地質環境TBM施工技術研究
前言：本站為你精心整理了地質環境TBM施工技術研究范文，希望能為你的創作提供參考價值，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。
一研究方向
鑒于上述TBM施工過程中亟待解決的問題，開展復雜地質條件下TBM施工關鍵技術研究方向和方法具有非常重要的意義。借鑒國內外TBM施工的經驗與教訓，可以從以下方面進行有針對性的研究:
1TBM選型綜合評價體系技術的研究
根據施工段地質特征對TBM恰當選型決定了工程能否順利進行。國內自引進TBM施工技術以來，有成功的經驗，也有過很多的失敗的教訓。國內TBM選型的技術研究早已開展，如茅承覺對全斷面巖石掘進機選型進行了全面探討、殷耀章及高勇對深埋長大隧洞TBM施工設備選型進行了深入探討等，但如果能夠建立以隧道設計參數、工程特性指標、地質條件適應性、影響掘進的地質因素、施工環境影響因素、掘進性能指標、工期及節點工期要求等各方面為評價指標的TBM設備選型綜合評價體系，從多角度綜合比選，科學的進行TBM選型，將對設備選型、施工產生非常積極的影響。
對于復雜地質環境下的TBM施工，國內外有過非常多的研究，如尹俊濤等從巖土力學和工程地質角度對TBM施工過程中遇到的諸多地質問題導致的卡機或管片變形等工程事故進行了剖析并對采取的工程措施進行了總結、尚彥君等對國內外典型的三個TBM施工遇險實例進行了透徹分析與反思，但目前多數研究成果是針對已完工程的總結，如能夠通過科學分析，對施工環境變化特征及演化規律做出深入研究，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，并對巖石成分進行分析，輔以超前地質預報等手段從微觀和宏觀兩方面，針對地質工程特征，研究不同的圍巖結構、物理特性和力學特性;針對地下水影響，研究地質體的可溶性、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TBM掘進研究提供工程地質賦存條件。
3盤形滾刀破巖機理及防控措施研究
TBM盤型滾刀破巖機理是刀具研究的熱點和難點，對滾刀破巖過程中滾刀與巖石的作用機理、滾刀在刀盤上的定位與滾刀磨損的相關性等國內已經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的基礎上建立了巖石在盤型滾刀作用下的力學模型、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械因素和地質因素、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理。但采用試驗的方式就滾刀機械機構和材料對滾刀磨損性的關聯、為刀具磨損預測公式和磨損模型的建立奠定理論基礎等的研究工作國內尚未開展。如能夠利用較先進的試驗儀器，采用CAI巖石磨蝕伺服實驗儀等試驗儀器并研制巖粉磨蝕實驗裝置，開展刀具磨蝕性實驗和滾刀巖粉磨蝕實驗，建立TBM刀具磨損預測模型，將為國產TBM發展刀盤及刀具設計打下基礎。根據工程施工過程中盤形滾刀的實際數據對比所建立的模型，以此評判模型的正確性，并可以計算出恰當的換刀時機，對TBM施工也將帶來積極的影響。
4刀具運行監測系統研究
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，實現對滾刀運行過程的實時監控，及時了解滾刀運行狀況及磨損情況，減少刀具檢查時間，及時發現刀具運行的異常情況，避免刀具弦磨現象出現，可以大大提高設備掘進效率，加快施工進度，同時也可以有效減少刀具消耗量，降低工程施工成本。
5破碎地層圍巖失穩機理與防控方案研究
進行破碎地層理論建模，進行巖機作用有限元分析，探索破碎地層圍巖壓力和圍巖抗力的大小和分布情況，評價圍巖穩定性，提出適用于TBM施工的圍巖質量評價指標;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、不同應力場的圍巖和變形響應規律，結合現場支護結構應力應變試驗，分析支護結構變形規律，建立TBM擾動下圍巖失穩與支護模型，優化支護方案。將對節約工程投資、提高工程質量有重要意義。
6TBM長距離掘進配套設備關鍵技術研究
連續皮帶機是TBM長距離隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用連續皮帶機出渣情況下的同步襯砌工藝，實現連續皮帶機順利穿行同步襯砌臺車在國內的蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程已經有過成功的應用，如徐雙永等［8］對該工程TBM掘進同步襯砌技術進行了詳盡論述，對今后類似工程施工將起到積極的借鑒作用。研究TBM掘進速度與巖碴運輸能力的匹配關系、膠帶與碴土的相互作用原理，建立皮帶機的動力學模型，通過連續皮帶機動力學仿真優化連續皮帶機的性能參數;分析皮帶機運行故障案例，提出解決皮帶機支架快速加裝延伸、皮帶偏離定位基準、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、設備等關鍵技術，隧道鋪底作業工法及配套設備等關鍵技術，TBM掘進隧道同步成型襯砌工法及配套設備等關鍵技術，這些目前均為較新的課題。
7深埋破碎地層TBM適應性研究
基于深埋破碎地層的復雜地質條件和巖石機器相互作用機理，研究TBM適應性設計的關鍵要素，是建立深埋破碎地層TBM適應性設計理論基本框架;研究刀盤刀具配置和掘進模式轉換設計，建立高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM破巖適應性設計理論與方法，是基于破碎地層圍巖變形的TBM護盾及推進系統設計的準則;研究復合地層刀盤和驅動系統的推力、彎矩和轉矩特性，為破碎地層TBM主參數設計提供理論依據。這些研究將對TBM國產化產生深遠影響。
8TBM施工綜合評判指標和風險防控體系構建綜合分析
地質條件、擾動區圍巖力學響應、巖機相互作用、施工安全性、圍巖穩定性等TBM適應性影響因素的性質和特征，定義TBM與各影響因素的適應度，依據層次性、效度和簡明性原則，構建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應性評價體系，并根據復雜的地質條件和施工中面臨的風險因素，進行有效的風險管理與控制。將減少施工中多種問題的出現及避免工程事故的發生。
二研究方法
針對目前國內在建TBM隧道工程施工過程中遇到的疑點、難點問題，借鑒國內外既有工程經驗，提出以下研究方法以供參考:
1結合其它課題研究成果
采用理論分析、物理實驗、數值模擬等方法，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理、支護機理以及長距離隧道有限空間內皮帶機出渣等問題，提出刀具磨損預測公式、安全支護模型和TBM適應性評價標準，構建高風險地段TBM施工綜合評判和風險防控體系。
2基于滾刀破巖機作用
綜合試驗平臺，研究不同滾刀磨蝕性評價指標和滾刀磨蝕性分級，為滾刀磨損預測模型提供基礎指標。
3采用有限元或其它數值分析
軟件進行開挖面圍巖穩定性分析，得出TBM擾動下開挖面失穩模型，從模型失穩主要因素入手，分析控制擾動的措施，采用TBM施工數據回歸得出合理的TBM掘進參數。
4采用適應關聯、模糊綜合評價、工程經驗反饋等方法
對影響深埋破碎地層TBM掘進的主要因素進行規范化和量化，提出能有效反映TBM適應性的評價指標及體系。利用模糊數學評判方法和反饋分析理論，研究TBM綜合性能的預測和評估方法，建立深埋破碎地層TBM適應性及施工安全評價模型。在此基礎上，依托工程實例并通過軟件編程，構建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應性評價決策系統和預測評價及驗證完善。
三結語
隨著國家水利、電力、交通、運輸等方面的大力發展，隧道工程將越來越多，特別是超深、長、大隧道逐漸占據越來越大的比例，不可避免穿越環境惡劣的復雜、不良地質洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解決復雜地質條件下TBM施工關鍵技術，將對國內TBM施工技術水平的提高以及TBM國產化都將產生不可估量的作用，同時也對促進西部、西南部及山區經濟發展，確保鐵路、公路、水利水電、大規模調水工程、國防工程等基礎設施建設的順利開展，產生深遠影響。
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
