TBM在长隧道施工中存在的问题及发展趋势

随着时代的进步和发展，在工程施工中常常会遇到长隧道工程。当隧道（洞）长度过长时，用常规钻爆法进行隧道施王将需要相当长的工期，隧道掘进机法施工则适合长隧道施工的需要。本文将深入探讨长隧道中应用隧道掘进机（简称TBM）存在的问题以及发展趋势。     

复合地层TBM隧道变形演化规律研究

以重庆轨道环线TBM(硬岩隧道掘进机)区间隧道为背景,利用有限差分数值分析与现场监控量测相结合的方法,对复合地层TBM隧道施工影响下地层变形进行了研究。对上软下硬复合地层、倾斜复合地层及均质地层3种工况下的数值计算结果表明:复合地层条件下隧道顶部及底部位移较大,而隧道周边收敛位移较小;隧道开挖时掌子面前方1倍直径处开始发生明显位移,并于掌子面后方3~5倍直径处趋于稳定,整个隧道纵向沉降曲线呈明显的"S"型。现场监测结果显示,受复合地层差异的影响,地表沉降呈偏态单凹槽状的数值计算结果与现场监控量测数据反映的规律基本相同。     

基于有限元分析的TBM隧道管片计算模型

为研究以拼装管片作为长期受载体的全包防水隧道的设计计算方法,总结了现有的盾构管片计算模型,讨论对比了几种常用计算模型.分析了不同混凝土管片接头模型适应的地层条件,并通过建立二维和三维数值模型,对比分析了不同计算模型中混凝土盾构管片的内力水平.结果表明:①对于非均质地层中的盾构管片,弹性铰梁单位模型可以模拟管片接头的实际...     

基于LS-SVM的TBM掘进参数预测模型

针对目前TBM数据挖掘能力和掘进参数优化预测分析的不足以及对未来TBM实现无人驾驶的展望,将最小二乘支持向量机（LS SVM）机器学习应用到TBM掘进参数预测中,从吉林引松工程TBM掘进数据中提取掘进上升段的刀盘扭矩、刀盘推力、总推力、推进速度这4个重要参数建立LS SVM预测模型,预测4个参数在稳定段的均值,并讨论了模型训练集大小、参数选取等对预测性能的影响。结果表明,以原始数据中均匀提取的样本、RBF核函数和10折交叉验证建立的LS SVM模型可以较为准确地预测稳定段中上述4个参数,验证了LS SVM机器学习预测TBM掘进参数的可行性。     

全断面隧道掘进机破岩机理离散元分析

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中的胶结破坏主要分为拉破坏和剪扭破坏2种类型,其中,中裂纹主要由拉剪扭复合破坏引起,斜裂纹主要由拉破坏引起,证实了张拉破坏理论.加载阶段是滚刀破岩的必经阶段,卸载阶段是滚刀破岩的关键阶段,有效利用卸载阶段破碎特性可以提高破岩效率.     

基于三维点云的隧道全局中线提取方法及应用

提取隧道横断面通常是基于隧道中线,而隧道中线提取是最困难的一个环节.本文提出了一种有效的隧道全局中线自动提取算法:通过从隧道的点云水平投影中提取边界点,并利用随机采样一致性算法提取边界点中用于多模型拟合的内点,最终的隧道中线基于再次随机采样的全局优化算法确定.所提出的算法被应用于位于四川的写字岩隧道,结果表明:全局中线提取达到了较高的精度,其均方根误差为16.5mm;与全站仪测量的隧道中线点相比,偏差的均方根误差为10.3mm.     

大纵坡隧道复合式TBM掘进推力对管片结构的力学响应分析

TBM在进行大纵坡隧道上坡施工时的掘进推力控制不当,易造成管片错台、上浮甚至结构失稳等问题,因而研究大纵坡隧道TBM掘进推力对管片结构的力学响应具有重要的工程意义。本文以重庆轨道交通9号线刘家台始发井～鲤鱼池站区间坡度为3.9%的复合式TBM隧道施工为例,采用基于荷载-结构法的隧道纵向梁-弹簧模型和数值模拟法,分析了复合式TBM在大纵坡隧道掘进过程中不均匀千斤顶推力作用下产生的附加作用力特征,探究了管片结构在附加作用力影响下内力分布规律及其变形的薄弱区域,以及管片结构变形甚至破坏的表征,从而寻求具体控制TBM施工掘进推力的有效措施。研究成果可为规范大纵坡隧道TBM施工中的推力分区和选值提供借鉴。     

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。     

基于点云的隧道改建工程BIM建模方法与实践

为解决隧道改建工程中,难以根据地表真实岩体形态对隧道模型进行动态设计与调整的问题,通过遥感测绘(无人机倾斜摄影和地面激光扫描)技术与建筑信息建模(building information modeling,BIM)相结合,形成了 一套新的隧道线路布设和结构设计方法.首先,采用无人机倾斜摄影建立地表实景模型,利用地面激光...     

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。     

基于空间网格划分的点云质量检测算法

随着三维激光扫描技术的快速发展,它以非接触性、高密度、高精度、数字化、自动化等特点,被广泛用于多个邻域,其中在建筑物变形监测领域的应用也越来越广泛。针对扫描设备获取的大量变形监测数据,快速地统计出前后两期数据变化差异值,提出了一种基于空间网格划分的点云质量检测算法,算法通过对不同期点云模型进行空间网格划分,依据网格进行点云邻域搜索,并根据点云变化差异值给点云赋予不同色谱颜色值,最后进行直观的两期点云变化差异可视化,并绘制出统计信息图。研究表明,该算法能够快速地分析对比两期点云数据,输出变化差异统计信息,能够为工程的运营提供快速的安全指导参考。     

TBM隧洞施工中衬砌管片破损原因分析

介绍了TBM(隧洞掘进机)及其在工程中的应用，结合山西省万家寨引黄工程中的TBM隧洞开挖工程的实际，从衬砌管片的生产、运输、安装、维护等环节分析了造成TBM隧洞衬砌管片损坏的主要原因，并有针对性地提出了预防及修补措施。     

基于载荷分布和统计的TBM主轴承寿命计算

以吉林中部引水工程总干线二标段全断面岩石掘进机(tunnel boring machine, TBM)主轴承为研究对象,在考虑联接结构刚度及边界条件影响的条件下,基于L-P理论并引入切片法计算了主轴承的额定寿命.对TBM的工作掘进推力记录进行统计分析,得到了基于Miner累积损伤理论的主轴承使用寿命.结果表明:主轴承内部载荷分布受连接结构刚度影响较大,采用切片法计算其额定寿命较为合理.适当调整连接结构的形式及尺寸可大幅改善主轴承滚道载荷分布均匀性并提高其额定寿命.推进力载荷统计近似为截断正态分布,可根据额定推力对主轴承的使用寿命进行预估.     

TBM掘进参数与不同岩性地层相关性分析

为了研究TBM掘进参数与不同岩性地层的相关性规律,以新疆某引水工程为背景,针对典型岩性地层选取了300 m掘进参数数据,采用数理统计方法分析3项掘进参数与6种岩性地层的相关性. 通过分析6种岩性地层下刀盘转速、总推力与推进速度之间相关性,提出6种岩性地层下的掘进建议. 结果表明:各种岩性地层中推进速度、总推力的平均值差距较大,且有较大波动;刀盘转速波动不大,平均值差异较小;硅质岩、安山岩和凝灰岩地层下,总推力、刀盘转速和推进速度不相关;糜棱岩和砂岩地层下,总推力、刀盘转速和推进速度正相关;碎裂岩地层下总推力与推进速度负相关.     

掘进机随机电缆自移装置的研究与应用

针对掘进机随机电缆存在的各种弊病,通过技术分析,在旧式随机电缆保护装置的基础上研制了掘进机随机电缆自移装置,实现了电缆的自动前移后退,提高了掘进自动化水平。     

一种基于CSM模型的TBM刀盘比能预测方法

为了解决全断面掘进机在掘进时刀盘比能预测的难题,以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了TBM滚刀的受力情况和破岩机理,基于CSM预测模型提出了一种新的TBM刀盘比能预测方法.通过建立滚刀与岩石相互作用的力学模型,推导出TBM刀盘的比能预测模型,并通过实例计算对刀盘的比能水平进行了量化研究,验证了模型的正确性.该预测模型基于滚刀破岩的机理,能够实时预测刀盘的比能,为TBM的刀盘优化设计以及性能预测提供了一定的理论依据.     

硬岩掘进机刀盘载荷与撑靴接触界面刚度的耦合关系

在复合地质条件掘进时刀盘载荷与撑靴接触界面的耦合关系严重影响硬岩掘进机(TBM)动态特性.基于并联机构理论研究TBM推进系统的力传递特性,建立刀盘、机械系统和撑靴接触刚度耦合力传递模型,讨论了刀盘在复合地质条件下掘进时刀盘载荷波动与撑靴岩石接触界面刚度之间的耦合关系.结果表明,撑靴接触界面刚度随刀盘载荷增大而非线性增大;复合地层中,刀盘载荷波动,接触界面刚度也呈现相应的波动特性;两侧撑靴接触界面岩石软硬不同时,刀盘载荷均值和波动增加,接触界面刚度均值和波动加大,且较硬一侧增加幅度大于较软一侧减小幅度.     

融合倾斜仪数据的盾构姿态严密解算模型

推导了倾斜仪与盾构的严密标定模型;将倾斜仪采集的双轴角度数据视为平面点云,推导了倾斜仪角度数据的稳健估计方法;在前述模型方法的基础上,利用最小二乘配置方法建立了倾斜仪与棱镜数据融合的严密联合解算模型.最后,通过试验对上述模型方法进行了分析验证.结果证明,提出的盾构姿态解算模型正确可行.     

基于点云的Z-map模型建立和应用

简要介绍了Z-map模型的特点,论述了Z-map模型的结构与用途,并通过实例介绍了建立Z-map模型的具体步骤和方法,提出建立Z-map模型前需对激光测量点云的数据进行预处理,说明了Imageware软件对点云的精简除噪处理。     

基于输入整形的线性二次型调节器及其应用

针对桥式起重机这一类不完全控制系统,提出了一种新的混合控制方案,有机地结合了鲁棒输入整形技术以及线形二次型调节器(LQR).该方案中,结合起重机模型的特点,采用LQR控制器来同时实现小车的定位以及消除负载的残留振荡.输入整形技术采用频域的零点配置方法设计多峰鲁棒输入整形器用来进一步减小负载的瞬时振荡,保障安全作业;所设计的混合方案在结构上简单实用,适合实际应用.仿真结果证明了该方案的良好性能.和基本的LQR控制进行比较,该方案可同时实现小车的定位以及消除负载的残留振荡,并可有效地减小负载的瞬时振荡,体现了良好的综合性能.