基于数量化理论I的双护盾TBM掘进速度预测研究

以甘肃引洮一期工程9#隧洞为例,引入数量化理论I的建模原理和方法,建立了定性数据包括围岩类别和地下水情况2个解释变量,定量数据包括单轴抗压强度、抗拉强度、泊松比和变形模量4个解释变量的预测模型,研究了双护盾TBM施工掘进速度的影响因素,并从理论上证实了该预测模型的可靠性。结果表明：在同等围岩力学参数条件下,围岩稳定性越好越有利于TBM的施工,反之则会阻碍施工进度,且阻碍效应会随着地下水的增多而增强;岩石的泊松比、抗拉强度对TBM掘进速度呈显著正效应,而单轴抗压强度和变形模量呈负效应。通过对实测值和预测值的比较发现,二者掘进速度的相对误差绝对值为0.23%~5.38%,平均值为0.39%,说明预测模型用于双护盾TBM掘进速度的预测是可靠的,并可用于同类工程施工进度的预测和工程进度的控制管理。     

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。     

模袋灌浆技术在双护盾TBM施工中的应用

双护盾TBM现在得到越来越广泛的应用,是深埋长大隧道掘进施工的首选和必然发展趋势,然而双护盾TBM安全高效通过大变形洞段时所需的围岩快速支护技术尚缺乏成熟有效的经验。以西藏某公路隧道工程为依托,在现有工程应对措施上结合双护盾TBM设备特点提出新型主动防控措施,提出的快速支护技术有效降低护盾卡机风险。     

新近系弱胶结岩力学特性的室内试验研究

引黄入洛工程隧洞围岩主要为新近系弱胶结砂岩和黏土岩,表现出极差的工程特性,是施工急需解决的关键性问题。通过室内单轴压缩变形试验,研究岩石结构和含水率对岩样力学特性的影响。结果表明:岩石结构和含水率对两种岩样的力学特性均影响较大;混合结构砂岩岩样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比要明显小于均匀结构砂岩样的,而含水率的影响更大,随着含水率的增大,混合结构砂岩样的单轴抗压强度、弹性模量和泊松比明显降低;岩石结构对黏土岩样的力学特性影响更大,与均匀结构黏土岩样参数相比,混合结构黏土岩样的单轴抗压强度显著降低,而弹性模量和泊松比却显著增大,弹性模量与单轴抗压强度呈负相关;随着含水率的增大,黏土岩样的单轴抗压强度、弹性模量明显降低,而泊松比明显增大,混合结构黏土岩样的弹性模量大幅降低。由于岩石强度很低,试验中的数据较少,因此应力—应变曲线均呈明显的台阶式变化。含水率较高和混合岩石结构是导致引黄入洛工程隧洞围岩工程特性极差的主要原因,施工时应首先解决地下水问题并进行超前支护,以增强围岩的强度和稳定性。     

深埋长输水隧洞TBM卡机事故分析及处理措施

引红济石隧洞工程中采用双护盾TBM掘进，因遭遇断层、岩体破碎带、软弱围岩共同作用造成多次、重复卡机事故。从卡机处岩性、地质构造、地下水、隧道开挖与软弱围岩挤压变形等方面，系统分析了卡机原因；并针对卡机事故的一般规律，提出了两套卡机脱困的解决方案。工程实践表明，所提方案不仅可较理想地解决卡机事故，同时还可为TBM在围岩坍塌地段的施工提供宝贵经验。     

CCS水电站输水隧洞工程地质条件分析与处理

为保证CCS水电站输水隧洞双护盾TBM施工正常进行,开展了围岩分类与稳定性评价及隧洞超前地质预报,研究了施工方法,提出了施工技术建议。在双护盾TBM施工过程中,可见的围岩范围较小,无法进行地质素描,根据双护盾TBM施工的技术特点,选择了隧洞掌子面及洞壁小范围的围岩观察、TBM掘进参数分析、局部岩石回弹值测试、岩渣性状分析、地下水特征分析等多种方法获取围岩地质信息,从而对围岩进行分类和稳定性评价。选择了隧洞宏观地质条件分析、施工过程地质条件分析、以地震法和电法为主的物探方法、掌子面超前水平钻探等综合方法对掌子面前方围岩进行探测和预报,根据预报结果有针对性地采取处理措施。针对TBM施工过程中出现的涌水、砂岩砂化、断层破碎带等不良地质条件,建议施工单位采取了超前地质预报及调整掘进参数、堵水、超前灌浆加固围岩等施工方法和技术,TBM顺利通过了不良地质段。     

降低大直径双护盾TBM在不良地质洞段卡机风险的对策研究

双护盾TBM在穿越断层、高地应力以及软弱地层等不良地质洞段时,围岩快速、较大的变形容易挤压护盾而导致双护盾TBM卡机,影响TBM的正常掘进,进而影响工程的工期。对西藏某公路隧洞双护盾TBM掘进期间四次卡机事故进行了分析,针对不良地质洞段的具体情况,从TBM设备选型、超前地质预报、策划地质缺陷处理措施及施工单位专业地质工程师培养等方面提出了解决措施并予以实施,降低了大直径双护盾TBM不良地质洞段卡机风险,使双护盾TBM施工的优点得到了更好的发挥。     

复杂地质环境对TBM掘进速度的影响

基于引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的施工实践,对比研究了岭南、岭北两台TBM在截然不同的地质环境下的掘进效率,认为目前以围岩类别来判断TBM的掘进效率是不够严谨的。实际研究表明,围岩的岩性特别是围岩抗压强度、完整性、地下水等地质因素才是影响掘进效率的主要地质因素。在此基础上,对复杂地质环境TBM的进度指标和TBM的地质适应性进行了研究。     

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。     

滇中引水工程香炉山隧洞TBM开挖围岩卸荷响应特征

针对滇中引水工程香炉山隧洞TBM掘进洞段地质条件复杂、施工技术难度大等特点,采用现场监测和三维数值仿真2种手段,对典型洞段围岩开挖卸荷响应特征进行了分析。通过对TBM掘进洞段围岩变形和钢拱架受力监测数据分析可知,围岩类别和隧洞埋深均是影响围岩变形量值和收敛时间的重要因素,TBM上的撑靴结构对钢拱架受力影响显著。根据香炉山隧洞敞开式TBM施工特点,提出了敞开式TBM开挖施工的仿真模拟技术,获得了典型断面围岩变形及支护结构受力随掌子面推进的变化规律,可为TBM洞段支护设计优化及掘进过程中卡机问题的预测和判断提供参考。     

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。     

厄瓜多尔CCS项目输水隧洞TBM1掘进施工技术分析

双护盾掘进机有单、双护盾两种掘进模式,在施工过程中,需要根据超前地质探测、前序掘进参数、石渣、地质图纸等准确判断掌子面围岩状态,并以此作为掘进参数和模式的选择依据。文章结合工程实例,对CCS项目输水洞TBM1掘进施工模式、基本流程、施工各步骤的操作方法、需要注意的关键问题等内容进行了分析和讨论。     

软岩隧洞TBM施工中围岩变形预测研究

TBM施工过程中,为防止软岩变形导致卡机事故的发生,需要对围岩变形进行准确的预测。以巴基斯坦N-J水电站为研究对象,通过对围岩变形监测数据的反演分析,得到其蠕变参数,并采用反演得到的蠕变参数对大埋深洞段的围岩变形进行预测。结果表明,TBM在软岩段掘进过程中,围岩除了产生明显的弹塑性变形外还会出现明显的蠕变变形,且蠕变变形在TBM在开挖后的几小时内会迅速增加,增大了TBM卡机风险。建议TBM在软岩段掘进过程中,在保证安全的前提下尽可能快速通过。     

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。     

敞开式TBM长隧洞岩石取芯施工

HJ施工三标敞开式TBM施工段,在TBM施工中,通过抽检方式,初步判定隧洞围岩类别岩性~([1])及岩石强度和石英含量等指标与招标文件存在较大差异,围岩指标的变化实际导致了刀盘磨损严重、刀具更换频繁、石粉含量高,出渣皮带损耗大等不良后果,影响了TBM掘进效率发挥,增加了施工成本。为经营索赔提供基础资料,经参建各方研究确定,对TBM掘进段进行全覆盖取芯,对岩芯进行饱和抗压强度及石英含量检测试验,与招标数据进行对比。     

科卡科多水电站TBM卡机处理方法探讨

科卡科多水电站引水隧洞施工过程中发生双护盾TBM卡机现象,根据TBM掘进记录和地质情况分析是受断层破碎带的影响。为使TBM脱困,采取开挖TBM上方岩体,钻设超前小导管、挂钢筋网、喷混凝土、支钢拱架等方法使围岩保持稳定,再清理TBM护盾上方散落的岩石,终使TBM脱困并通过断层破碎带。     

TBM新型支护系统在大伙房输水隧洞施工中的应用

在隧洞断层破碎带施工时,TBM常规支护容易引发隧洞坍塌和围岩变形,影响TBM正常掘进。在辽宁大伙房输水隧洞TBM施工中,研制了TBM新型支护系统,该系统由钢筋排安装系统、高效钢拱架及钢筋网片安装机构、锚杆钻机以及喷混系统组成。采用TBM新型支护系统后,可以有效缩短支护作业时间,提高TBM支护作业效率和设备掘进效率,并且施工过程中无塌方,围岩无大变形,保证了施工安全。     

长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性探讨

文章分析了TBM掘进破岩过程分析,探讨了长距离输水隧洞TBM掘进过程围岩稳定性,从地质结构、岩体力学性质、初始应力场、地下水、施工因素等层面进行分析,对长距离输水隧洞TBM掘进过程提供了一定的参考意见。     

软岩中TBM停机状态下岩机相互作用规律研究

在软岩环境下使用TBM施工时,遇卡机等事故处理和设备检修更换常需TBM停机,预留变形量和停机时间是TBM安全运行的关键。依托白龙江引水工程六盘山泥岩隧洞,根据实际地质条件、隧道结构和TBM施工流程,采用数值计算的方法研究了TBM停机状态下围岩的变形特征及其与护盾的相互作用,并分析了合理的预留变形量和停机时间。结果表明：(1)该工程砂质泥岩为极软岩,流变性显著且服从Cvisc和Burgers模型,预留足够的变形量和快速掘进可保证TBM安全通过;(2)在停机期间,围岩变形具有显著时空效应,变形先快后慢,垂直位移大于水平位移,护盾后部围岩位移大于前部;(3)岩机相互作用的时空效应表现为,自下而上、由后至前,相继经历无接触-局部接触-完全接触-强烈挤压的过程;(4)预留变形为10 cm时的TBM安全停机时间不宜超过7 d。研究成果对认识软岩中TBM停机期间岩机相互作用具有理论参考意义。     

水工隧洞TBM施工适宜性围岩分类研究

隧洞掘进机TBM已逐渐成为水工深埋长隧洞的常规施工方法,而现行规范的围岩分类主要以隧洞围岩稳定性和支护措施为判别因素,仅适用于钻爆法隧洞。为此,梳理国内外不同工程的围岩分类指标体系和TBM施工特点,在隧洞围岩基本分类的基础上,重点分析了TBM掘进效率和不良地质条件,构建了TBM施工适宜性围岩分类方法。总结大量工程案例,综合权衡超硬岩、岩爆、断层破碎带、大变形、突涌水(涌泥)和高外水压力六个关键因素对TBM施工的定量影响,提出了可量化围岩分类指标。工程应用表明,TBM施工适宜性围岩分类方法可依据工程地质资料快捷完成围岩分类,能有效指导TBM隧洞施工,且具有较好的通用性和易用性。