引大济湟工程TBM挤压大变形卡机计算分析与综合防控

针对青海省引大通河济湟水河(引大济湟)工程频繁遭遇挤压大变形和卡机灾害难题,基于挤压大变形本构模型和全断面隧道掘进机(TBM)卡机事故预测分析理论,提出了挤压大变形和卡机计算方法,进行了引大济湟工程TBM掘进围岩挤压大变形与卡机计算,结果表明:(1)TBM穿越F5断层区段时,当扩挖间隙为10 cm时,开挖卸荷后护盾所受摩阻力将达到推进系统提供的最大推力,易发生卡机事故;(2)挤压变形、围岩-护盾接触面积和护盾所受摩阻力随停机时间不断增大,停机1 d内增大的速率越来越大,停机后7 d起,围岩流变速率和护盾所受摩阻力增加速率均减缓,直到停机后13 d时,围岩-护盾相互作用达到平衡,护盾所受摩阻力趋于稳定。同时为了防止和控制卡机事故,对该工程后续施工提出了最佳扩挖间隙和许可停机时间等卡机综合防控的3个对策:即扩挖间隙至少要增大到15 cm,此时停机初始时刻不发生卡机,许可停机时间为2 d;扩挖间隙增大到18 cm时,许可停机时间为4 d;扩挖间隙增大到20 cm时,就选取的围岩条件下,停机7 d内TBM基本不发生卡机,7 d后也很容易克服卡机。提出的卡机防控措施对引大济湟工程TBM安全高效掘进具有一定的指导意义,并得到工程实际控制对策的验证。     

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明：在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。     

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。     

基于AHP和模糊综合评判的TBM施工风险评估

岩石隧洞建设中面临很大和众多的风险,利用TBM施工的深埋长隧洞受多种不确定因素影响,具有随机性和模糊性,目前的研究方法难以对其进行准确定量分析。通过深入分析影响TBM施工的风险因素,建立了TBM施工风险综合评价指标体系。基于风险影响因素的层次性,提出了TBM施工风险二级模糊综合评判计算模型,并利用层次分析法(AHP)确定各级因素权重,利用模糊集法确定隶属函数,划分了风险接受等级。以南水北调西线工程深埋长隧洞TBM施工为例,应用二级模糊综合评判计算模型对该工程TBM施工风险进行分析,计算结果表明,该方法是合理性实用的。其理论、方法、思路和结论可供同类工程借鉴。     

中国大坝安全管理与风险管理的战略思考

中国大坝安全管理水平不断提高的同时,更为科学与全面的风险管理理念也在不断发展。从法律法规、研究进展两个角度,对中国大坝安全管理与风险管理进行对比分析,指出当前采用的安全管理方法存在事故概率计算难度较大、对事故后果重视不足、评价准则不够全面及管理措施较为单一等问题。为促进管理方式和理念的转变,提高中国大坝的管理水平,提出在今后的研究与实际操作中,应重视事故概率与后果的定量分析,及时构建风险标准并综合运用风险控制方法。     

TBM掘进技术发展及有关工程地质问题分析和对策

通过对大量文献资料和工程实例的研究,论述了TBM(隧道掘进机)近半个世纪发展及其在隧道建设中的应用现状和问题。对大量国内外工程实例分析后发现优先采用TBM掘进技术已成为未来隧道建设总的发展趋势。从岩石力学和工程地质角度对岩石TBM掘进过程中遇到的诸如软岩大变形、突水、岩爆等不良工程地质问题导致卡机或管片变形、破损等工程事故进行了剖析,并对采用的工程处理措施作了总结对比。随着今后TBM掘进技术在我国大规模应用,对复杂工程地质条件的客观全面认识和施工方案的及时调整成为影响施工安全和经济效益的关键因素。     

盐岩地下储备库引发地表沉陷事故的风险分析

在盐岩储备库的建设和运营过程中,由于腔体不断收缩而导致上覆岩层发生变形,从而引起储库上部地表发生碟状沉降变形,甚至造成地表塌陷事故是盐岩地下储备库的重要事故类型之一。针对盐岩地下储备库引发的地表沉陷事故进行分析,找出了该类事故的发生机制并建立相应的故障树模型,计算得到地表沉陷事故的14种发生模式和10个基本致因事件,并提出了相应的控制措施。并从风险分析的角度对盐岩储备库引发的地表沉降事故的后果严重性进行预测分析研究,并以湖北云应盐矿为例,假设该地区在储气库的建设或运营过程中发生地表沉降事故,采用模糊综合评价法对该类事故后果的严重性进行风险预测,得出后果为可忽略、需考虑、严重、非常严重、灾难性的概率分别为0.24、0.28、0.29、0.15、0.04。为有效预防盐岩储备库运营引发地表沉陷事故以及在事故发生前进行损失严重性预测提供了依据和方法     

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。     

地铁盾构隧道近接施工风险等级评估方法研究北大核心CSCD

为准确掌握地铁盾构近接施工的风险等级,以近接既有隧道施工断面的地表沉降变形监测成果为基础,先分析研究其变形规律,再利用累计变形判据和变形速率判据实现近接施工的风险等级评估。实例分析表明:在近接施工段,地表变形具波动起伏特征,最大沉降量已达27.22 mm,说明近接施工对周围土体的扰动影响较为显著,但就现状变形而言,累计沉降量及变形速率均在预警值范围以内;同时,在近接施工风险等级评估过程中,各类风险判据的评估结果是不同的,侧面说明了近接施工风险评估判据应具多样性,且通过计算,得不同监测点的综合风险等级也存在一定差异,风险等级间于Ⅱ级~Ⅲ级,按不利原则,综合确定近接既有隧道段的施工风险等级为Ⅲ级,需提高监测频率,以切实保证施工安全。本次研究为合理评价近接施工风险等级提供了一种新的思路。     

深埋炭质板岩隧道的大变形分级研究

为合理实现炭质板岩隧道的大变形分级,以木寨岭隧道大变形段五个监测断面的监测成果为基础,利用极限位移准则实现其现状分级,利用递进优化思路构建隧道大变形预测模型,并根据外推预测结果的速率均值实现大变形发展趋势分级。结合隧道大变形的现状分级和发展趋势分级结果,开展隧道大变形发育程度的综合评价。实例分析表明：在大变形现状分级过程中,不同位置处的大变形等级存在一定差异,其中,以DK180+960 m断面的大变形程度相对最为严重,属Ⅴ级-极严重,其余四个断面的大变形等级为Ⅳ级-严重;通过发展趋势分级,得DK180+940 m断面和DK180+960 m断面的大变形发展趋势等级为2级,其余三个监测断面属1级,均具持续增加趋势,趋于不利方向发展。结合前述大变形现状分级和发展趋势分级结果,综合得出DK180+960 m断面的大变形最为不利,其次是DK180+940 m断面,其余三个断面的大变形程度相似。因此,可根据断面的大变形综合评价结论来制定具有针对性的防治措施,以达到优化现场防治措施的目的。     

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。     

煤矿长斜井TBM施工安全风险分析与趋势预测

对煤矿长斜井盾构机（tunnel boring machine,TBM）施工的风险因素进行了识别,建立了二层次的风险评估指标体系,并确定了风险等级分类标准,利用熵权法确定风险指标的权向量,进而建立了基于集对分析法的煤矿长斜井TBM施工同异反评估模型。在此基础上利用偏联系数的理论确定了文中五元偏联系数的计算方法,根据改进的集对势理论给出风险趋势的预测方法。利用该模型对台格庙矿区煤矿长斜井（1#、2#实验井）TBM施工风险进行了评估与趋势预测。研究表明该模型与方法在煤矿长斜井TBM施工风险分析中是有效的、实用的,可为煤矿长斜井TBM施工风险分析与预测提供一种新的途径。     

城市地下空间全寿命风险分析与防控体系构建

城市地下空间开发利用过程中安全事故频发,危害极大,为了有效减少事故的发生并降低损失,对其全寿命周期中的规划选址、水文地质勘察、工程设计、建设施工、运营维护等各个重要环节进行主要风险因素辨识及相应事故分析,指出各因素之间存在的相互影响关系。建立了安全评价指标体系,提出多因素、多方法的综合风险评价方法,并通过具体实例进行可行性验证。在此基础上针对城市地下空间的开发利用,构建 “全周期、全体系、全系统”的风险防控技术和管理体系,为保障城市地下空间项目的顺利实施提供科学合理的思路和方法。     

基于事故统计分析的盐岩地下油/气储库风险评价

基于国外盐岩地下油气储备库曾发生过的重大事故的统计资料,采用风险矩阵法对盐岩储备库在建设和运营过程中的存在的重大风险进行了评价,分析了储备库重大事故的发生概率、风险等级、事故类型以及引发事故的主要原因,为我国盐岩储备库在建设和运营中的风险管理提供理论依据。研究结果表明,单个盐穴在建设和运营过程中发生重大事故的统计概率为1.51%,风险等级介于三级和四级之间,属于基本可接受的风险,但必须制定防范、监控措施;事故类型可分为油气渗漏、腔体失效和地表沉陷,其中油气渗漏事故的风险等级为三级,属于可接受风险,其他类型的事故风险等级均为二级,属于可容许风险;引发事故的原因主要是套管破损、蠕变过量和人为失误,其次还有地面装置损坏和盖层失效     

地质条件不确定性下TBM管片结构失事概率计算

不良地质条件是影响TBM施工隧洞管片结构安全的重要因素。综合考虑围岩地质条件和衬砌结构的不确定性,提出了一种定量分析TBM管片结构失事概率的新方法。在基于Markov过程估计隧洞沿程地质岩性变化概率的基础上,建立了隧洞任意位置处管片选型不匹配的概率模型;考虑围岩和管片参数的不确定性,采用随机有限元方法计算某一类型管片在不同围岩下的失事概率;由此,采用全概率公式,可计算隧洞沿程任意位置处管片结构的失事概率。结合实际工程,针对施工期工况,确定了该隧洞管片沿程的失事概率、最大失事概率及其所对应的位置等,为管片选型、优化设计及TBM施工期的风险防范提供了依据。     

高地应力隧道施工期大变形动态风险评估方法及应用

简单实用的隧道大变形风险评估方法对灾害防治和工程应用有重要价值。本文应用指标打分法建立了高地应力隧道施工期大变形动态风险评估方法。应用指标体系打分法建立了包括地质因素、设计因素和施工因素3项一级指标和岩石强度、围岩完整性等18项二级指标的风险评估指标体系,经统计分析确定各指标影响权重。通过现场对各指标进行打分,对照大变形风险可能性等级标准,确定风险可能性等级;通过专家调查对直接经济损失、工期延误进行估计,确定严重程度等级;综合考虑风险发生可能性及损失严重程度,应用风险矩阵法得到风险等级。将所建立的风险评估方法应用于在建汶马高速公路米亚罗3号隧道,评估结果与实际开挖结果一致,验证了此套方法的有效性与实用性。该风险评估方法可为隧道施工期大变形的预防和控制提供科学依据。     

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机（TBM）开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明：TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现“变形不协调”现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度（FAI）指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明：开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。