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一研究方向

鑒于上述TBM施工過(guò)程中亟待解決的問(wèn)題，開(kāi)展復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究方向和方法具有非常重要的意義。借鑒國(guó)內(nèi)外TBM施工的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，可以從以下方面進(jìn)行有針對(duì)性的研究:

1TBM選型綜合評(píng)價(jià)體系技術(shù)的研究

根據(jù)施工段地質(zhì)特征對(duì)TBM恰當(dāng)選型決定了工程能否順利進(jìn)行。國(guó)內(nèi)自引進(jìn)TBM施工技術(shù)以來(lái)，有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有過(guò)很多的失敗的教訓(xùn)。國(guó)內(nèi)TBM選型的技術(shù)研究早已開(kāi)展，如茅承覺(jué)對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)選型進(jìn)行了全面探討、殷耀章及高勇對(duì)深埋長(zhǎng)大隧洞TBM施工設(shè)備選型進(jìn)行了深入探討等，但如果能夠建立以隧道設(shè)計(jì)參數(shù)、工程特性指標(biāo)、地質(zhì)條件適應(yīng)性、影響掘進(jìn)的地質(zhì)因素、施工環(huán)境影響因素、掘進(jìn)性能指標(biāo)、工期及節(jié)點(diǎn)工期要求等各方面為評(píng)價(jià)指標(biāo)的TBM設(shè)備選型綜合評(píng)價(jià)體系，從多角度綜合比選，科學(xué)的進(jìn)行TBM選型，將對(duì)設(shè)備選型、施工產(chǎn)生非常積極的影響。

2復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下tbm施工環(huán)境變化特征及演化規(guī)律研究

對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的TBM施工，國(guó)內(nèi)外有過(guò)非常多的研究，如尹俊濤等從巖土力學(xué)和工程地質(zhì)角度對(duì)TBM施工過(guò)程中遇到的諸多地質(zhì)問(wèn)題導(dǎo)致的卡機(jī)或管片變形等工程事故進(jìn)行了剖析并對(duì)采取的工程措施進(jìn)行了總結(jié)、尚彥君等對(duì)國(guó)內(nèi)外典型的三個(gè)TBM施工遇險(xiǎn)實(shí)例進(jìn)行了透徹分析與反思，但目前多數(shù)研究成果是針對(duì)已完工程的總結(jié)，如能夠通過(guò)科學(xué)分析，對(duì)施工環(huán)境變化特征及演化規(guī)律做出深入研究，將對(duì)TBM施工起到很大的積極作用。如通過(guò)巖芯取樣、超前鉆探等手段，并對(duì)巖石成分進(jìn)行分析，輔以超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段從微觀和宏觀兩方面，針對(duì)地質(zhì)工程特征，研究不同的圍巖結(jié)構(gòu)、物理特性和力學(xué)特性;針對(duì)地下水影響，研究地質(zhì)體的可溶性、滲透性及突涌水特征;針對(duì)地溫影響，研究超深特長(zhǎng)隧道中高地溫特性等，將會(huì)為后續(xù)TBM掘進(jìn)研究提供工程地質(zhì)賦存條件。

3盤(pán)形滾刀破巖機(jī)理及防控措施研究

TBM盤(pán)型滾刀破巖機(jī)理是刀具研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對(duì)滾刀破巖過(guò)程中滾刀與巖石的作用機(jī)理、滾刀在刀盤(pán)上的定位與滾刀磨損的相關(guān)性等國(guó)內(nèi)已經(jīng)有過(guò)較多的探討與研究，如張照煌等在深入研究了巖石在盤(pán)型滾刀作用下的形變和剝落特點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立了巖石在盤(pán)型滾刀作用下的力學(xué)模型、宋克志等指出了影響盤(pán)形滾刀與巖石相互作用的因素主要是機(jī)械因素和地質(zhì)因素、滿林濤等利用ABAQUS軟件建立了滾刀破巖的有限元模型分析滾刀破巖機(jī)理。但采用試驗(yàn)的方式就滾刀機(jī)械機(jī)構(gòu)和材料對(duì)滾刀磨損性的關(guān)聯(lián)、為刀具磨損預(yù)測(cè)公式和磨損模型的建立奠定理論基礎(chǔ)等的研究工作國(guó)內(nèi)尚未開(kāi)展。如能夠利用較先進(jìn)的試驗(yàn)儀器，采用CAI巖石磨蝕伺服實(shí)驗(yàn)儀等試驗(yàn)儀器并研制巖粉磨蝕實(shí)驗(yàn)裝置，開(kāi)展刀具磨蝕性實(shí)驗(yàn)和滾刀巖粉磨蝕實(shí)驗(yàn)，建立TBM刀具磨損預(yù)測(cè)模型，將為國(guó)產(chǎn)TBM發(fā)展刀盤(pán)及刀具設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。根據(jù)工程施工過(guò)程中盤(pán)形滾刀的實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比所建立的模型，以此評(píng)判模型的正確性，并可以計(jì)算出恰當(dāng)?shù)膿Q刀時(shí)機(jī)，對(duì)TBM施工也將帶來(lái)積極的影響。

4刀具運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

針對(duì)刀具檢查占用時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題，采取視頻、光電、溫感等有效手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)滾刀運(yùn)行過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解滾刀運(yùn)行狀況及磨損情況，減少刀具檢查時(shí)間，及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀具運(yùn)行的異常情況，避免刀具弦磨現(xiàn)象出現(xiàn)，可以大大提高設(shè)備掘進(jìn)效率，加快施工進(jìn)度，同時(shí)也可以有效減少刀具消耗量，降低工程施工成本。

5破碎地層圍巖失穩(wěn)機(jī)理與防控方案研究

進(jìn)行破碎地層理論建模，進(jìn)行巖機(jī)作用有限元分析，探索破碎地層圍巖壓力和圍巖抗力的大小和分布情況，評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性，提出適用于TBM施工的圍巖質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo);建立TBM破碎帶圍巖彈塑性有限元模型，研究不同埋深、不同巖性、不同應(yīng)力場(chǎng)的圍巖和變形響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變?cè)囼?yàn)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，建立TBM擾動(dòng)下圍巖失穩(wěn)與支護(hù)模型，優(yōu)化支護(hù)方案。將對(duì)節(jié)約工程投資、提高工程質(zhì)量有重要意義。

6TBM長(zhǎng)距離掘進(jìn)配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

連續(xù)皮帶機(jī)是TBM長(zhǎng)距離隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣情況下的同步襯砌工藝，實(shí)現(xiàn)連續(xù)皮帶機(jī)順利穿行同步襯砌臺(tái)車(chē)在國(guó)內(nèi)的蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程已經(jīng)有過(guò)成功的應(yīng)用，如徐雙永等［8］對(duì)該工程TBM掘進(jìn)同步襯砌技術(shù)進(jìn)行了詳盡論述，對(duì)今后類似工程施工將起到積極的借鑒作用。研究TBM掘進(jìn)速度與巖碴運(yùn)輸能力的匹配關(guān)系、膠帶與碴土的相互作用原理，建立皮帶機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)連續(xù)皮帶機(jī)動(dòng)力學(xué)仿真優(yōu)化連續(xù)皮帶機(jī)的性能參數(shù);分析皮帶機(jī)運(yùn)行故障案例，提出解決皮帶機(jī)支架快速加裝延伸、皮帶偏離定位基準(zhǔn)、皮帶清掃、斷帶等問(wèn)題的有效解決方案;研究TBM長(zhǎng)距離施工噴射混凝土性能、制作工藝、設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，隧道鋪底作業(yè)工法及配套設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，TBM掘進(jìn)隧道同步成型襯砌工法及配套設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，這些目前均為較新的課題。

7深埋破碎地層TBM適應(yīng)性研究

基于深埋破碎地層的復(fù)雜地質(zhì)條件和巖石機(jī)器相互作用機(jī)理，研究TBM適應(yīng)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，是建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論基本框架;研究刀盤(pán)刀具配置和掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，建立高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM破巖適應(yīng)性設(shè)計(jì)理論與方法，是基于破碎地層圍巖變形的TBM護(hù)盾及推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則;研究復(fù)合地層刀盤(pán)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的推力、彎矩和轉(zhuǎn)矩特性，為破碎地層TBM主參數(shù)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。這些研究將對(duì)TBM國(guó)產(chǎn)化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

8TBM施工綜合評(píng)判指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)防控體系構(gòu)建綜合分析

地質(zhì)條件、擾動(dòng)區(qū)圍巖力學(xué)響應(yīng)、巖機(jī)相互作用、施工安全性、圍巖穩(wěn)定性等TBM適應(yīng)性影響因素的性質(zhì)和特征，定義TBM與各影響因素的適應(yīng)度，依據(jù)層次性、效度和簡(jiǎn)明性原則，構(gòu)建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)體系，并根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工中面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)管理與控制。將減少施工中多種問(wèn)題的出現(xiàn)及避免工程事故的發(fā)生。

二研究方法

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)在建TBM隧道工程施工過(guò)程中遇到的疑點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，借鑒國(guó)內(nèi)外既有工程經(jīng)驗(yàn)，提出以下研究方法以供參考:

1結(jié)合其它課題研究成果

采用理論分析、物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法，來(lái)研究高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層條件下的刀具磨損機(jī)理、支護(hù)機(jī)理以及長(zhǎng)距離隧道有限空間內(nèi)皮帶機(jī)出渣等問(wèn)題，提出刀具磨損預(yù)測(cè)公式、安全支護(hù)模型和TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建高風(fēng)險(xiǎn)地段TBM施工綜合評(píng)判和風(fēng)險(xiǎn)防控體系。

2基于滾刀破巖機(jī)作用

綜合試驗(yàn)平臺(tái)，研究不同滾刀磨蝕性評(píng)價(jià)指標(biāo)和滾刀磨蝕性分級(jí)，為滾刀磨損預(yù)測(cè)模型提供基礎(chǔ)指標(biāo)。

3采用有限元或其它數(shù)值分析

軟件進(jìn)行開(kāi)挖面圍巖穩(wěn)定性分析，得出TBM擾動(dòng)下開(kāi)挖面失穩(wěn)模型，從模型失穩(wěn)主要因素入手，分析控制擾動(dòng)的措施，采用TBM施工數(shù)據(jù)回歸得出合理的TBM掘進(jìn)參數(shù)。

4采用適應(yīng)關(guān)聯(lián)、模糊綜合評(píng)價(jià)、工程經(jīng)驗(yàn)反饋等方法

對(duì)影響深埋破碎地層TBM掘進(jìn)的主要因素進(jìn)行規(guī)范化和量化，提出能有效反映TBM適應(yīng)性的評(píng)價(jià)指標(biāo)及體系。利用模糊數(shù)學(xué)評(píng)判方法和反饋分析理論，研究TBM綜合性能的預(yù)測(cè)和評(píng)估方法，建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性及施工安全評(píng)價(jià)模型。在此基礎(chǔ)上，依托工程實(shí)例并通過(guò)軟件編程，構(gòu)建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應(yīng)性評(píng)價(jià)決策系統(tǒng)和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)及驗(yàn)證完善。

三結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家水利、電力、交通、運(yùn)輸?shù)确矫娴拇罅Πl(fā)展，隧道工程將越來(lái)越多，特別是超深、長(zhǎng)、大隧道逐漸占據(jù)越來(lái)越大的比例，不可避免穿越環(huán)境惡劣的復(fù)雜、不良地質(zhì)洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解決復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工關(guān)鍵技術(shù)，將對(duì)國(guó)內(nèi)TBM施工技術(shù)水平的提高以及TBM國(guó)產(chǎn)化都將產(chǎn)生不可估量的作用，同時(shí)也對(duì)促進(jìn)西部、西南部及山區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，確保鐵路、公路、水利水電、大規(guī)模調(diào)水工程、國(guó)防工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的順利開(kāi)展，產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

作者：李曉晗 王心 單位：遼寧省水利廳 遼寧省白石水庫(kù)管理局