豆砾石回填降低双护盾TBM卡机风险的效用影响分析

双护盾TBM掘进豆砾石回填速度对于围岩支护效果具有一定影响,以西藏某公路隧道护盾卡机段为研究对象,构建了双护盾TBM掘进过程数值模拟分析模型,以回填物强度变化直接反应回填时间同时考虑回填段长度变化,研究豆砾石回填对围岩屈服、收敛变形、护盾接触面积、设备推进所需克服摩阻力等影响规律,进而研究豆砾石回填工序对于降低双护盾TBM卡机风险的减灾作用。结果表明：豆砾石快速回填不会改变围岩收敛变形宏观分布特征,对围岩塑形屈服区的总体分布、屈服类型及体积具有一定影响;豆砾石快速回填可以控制围岩收敛变形,减小围岩与护盾接触面积,进而降低TBM推进所需克服护盾摩阻力,具有一定的降低卡机风险效果,但对于挤压变形较大洞段,需要与其他主动防控措施相结合采用,研究结果可为相类似工程进行双护盾TBM护盾卡机风险防控措施选择提供参考。     

双护盾TBM隧洞施工卡机判据与对策研究

双护盾TBM护盾较长,护盾与洞壁的间隙较小,在围岩发生大变形时,易发生卡机事故.根据双护盾TBM设备及施工的技术特点,基于护盾长度、护盾直径、护盾压力、摩擦系数等参数建立卡机判据公式.以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为例,采用数值模拟的方法,计算泥质砂岩洞段不同埋深、不同围岩条件下的隧洞变形量及应力,并根据卡机判据进行卡机风险分析,结果表明,埋深500m、600m时Ⅴ类泥质砂岩易发生卡机事故.基于风险分析,提出了刀盘扩挖、阶梯状护盾设计、向护盾和洞壁之间注入油脂及钻爆法预处理等对策.TBM施工实践表明,所提出的对策切实有效,对保障TBM快速安全施工发挥了重要的作用.     

深埋隧道破碎围岩段单护盾TBM掘进过程中的卡盾研究

当用单护盾隧道掘进机(TBM)开挖深埋隧道的破碎围岩段时,会出现围岩松动甚至坍塌,从而可能导致在掘进过程中出现卡盾现象,因此很有必要对深埋隧道破碎围岩段单护盾TBM掘进中的卡盾机理给出具体的计算公式。将围岩看作松散体,采用普氏压力拱理论来计算围岩对护盾的压力,求得摩擦阻力,建立卡盾的力学临界条件。研究表明,当护盾的摩擦阻力与TBM连续掘进的工作推力之和不大于TBM的最大推力时,不发生卡盾;否则会发生卡盾。最后采用推导出的公式对一工程实例是否会发生卡盾现象进行预测。研究结果可为隧道破碎围岩段的TBM掘进提供重要参考。     

双护盾TBM掘进数值仿真及护盾卡机控制因素影响分析

卡机是制约双护盾全断面隧道掘进机(tunnel broing machine, TBM)安全、高效施工的重要工程地质问题。卡机涉及影响因素较多,数值仿真是对各种因素的影响程度进行定量化分析的有效手段。该文提出了考虑双护盾TBM掘进施工过程的数值仿真方法,通过基于内变量热力学的蠕变模型模拟围岩的时效变形特性,并实现围岩与护盾的相互作用的模拟。以某公路隧洞为研究对象,对TBM推进速度和超挖量2个卡机控制因素的影响进行了研究。分析结果表明:增大TBM推进速度,能在一定程度减小接触压力和卡机风险;而超挖量对减小接触压力的作用更为显著,且对于高地应力、软岩条件下的隧洞施工,2种卡机控制措施的收益将更加明显。研究结果可为类似工程的卡机风险分析及TBM推进速度和超挖量等参数的优化设计提供一定的借鉴。     

引大济湟工程TBM掘进卡机机理研究及控制措施

数值模拟可较好体现围岩与护盾的相互作用,但前人往往忽略盾尾衬砌对围岩变形的约束作用,致使所求得的围岩竖直位移偏小。因此在研究TBM掘进卡机机理时,必须要考虑盾尾衬砌的影响。以引大济湟工程为例,用FLAC~(3D)建立考虑护盾与围岩相互作用下的计算模型,求得围岩力学响应,计算护盾所受的滑动摩擦阻力。根据卡机流程,表明:TBM在桩号CH16+775附近掘进时,会出现卡机。将预留间隙从10 cm增加至20 cm,得到增大预留间隙工况下的滑动摩擦阻力。由于增大预留间隙工况下的滑动摩擦阻力小于推进系统所能提供的最大推力,故增大预留间隙可有效避免卡机。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

开敞式硬岩掘进机长时间停机状态保持方案研究

文章结合特定地质条件下长大隧道TBM停机段特点,对长时间停机的卡机风险做了分析,并分别针对护盾、刀盘、设备桥、后备套等不同部位研究了防卡机加固处置方案,同时提出了停机期间设备保持正常状态的方法。     

深部复合地层TBM隧道支护结构 作用的透明岩体试验研究

针对深部复合地层TBM隧道模型试验研究中出现的掘进和开挖、围岩的变形和破裂、支护结构作用机理等关键问题,基于透明岩体试验的新方法,研制出满足试验需求的"复合地层",并自主研发了掘进机模拟装置和TBM管片制作装置.在此基础上,运用数字照相量测技术,对比分析有、无支护下围岩内部的变形破裂情况,揭示了有、无支护下隧道围岩的变形破裂机制,并结合围岩变形破裂的特点,反推支护结构的作用.结果表明:1)在轴向加载、四周约束的前提下,深部复合地层TBM隧道围岩变形破裂机制为剪切滑移型(无支护)和扩容膨胀型+层状变形型(有支护).2)支护结构能遏制隧道周围变形的发展,大大减小围岩内部变形量,降低围岩的破碎程度,使围岩承载力提高2倍左右,并使围岩的应力状态由局部受拉剪变为整体竖向受压,减缓了应力集中程度,使得浅部围岩形成具有一定承载能力的承载区,并有效地抑制了底鼓,从而保护了隧道的稳定和安全.3)TBM隧道中两边墙拐角处会出现应力集中现象,在实际工程中可采用豆砾石回填灌浆、局部区域注浆加固等措施,以提高该薄弱环节的稳定性.     

单护盾TBM通过不良地质洞段应对措施探讨

单护盾TBM掘进施工在不良地质段,特别是在无自稳能力、地基承载力较差的软弱含水砂岩地层时,极易出现刀盘及盾体被卡、栽头等事故,影响TBM的正常掘进。本文以甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞单护盾TBM在不良地质段掘进发生的停机故障进行分析,重点介绍该工程TBM在通过不良地质洞段时存在的部分问题及应对措施,为类似工程提供经验参考。     

姿态偏转引起的复合地层双模盾构卡机事故

双模盾构在复合地层中掘进时,刀具损耗及异常磨损的频率提升,盾构掘进姿态难以控制。最终导致隧道开挖直径减小,引发卡机事故。为了分析盾构姿态偏转及扩挖间隙纵向非均匀分布对盾壳受力特征的影响,本文依托深圳地铁13号线白应区间,利用FLAC3D计算了盾构在掘进时所受的围岩压力,研究结果表明：(1)卡机断面处边滚刀发生了严重的磨损和偏磨,最大磨损量为25 mm。复合地层中掘进参数出现明显波动,盾构更易发生向上的偏转;(2)上软下硬复合地层中,盾壳上部所受的围岩压力较大,地层交界位置出现应力集中现象。盾构姿态偏转时,盾壳前端应力的增长相较盾尾更为显著。盾构向一侧偏转时,相应位置盾壳承受的法向应力增加;(3)盾构姿态向上偏转相较于向下偏转更易引起卡机事故。当偏转角大于±0.5°时,盾壳所受摩阻力迅速增加,在盾构掘进时应尽可能保证盾构处于水平,或小角度下倾姿态。     

小直径双护盾TBM卡机处理施工技术探讨

在褶皱、断层和软弱围岩共同作用时,岩石掘进机施工将面临很大困难。直径3 m多的引红济石双护盾TBM在施工中发生数次卡机事故,在处理卡机中采用人工扩挖导洞、钢拱架支撑和超前导洞等工程处理措施收到一定成效。     

浅谈引红济石调水工程双护盾TBM穿越不良地质洞段的施工方案

引红济石调水工程地处太白盆地,地质条件复杂,围岩及其破碎,风化严重,稳定性差,地下水丰富等. 为了使双护盾TBM顺利通过不良地质段,有效防止突泥涌水、TBM卡机现象的发生,在实际施工中针对不同的地质情况,结合双护盾TBM的施工特点,采取不同的施工措施,取得了不错的效果.     

不同岩体质量隧道TBM施工性能评价方法

为了预测、评价、提升不同围岩质量隧道TBM施工能力,通过对国内外多个隧道工程TBM施工数据回归分析,建立了设备利用率、掘进速率等TBM施工性能指标随岩体质量的变化规律。统计结果表明TBM设备利用率与岩体质量指标RMR呈线性函数或二次函数关系、TBM掘进速率与岩体质量指标RMR呈二次函数关系;TBM设备利用率随岩体质量参数的增大而递增;TBM掘进速率随岩体质量参数的增大先升高再降低,在III级围岩时达到峰值;TBM施工速度随岩体质量参数的增大先升高再降低,在II级围岩时达到峰值。基于此,提出了不同岩体质量隧道TBM施工性能评价方法,并利用滇中引水工程香炉山隧洞TBM施工数据对该方法进行了验证。研究成果可用于预测拟建隧道TBM施工工期和评价在建隧道TBM施工性能。     

埋深对TBM法掘进隧道应力变形的影响

为了研究不同隧道埋深对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响,对TBM法掘进隧道时的围岩稳定性进行有限元数值分析,分析不同埋深条件对围岩应力变形和塑性区发展趋势的影响。计算结果表明,随着埋深的增加,应力、位移、塑性区、发生岩爆的几率都有不同程度的增加。地应力以构造应力为主,洞周不存在拉应力区,塑性区呈环状分布。当埋深较大时,进行管片收敛变形计算时采用MC准则要优于DP准则,当侧压系数增大时,管片应力变形有不同程度的增加。掌子面附近管片收敛较小,往洞口方向收敛变形值逐渐增大,在距掌子面500 m之外的管片收敛变形趋于稳定。     

地铁盾构隧道回填层的应力传导性能

盾构法施工隧道中,管片衬砌与围岩间的空隙采用回填层来填充,以达到稳定衬砌、传递压力和防渗等多重效果。基于均匀化理论和摄动技术,推导了水泥浆液和豆砾石两种材料混合而成的回填层的等效弹性模量解析表达式,进而应用弹性力学原理推导了衬砌和回填层的应力应变公式。算例分析结果表明：该方法求得的回填层的等效弹性模量小于根据体积比例计算的数值;提高回填层中水泥浆的弹性模量和体积分数,可以提高回填层的等效弹性模量,使回填层承担较多的应力,从而减小管片内的应力和应变;考虑回填层与否,衬砌的应力和应变值会有较大差异,说明回填层有利于衬砌的稳定性。该研究为TBM盾构施工隧道的衬砌设计提供了理论依据。     

高地应力富水软岩铁路隧道变形机理及施工控制措施

云南玉磨铁路曼勒一号隧道地处喀斯特地貌区,现场施工中遇围岩地应力高、变形量大、变形持续时间较长等问题,导致初支变形严重,影响施工进度,其中高地应力是导致围岩大变形的主要原因。通过建立力学模型分析与施工现场试验,提出开挖迂回导坑释放高地应力的控制措施,降低隧道围岩大变形风险。研究结果显示：通过数值模拟分析增设迂回导坑后,隧道正洞围岩变形量有效降低,拱顶沉降及拱腰收敛分别降低38.46%和58.34%,围岩塑性区最大塑性应变减小25.40%,围岩及初支结构应力减少了20%～24%。现场施工中,迂回导坑段隧道比仅开挖隧道正洞的围岩变形量减少了61.92%。迂回导坑的开挖能够有效控制变形量及变形速率,现场试验效果良好,施工进度得以加快。     

基于改进信息熵值分析的TBM掘进参数研究

复杂地质条件下的TBM掘进参数的有效预测可以对TBM施工进行针对性的指导,基于深圳地铁10号线孖-雅双护盾TBM区间实际掘进参数,建立了一种基于改进信息熵值分析的TBM掘进参数预测模型,通过前序参数的熵值权系数自适应调整来预判后续TBM参数值,模型以TBM推力和扭矩样本参数进行训练并以实际工程数据进行验证,通过残差分析和相关性分析得出的预测值和实际值相符,说明该模型具有较好的非线性映射能力,基于改进信息熵值分析的TBM掘进参数预测模型能直观反映TBM装备载荷地质适应性规律,可为TBM施工掘进参数设置提供参考,提前预判规避不良地层施工风险.     

特大断面黄土隧道施工过程数值模拟

本文采用二维弹塑性有限元法,分析了一特大断面黄土隧道各个施工阶段以及建成后围岩和衬砌的受力状态.分析中采用增量弹塑性应力应变关系,Mohr-Coulomb屈服准则及关联流动法则.对于超出屈服面的应力进行调整,使之回到屈服面上.采用切线刚度法进行迭代计算,采用节点位移增量的收敛准则判断求解过程的收敛,每次迭代中采用高斯消元法求解体系的平衡方程.最后对支护结构进行了检算,提出了抑制隧道围岩变形的技术措施.     

泥质粉砂岩山岭公路隧道围岩变形

为分析不同围岩级别对泥质粉砂岩隧道的影响,依托贵州沙家坪隧道不同围岩级别的拱顶沉降和周边收敛进行分析;同时考虑隧道浅埋段多为破碎岩体,是隧道开挖工程中最危险地段;结合沙家坪隧道进出口地表浅埋段埋深数据,分析浅埋段埋深深度对拱顶沉降的影响。研究结果表明:泥质粉砂岩隧道相对其他岩类(峨眉山玄武岩、灰岩)隧道在低围压下流变滞后现象较明显,不易发生瞬态破坏,洞口段与中间深埋段围岩变形相差不大;拱顶沉降主要集中在距离洞口100~200m地下水和煤层较发育地段,平均沉降为-7mm,累计沉降在-8mm上下波动,同时煤层对隧道围岩的变形存在重大安全隐患;距离洞口0~60m隧道的累积周边收敛值及波动较大;对于泥质粉砂岩隧道,浅埋段埋深厚度对隧道围岩变形影响较弱。     

基于门控循环单元的全断面掘进机稳定段掘进性能预测

全断面隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)一个正常掘进循环分为空推段、上升段和稳定段3个阶段,其中稳定掘进段为主要施工阶段,稳定段掘进性能的好坏是TBM掘进的关键。为实现TBM安全高效掘进,建立一种基于门控循环单元(gated recurrent unit, GRU)神经网络的预测模型,预测TBM稳定段掘进性能。模型以新疆某供水工程Ⅱ标段TBM施工数据为依托,5种掘进循环上升段主要参数的时间序列数据作为主要输入,围岩等级作为辅助输入来考虑岩体对掘进性能的影响,输出为稳定段的总推进力和刀盘扭矩,为稳定段TBM性能预判提供参考。为显示预测效果,对比传统循环神经网络(recurrent neural network, RNN)预测模型,并分析不同长度时间序列输入对模型预测精度的影响。结果表明：GRU模型预测拟合优度均在0.9以上,平均绝对百分比误差均小于12.25%,同时能够适用不同长度时序输入。由此可见,所建模型具有较高预测精度,泛化能力较好,能够辅助预判掘进机稳定段性能。