深埋长隧道TBM施工关键问题探讨

针对深埋长隧道开挖所面临的高水压、高地压、高地温、大变形、难支护等问题,分析总结传统钻爆法开挖与支护技术、全断面隧道掘进机（TBM）施工技术、TBM导洞扩挖技术应用中的优劣,TBM导洞扩挖法为深埋长隧道开挖提供了新的设计思路。由于深埋长隧道的建设环境与浅埋隧道建设环境存在显著差异,TBM施工将面临3个关键问题--岩爆问题、卡盾（大变形）问题和未准确探测前方地质而发生的施工事故（涌水、突泥等）。为揭示TBM施工过程中卡盾的存在性,分别针对某一特定地质条件下深埋软、硬岩TBM施工进行理论分析和数值模拟研究。结果表明,软岩地层TBM施工发生卡盾,而硬岩完整地层TBM施工未发生卡盾。     

TBM施工岩巷掘探一体化技术研究进展与思考

煤矿岩巷全断面掘进机(TBM)施工,是满足集约化、现代化、智能化大型矿井深部高强度开发采掘平衡与高效建设生产的重要方法之一。但是,TBM掘进对于不良地质条件适应性较差,尤其是破碎带、断层、软弱岩层及富水区等复杂地质条件会造成坍塌、卡机、卡盾、涌水等问题,从而限制了其发展。为充分发挥TBM快速掘进效率,将超前探测仪器与TBM机械进行一体化设计,开展随掘探测是煤矿岩巷TBM掘进发展亟需突破的关键技术。从TBM施工岩巷的掘探一体化技术研究出发,回顾了近年来隧道、煤矿岩巷随掘探测技术新进展,介绍了包括随掘地震、随掘电法、随掘瞬变电磁等掘探一体化技术;围绕提高随掘超前探测精度,实现高精度异常体成像,论述了岩巷TBM掘探一体化技术的发展方向,包括超前探测数据采集系统、信号处理方法、巷道界面成像新方法新技术等。认为掘探一体化设备要向自动化、信息化、智能化方向发展,要形成以智能化控制系统为核心的掘进、探测、预报集成化管理平台,实现掘进参数的智能选取、超前探测数据的实时处理与叠加成像,形成掘探一体智能控制与地质条件融合判识系统,为深部煤炭资源的精准开发利用与煤矿智能化建设提供透明地质条件支撑。      

上公山隧洞4+439部位TMB卡机地质条件及后护盾顶部塑性变形分析

被选做长距离地下隧洞施工的岩石掘进机(TBM)以快速施工优势明显著称,当遇到软弱围岩加断层破碎带时,常发生卡机等事故,面临工期延误等挑战。穿越元古界黑山头组砂质板岩等软弱岩体的上公山隧洞,施工中多次发生围岩大变形卡机等施工地质灾害。其中较严重的是在桩号4+439侧向扩挖过程中TBM后护盾出现变形裂缝的严重事故。采用X-衍射粘土矿物分析、岩体受力模型分析和有限元数值模拟方法,研究软弱围岩与TBM相互作用下莫尔圆和库伦强度曲线的关系变化,模拟断层出露于隧洞掌子面不同部位时所产生的位移变化。结果发现,断层出露于掌子面中部时顶拱位移最大,侧向扩挖状态下护盾变为有侧向约束的单轴压缩状态,使顶部受压,反分析得到后护盾刚度系数K=153.00 k N/mm。鉴于所研究软弱围岩和小角度交切断层等不利地质条件,TBM正常适用受太多影响使工期延误,最终剩余洞段被钻爆法所取代。     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

黑河龙首二级(西流水)水电站高压水道段施工技术

龙首二级(西流水)水电站引水发电洞高压水道段坡度50°，长466.8 m，介绍了该高压水道的超前锚杆预加固、初期支护、控制爆破、监控量测等施工技术措施，成功地完成了坡度50°的斜管段及平卧管段断层破碎带软弱地层的施工。     

富水软弱地层地铁隧道浅埋暗挖施工技术

浅埋暗挖法在深圳地铁一期工程 2 3标区间隧道施工中成功运用 ,其中地表降水、旋喷止水帷幕、天桥基础托换和地质超前预报等技术都在含砂、含水、软土地层中成功实施 ,隧道顺利通过富水软弱含砂地层及两座人行天桥 ,施工进度、安全性和施工质量都得到保证 ,并有效地控制了地表沉降 ,取得了很好的经济效益。对各项技术措施、施工工艺及技术难点进行了分析 ,指出该技术在富水软弱地层中广阔的应用价值和前景     

富水软弱带公路隧道支护技术研究

大奎隧道是炎汝高速公路炎陵至汝城段的一座公路隧道,地质条件极其复杂,隧道施工后,初期支护发生严重变形,钢支撑被压弯,下沉量严重侵入建筑限界。综合现场监测、地质雷达扫描结果,从涌水特征、地质情况和施工方法3方面出发,系统分析了大奎隧道富水软弱带初期支护后隧道严重变形的原因,并在此基础上,研究支护失效段和掌子面的支护设计及施工组织方案,提出三大治理措施：一是控制涌水,二是反压回填及加固围岩,三是优化施工工法。监测结果显示：上述措施实施后,取得了非常满意的效果,保证了复杂地质条件下隧道施工的安全。该成果对富水软弱地层隧道修建具有重要的指导作用和参考价值。     

双护盾TBM施工隧洞综合超前地质预报方法研究

由于受护盾、管片及电磁干扰的影响,地质素描、炸药激振地震法、电磁法等超前地质预报方法在双护盾TBM施工中无法使用。根据双护盾TBM技术特点,以CCS水电站引水隧洞为工程背景,提出了以地质分析法、物探法、和超前钻探等为主的综合超前地质预报方法。综合超前地质预报采用"由粗到细、点面结合"的原则。地质分析法包括隧洞沿线地质分析、施工地质观察、岩渣及掘进参数分析等,不占用TBM掘进时间,成本低,可全洞段采用。物探法包括ISIS地震法和BEAM电法。物探法和超前钻探占用TBM掘进时间,且预报成本较高。因此,应根据预报精度、预报成本及是否占用掘进时间综合权衡后,确定采用何种预报方法。基于综合超前地质预报结果,针对不良地质条件,提出了相应的处理措施。研究结果表明,综合超前地质方法符合双护盾TBM施工特点,能有效识别掌子面前方的不良地质条件,同时可为工程应对措施提供基础支撑,从而有效避免或降低不良地质条件的影响。     

管棚复合钢支撑支护技术在软弱破碎富水地层掘进中的应用

管棚复合钢支撑技术，是一个通过超前管棚、支撑钢拱、白铁皮隔离、工作面封堵的相互配合和共同作用，形成了具有强大支护抗力的复合支护体系。介绍利用该项技术，安全高效完成崇州市鞍子河电站300m余软弱破碎富水地层的隧洞掘进的情况。     

全强风化花岗岩富水地层隧道施工技术

小天都隧道洞身段左线340 m、右线290 m范围内为全强风化花岗岩富水地层,开挖变形大。为在富水地层全强风化花岗岩中控制围岩变形,达到快速安全施工,以小天都隧道为研究对象,采用理论和现场监测等手段对全强风化花岗岩富水地层中的施工技术进行探究。研究结果表明,采用三台阶预留核心土环形开挖并施作超前支护能够有效控制围岩变形、减小隧道拱顶下沉;全强风化花岗岩遇水会显著降低自身强度,采用洞内引排水及洞外井点降水措施可有效降低围岩含水率,进而有效降低其遇水崩塌的危险性,保证施工安全与进度。所得结果可为大断面隧道在类似地质条件下的施工提供参考。     

开敞式TBM过类泥石流不良地质洞段施工处理技术

开敞式TBM在掘进过程中,往往会遇到断层破碎带,目前业界已经有相应的处理方式,但是在遇到类泥石流洞段时,单独依靠目前TBM自身条件及已有的处理方式很难实现顺利通过,需要采取特殊的施工处理措施相互配合才能通过。本文依托吉林引松供水项目三标段类泥石流不良地质洞段的处理,形成了一套完整的开敞式TBM过类泥石流不良地质洞段施工处理技术,即在碎块石夹杂断层泥段采用超前管棚支护,在类泥石流不良地质洞段采用堵水灌浆加固技术并配以喷锚喷网 钢拱 模筑混凝土的联合支护技术。工程实践验证了该技术的可行性。     

基于模糊综合评判的护盾式TBM施工围岩稳定性分类

针对传统分类方法难以对围岩稳定性进行评价的问题,以护盾式全断面隧掘进机（TBM）施工隧洞的围岩稳定性评价为目标,在研究护盾式TBM施工特点的基础上,参照国内、外常用的围岩分类方法,选择了岩石的回弹值、刀盘推力、刀盘扭矩、片状岩渣含量、地下水渗流量和最大主应力与洞轴线的夹角作为围岩稳定性评判因素。采用模糊综合评判方法,建立围岩稳定性多因素评判模型,通过确定评判因素的权重向量选取隶属函数,进而对围岩稳定性进行定量评判,并将之应用到某工程双护盾TBM施工的围岩稳定性评判中。结果表明：序号1、2、3和4洞段对应的较稳定、较稳定、局部稳定性差和不稳定的最大隶属度分别为0.494、0.403、0.388、0.442,分别对应Ⅱ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类围岩;模糊综合评判方法合理,评判结果较为可靠。研究成果对护盾式TBM施工的围岩稳定性评价、围岩分类及支护方式选择等具有参考价值。     

斜井盾构掘进时富水围岩变形特性模拟分析

在富水软岩地层中进行盾构掘进施工过程时,围岩应力状态会发生变化。准确掌握其变化规律,有利于采取合适的处置方法,避免发生斜井垮塌涌水和卡盾抱箍等工程事故。以往研究一般只考虑盾构、斜井和软岩中的一个或两个条件,也未对有无渗流两种工况进行对比,并较少涉及不同埋深条件下坡度的影响。文章采用有限元计算模型研究盾构在富水软弱地层中掘进过程中围岩的力学特性,通过选择若干观测断面进行监测,得出软岩整体呈现“横鸭蛋式”椭圆形变化趋势,且顶部比两侧和底部更容易受到施工扰动,在渗流条件下该趋势得到加强;设定5种埋深和5种斜井坡度条件,模拟盾构在掘进过程中不同条件下顶部和侧向监测点的位移,结果显示:盾构洞周拱顶竖向位移一般大于两侧水平位移;当斜井纵坡坡度<4°时,盾构顶部监测点竖向位移与侧向监测点水平位移相差较小,但均随斜井埋深的增大而增大;坡度超过4°后,盾构掘进引起的顶部竖向位移与侧向水平位移间差值随着埋深的增加而逐渐增大。     

挤压地层双护盾TBM围岩变形及应力场特征研究

为研究挤压地层双护盾隧道掘进机（TBM）作用下围岩变形及应力场特征,采用FLAC3D建立了完整模型,并详细阐述了隧道掘进机（TBM）施工过程中的模拟方法,重点分析了隧洞纵横断面内围岩位移场、应力场、塑性区特征。模拟结果表明,两腰下部范围内的围岩与TBM护盾发生接触并产生挤压,拱顶并未接触;受刀盘与护盾连接处的尺寸高差和前后护盾的锥度影响导致仰拱围岩内出现3次加卸载,仰拱内部环向应力和径向应力均大于拱顶和两腰,而且其主应力方向与径向线斜交,受扰动剧烈,但仰拱下方70°范围内的围岩基本处于弹性状态;横向断面内围岩塑性区自上而下逐渐减小,且距掌子面越远塑性区范围越大,但后盾塑性区范围变化不大。     

武隆隧道岩溶地质超前预报综合技术

武隆隧道全长9418m,为渝怀铁路第二长大隧道。该隧道的施工地质条件非常复杂,存在浅埋段、断层破碎带、岩溶暗河、非煤系地层瓦斯和岩爆等不良地质现象。其中,岩溶、暗河以及岩溶涌水是本隧道施工的最主要地质问题。根据岩溶垂直分带结果,武隆隧道处于混流带中,特别是多在季节变动带与水平迳流带之间。自隧道开挖揭露以来,多次发生大型、特大型岩溶涌水灾害。作者根据武隆隧道施工的特点,以地质法为基础,以HSP声波反射法为主要手段,结合TSP203系统和钻探等的超前预报综合技术,进行岩溶地质超前预报。实践证明,武隆隧道综合地质预报技术的应用是基本成功的,值得在同类隧道施工地质预报中借鉴。     

管棚法在黔西北岩溶复杂地层探矿坑道中的应用

管棚法作为一种超前支护技术在浅层隧道施工领域得到广泛应用,但在深埋探矿坑道,尤其是在岩溶复杂地层中的研究应用甚少。文章以黔西北地区探矿坑道中遇到的软弱岩溶复杂地层为例,系统地探讨了管棚法在岩溶发育区探矿坑道掘进工程中,对坑道中的岩溶软弱带进行支护的设计、计算及施工方法。     

雁门关铁路隧道涌水量预测与防护措施研究

雁门关铁路隧道施工范围内地表水及地下水发育,为保证施工安全,应对施工范围内地表水及地下水进行评价,并对施工期的涌水量进行预测。根据水文地质和工程地质调查,结合物探及钻探资料综合分析表明：隧道区域构造发育,断层破碎带导水性好;地下水分布以断层带水和基岩裂隙水为主,一般断层带强富水,而基岩裂隙带为弱富水～中等富水。隧道集中涌水段主要发生在断裂构造发育地带。     

贵阳某地铁车站岩溶发育特征及突水模式分析

岩溶可诱发基坑涌水、涌泥等灾害,给在富水岩溶区及断层破碎带区域施工的地铁工程带来诸多难题。因此,调查车站区域岩溶发育特征,分析突水模式,对车站基坑的设计和工程施工具有重要的指导作用。文章以贵阳某地铁车站深基坑岩溶涌水治理工程为背景,采用现场调查及理论分析相结合,借助三维地质模拟软件,对该地铁车站的岩溶发育特征和涌水条件进行系统分析,总结出基坑岩溶发育特征及涌水突水模式,建立了岩溶、断层破碎带与地铁车站空间关系的三维地质模型。对类似地铁车站岩溶水文地质勘察及涌水防治方案的设计和施工具有参考作用。      

隧道软弱断层破碎带施工控制技术研究

以正阳隧道软弱断层破碎洞段为研究对象,分析了施工过程中出现的坍方、拱顶落石、掌子面涌泥、支护开裂剥落等造成施工障碍的工程难题,结合隧道所处地质条件、地理位置及施工措施等因素拟定安全施工控制技术方案,施工实践效果良好,可供同类工程参考。     

地铁隧道开挖引起地表塌陷分析

深圳富水软弱地层地铁隧道开挖中出现的工作面失稳及由此引起的地表塌陷是地铁安全施工中极其重要的方面，对施工安全、进度都有较大影响，同时也对整个工程造成巨大的经济损失。通过对深圳地铁Ⅰ期工程土建施工中全线部分暗挖标段出现的工作面失稳、地表塌陷工程实践和现场监测结果分析，特别着重对连续2次出现地表塌陷的3A标暗挖隧道研究，从隧道上覆地层物理力学性质参数、地层变形监测分析及施工工艺原因3方面阐述了地表塌陷的原因。明确提出剪切破坏线和失水空洞区的概念，确定出引发地表塌陷的主导因素为施工工艺原因。建议针对该类地层条件，应做好超前地质预报．适当调整预加固参数．加强隧道结构和地表的动态变形监测，施工技术人员做到准确了解施工现场动态，及时调整施工工艺参数，以保证隧道的安全施工。分析结果对深圳地铁Ⅱ期工程施工及类似地层条件地下工程施工提供科学预测、预防地表塌陷的方法和技术措施，达到地铁隧道施工中经济效益与安全施工的统一。