总结得出掘进参数选取宜遵循刀盘高转速、低贯入度,掘进高推力、低扭矩的掘进原则,通过加强刀具与围岩适应性研究,合理选择刀具,采用调整刀盘刮板座结构、易损件改用耐磨材料、优化刀盘喷水结构等刀盘升级措施可有效增加刀盘刀具使用寿命。针对岩爆给现场带来的施工难题,借助微震监测系统预判岩爆等级,分别就轻微、中等岩爆提出了防治措施,提出了"柔性结合刚性,辅以新材料"的组合工法。针对隧洞开挖出现的突涌水问题,根据"以堵为主、堵排结合、加强抽排"施工指导思路,总结出超前探水技术。这些措施大幅提高了TBM在高腐蚀硬岩洞段的掘进效率,有效吸收了岩爆发生时释放的能量,及时解除了突涌水淹没设备的风险。     

硬岩隧道掘进机滚刀破岩性能评价研究

为了提高TBM的掘进效率和地质适应性,对TBM滚刀破岩性能评价指标选取及TBM滚刀破岩性能评价方法进行了研究。通过文献阅读及专家调查,最终选取影响TBM滚刀性能的13个指标建立滚刀破岩评价体系;用改进群层次分析法（IGAHP）和基于指标相关性法(CRITIC)对评价指标进行权重计算。基于文献分析确定了13个评价指标的隶属函数,运用模糊综合评判方法,计算TBM施工破岩性能隶属矩阵,确定TBM滚刀破岩性能等级。对新疆某引水隧道4个区段进行滚刀破岩性能评价并与实际施工情况进行对比分析。结果表明：该模型的评价结果基本符合实际情况,所提出的评价方法是可行的。该方法可为TBM选型和滚刀设计优化提供指导。     

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。     

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。     

TBM掘进刀具磨耗过大及渣料中岩粉过多原因分析

HJ隧道工程施工三标项目TBM掘进刀具磨耗过大及渣料中岩粉过多,分析TBM掘进刀具磨耗机理及渣料中岩粉形成原因,对于指导刀盘刀具设计、提高刀具破岩效率、提升TBM掘进性能、降低刀具磨耗、降低设备能耗都具有重要意义和实用价值。     

TBM掘进速度及影响因素浅析

TBM隧洞施工是以掘进作业为核心,以掘进、支护、出渣运输为主要作业,通风、供电、供水、排水等为辅助作业进行的。TBM的掘进速度直接制约着整个隧洞施工的直线工期。本文总结了TBM隧洞施工中的经验,对TBM掘进速度及影响因素作了简要分析。     

TBM施工地质工作方法探索

TBM隧洞施工安全、快速,但施工中几乎很少见到暴露的围岩,无法采用传统的方法进行施工地质工作.在国际引黄Ⅲ标TBM施工中,通过岩渣形态观察、TBM掘进参数分析和地质观测窗测量等方法综合判断围岩地质条件,成功完成了施工地质工作,总结出一套TBM施工地质工作方法.     

适用于软岩隧洞的TBM设备功能特性研究

文章通过全断面硬岩掘进机(简称TBM)在新疆达坂软岩隧洞的工程实例,阐述了适用于软岩隧洞开挖的TBM设备功能特性应有良好的适应性,TBM选型和制定过程中应确定合理的TBM掘进性能主要技术指标,并考虑既要满足多种复杂地质条件、与施工方案相匹配,也要符合工期、安全要求。     

高应力条件下TBM破岩岩渣块度分布规律研究

TBM掘进过程产生的岩石渣料包含丰富的地质信息,为研究地应力对TBM掘进过程产生的岩石渣料的影响,采用PFC2D建立了围压条件下的滚刀破岩模型,提取并分析破岩产生的岩石碎片。数值模拟结果表明：TBM滚刀掘进过程主要产生扁平形岩石碎片。在一定范围内,随着围压增加,岩石碎片的平均粒径呈“W”形变化,并且小粒径碎片的含量增加,但围压较高(>30 MPa)时,反而更容易形成较大粒径的岩石碎片。     

滚刀直径对引汉济渭秦岭隧洞TBM刀具磨损影响实验研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM掘进施工在试掘进阶段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生异常磨损,施工进度严重滞后于计划进度。为了降低刀具的磨损,必须研究刀具磨损的影响因素,而滚刀直径的大小对滚刀的磨损较为敏感。结合工程实例及岩性,通过缩尺滚刀实验,对不同滚刀直径下的滚刀磨损进行实验分析,结果表明,滚刀直径的变化对其磨损速度影响不明显,但在高磨蚀硬岩地层中,小直径滚刀容易发生卷边而导致磨损量逐步增大,大直径滚刀可以增加滚刀的允许磨损量,延长滚刀使用时间。     

开敞式TBM设备技术改造研究与探讨

在我国长距离输水隧洞建设中,全断面硬岩隧道掘进机TBM应对复杂地质条件能力强,掘进速度快等特点在引水工程中得到广泛应用。文章结合隧洞工程地质条件和开敞式TBM设备现状,对TBM设备的刀盘、机械系统、通风除尘系统、主驱动、液压系统、电气系统及后配套进行检修改造。经多参数综合表明,改造后TBM性能良好,适应性提升。研究成果对指导该领域设计施工具有一定的指导作用。