前言：本站為你精心整理了地質(zhì)環(huán)境TBM施工研究方法范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

1TBM面臨很多有待于攻克的難題:

1.1地質(zhì)適應(yīng)性差

不同類型的TBM有不同的特點(diǎn)，適用于不同地質(zhì)環(huán)境，tbm型式選擇的適當(dāng)與否決定了工程進(jìn)度甚至關(guān)乎工程的成敗。

1.2復(fù)雜地質(zhì)條件對TBM施工影響

一般的軟巖、硬巖、斷層破碎帶，可采用TBM輔以必要的支護(hù)措施進(jìn)行掘進(jìn)，但若遭遇特殊斷層、軟硬兼具圍巖段、涌水涌泥、巖溶、高地應(yīng)力、巖爆、圍巖變形等多變地質(zhì)狀況，將對TBM施工造成嚴(yán)重甚至是災(zāi)難性的影響。

1.3圍巖失穩(wěn)對施工的影響

遇到不良地質(zhì)、圍巖失穩(wěn)可能造成TBM無法正常掘進(jìn)甚至被卡、被埋，對施工造成嚴(yán)重破壞及巨大的損失。

1.4刀具消耗費(fèi)用對施工成本的影響

刀具消耗費(fèi)用是TBM施工占成本比較大的一個項(xiàng)目，地質(zhì)情況越復(fù)雜、圍巖強(qiáng)度越高、石英含量越高，刀具消耗費(fèi)用也越高，據(jù)統(tǒng)計在秦嶺隧道堅(jiān)硬的片麻巖地段掘進(jìn)，刀具消耗費(fèi)用占掘進(jìn)總成本的近三分之一。

1.5刀具檢查及更換作業(yè)時間長設(shè)備掘進(jìn)過程中

每間隔3～5個循環(huán)就需要停機(jī)進(jìn)行一次刀具檢查，地質(zhì)情況極特殊的情況下每2～3個甚至1個循環(huán)就要檢查一次刀具，一般情況下刀具檢查時間占總設(shè)備作業(yè)時間的7%左右，對掘進(jìn)效率影響非常大。正常情況可每天利用設(shè)備維修時間進(jìn)行刀具更換，但若遇硬度或石英含量較高的圍巖洞段，更換刀具數(shù)量達(dá)10把以上，需占用大量正常掘進(jìn)的時間進(jìn)行刀具更換，對設(shè)備利用率造成嚴(yán)重影響。

1.6出渣的影響

出渣是制約TBM施工進(jìn)度的因素之一。TBM掘進(jìn)過程中出渣量大，對出渣設(shè)備效率要求比較高。根據(jù)工程特點(diǎn)合理的選擇出渣方式及出渣設(shè)備對施工進(jìn)度將起到非常關(guān)鍵的作用。施工過程中，因出渣效率低、設(shè)備故障對TBM施工造成的影響是非常嚴(yán)重的。特別是復(fù)雜地質(zhì)條件下的長距離、大斷面隧道掘進(jìn)，出渣的問題尤為突出。

1.7設(shè)備掘進(jìn)過程中同步襯砌問題

在復(fù)雜地質(zhì)條件下，要實(shí)現(xiàn)TBM掘進(jìn)過程中的仰拱及邊頂拱的同步襯砌，需要解決襯砌與掘進(jìn)進(jìn)度匹配、TBM掘進(jìn)與襯砌運(yùn)輸相互干擾、出渣及通風(fēng)設(shè)備影響等難題，才能保證TBM運(yùn)渣、通風(fēng)、高壓供電、照明通訊、供水、排水各工序順暢銜接。TBM掘進(jìn)過程中的同步襯砌問題，直接影響到施工周期和施工成本。

2研究方向

鑒于上述TBM施工過程中亟待解決的問題，開展復(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)行有針對性的研究:

2.1TBM選型綜合評價體系技術(shù)的研究

根據(jù)施工段地質(zhì)特征對TBM恰當(dāng)選型決定了工程能否順利進(jìn)行。國內(nèi)自引進(jìn)TBM施工技術(shù)以來，有成功的經(jīng)驗(yàn)，也有過很多的失敗的教訓(xùn)。國內(nèi)TBM選型的技術(shù)研究早已開展，如茅承覺對全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)選型進(jìn)行了全面探討、殷耀章及高勇對深埋長大隧洞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價指標(biāo)的TBM設(shè)備選型綜合評價體系，從多角度綜合比選，科學(xué)的進(jìn)行TBM選型，將對設(shè)備選型、施工產(chǎn)生非常積極的影響。

2.2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

對于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的TBM施工，國內(nèi)外有過非常多的研究，如尹俊濤等從巖土力學(xué)和工程地質(zhì)角度對TBM施工過程中遇到的諸多地質(zhì)問題導(dǎo)致的卡機(jī)或管片變形等工程事故進(jìn)行了剖析并對采取的工程措施進(jìn)行了總結(jié)、尚彥君等對國內(nèi)外典型的三個TBM施工遇險實(shí)例進(jìn)行了透徹分析與反思，但目前多數(shù)研究成果是針對已完工程的總結(jié)，如能夠通過科學(xué)分析，對施工環(huán)境變化特征及演化規(guī)律做出深入研究，將對TBM施工起到很大的積極作用。如通過巖芯取樣、超前鉆探等手段，并對巖石成分進(jìn)行分析，輔以超前地質(zhì)預(yù)報等手段從微觀和宏觀兩方面，針對地質(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;針對地溫影響，研究超深特長隧道中高地溫特性等，將會為后續(xù)TBM掘進(jìn)研究提供工程地質(zhì)賦存條件。

2.3盤形滾刀破巖機(jī)理及防控措施研究

TBM盤型滾刀破巖機(jī)理是刀具研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)，對滾刀破巖過程中滾刀與巖石的作用機(jī)理、滾刀在刀盤上的定位與滾刀磨損的相關(guān)性等國內(nèi)已經(jīng)有過較多的探討與研究，如張照煌等在深入研究了巖石在盤型滾刀作用下的形變和剝落特點(diǎn)的基礎(chǔ)上建立了巖石在盤型滾刀作用下的力學(xué)模型、宋克志等指出了影響盤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)和材料對滾刀磨損性的關(guān)聯(lián)、為刀具磨損預(yù)測公式和磨損模型的建立奠定理論基礎(chǔ)等的研究工作國內(nèi)尚未開展。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)測模型，將為國產(chǎn)TBM發(fā)展刀盤及刀具設(shè)計打下基礎(chǔ)。根據(jù)工程施工過程中盤形滾刀的實(shí)際數(shù)據(jù)對比所建立的模型，以此評判模型的正確性，并可以計算出恰當(dāng)?shù)膿Q刀時機(jī)，對TBM施工也將帶來積極的影響。

2.4刀具運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)研究

針對刀具檢查占用時間較長的問題，采取視頻、光電、溫感等有效手段，實(shí)現(xiàn)對滾刀運(yùn)行過程的實(shí)時監(jiān)控，及時了解滾刀運(yùn)行狀況及磨損情況，減少刀具檢查時間，及時發(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，同時也可以有效減少刀具消耗量，降低工程施工成本。

2.5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，評價圍巖穩(wěn)定性，提出適用于TBM施工的圍巖質(zhì)量評價指標(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)力場的圍巖和變形響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變試驗(yàn)，分析支護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，建立TBM擾動下圍巖失穩(wěn)與支護(hù)模型，優(yōu)化支護(hù)方案。將對節(jié)約工程投資、提高工程質(zhì)量有重要意義。

2.6TBM長距離掘進(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車在國內(nèi)的蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程已經(jīng)有過成功的應(yīng)用，如徐雙永等對該工程TBM掘進(jìn)同步襯砌技術(shù)進(jìn)行了詳盡論述，對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)的動力學(xué)模型，通過連續(xù)皮帶機(jī)動力學(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、斷帶等問題的有效解決方案;研究TBM長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。

2.7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)計的關(guān)鍵要素，是建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性設(shè)計理論基本框架;研究刀盤刀具配置和掘進(jìn)模式轉(zhuǎn)換設(shè)計，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)計的準(zhǔn)則;研究復(fù)合地層刀盤和驅(qū)動系統(tǒng)的推力、彎矩和轉(zhuǎn)矩特性，為破碎地層TBM主參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。這些研究將對TBM國產(chǎn)化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2.8TBM施工綜合評判指標(biāo)和風(fēng)險防控體系構(gòu)建綜合分析

地質(zhì)條件、擾動區(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)性評價體系，并根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工中面臨的風(fēng)險因素，進(jìn)行有效的風(fēng)險管理與控制。將減少施工中多種問題的出現(xiàn)及避免工程事故的發(fā)生。

3研究方法

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

3.1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)理以及長距離隧道有限空間內(nèi)皮帶機(jī)出渣等問題，提出刀具磨損預(yù)測公式、安全支護(hù)模型和TBM適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建高風(fēng)險地段TBM施工綜合評判和風(fēng)險防控體系。

3.2基于滾刀破巖機(jī)作用

綜合試驗(yàn)平臺，研究不同滾刀磨蝕性評價指標(biāo)和滾刀磨蝕性分級，為滾刀磨損預(yù)測模型提供基礎(chǔ)指標(biāo)。

3.3采用有限元或其它數(shù)值分析

軟件進(jìn)行開挖面圍巖穩(wěn)定性分析，得出TBM擾動下開挖面失穩(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)。

3.4采用適應(yīng)關(guān)聯(lián)、模糊

綜合評價、工程經(jīng)驗(yàn)反饋等方法，對影響深埋破碎地層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)性的評價指標(biāo)及體系。利用模糊數(shù)學(xué)評判方法和反饋分析理論，研究TBM綜合性能的預(yù)測和評估方法，建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性及施工安全評價模型。在此基礎(chǔ)上，依托工程實(shí)例并通過軟件編程，構(gòu)建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應(yīng)性評價決策系統(tǒng)和預(yù)測評價及驗(yàn)證完善。

4結(jié)語

隨著國家水利、電力、交通、運(yùn)輸?shù)确矫娴拇罅Πl(fā)展，隧道工程將越來越多，特別是超深、長、大隧道逐漸占據(jù)越來越大的比例，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)，將對國內(nèi)TBM施工技術(shù)水平的提高以及TBM國產(chǎn)化都將產(chǎn)生不可估量的作用，同時也對促進(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、國防工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的順利開展，產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

作者：李曉晗 王心 單位：遼寧省水利廳 遼寧省白石水庫管理局