TBM岩体可掘性预测及其分级研究

全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）对岩体条件极其敏感,且其前期投入较大,准确地评估岩体可掘性、预测TBM掘进性能对TBM隧道施工至关重要。基于来自中国、伊朗两国涵盖3种不同岩性的5条TBM施工引水隧洞约300组现场数据,以现场贯入度指数FPI为岩体可掘性评价指标,分析了岩石单轴抗压强度UCS、岩体完整性指数 、岩体主要结构面与洞轴线的夹角?、隧洞直径D等与岩体可掘性之间的关系;探讨了适用于岩体可掘性研究的岩体参数统一方法,进一步建立了精度较高的（相关系数为0.768）岩体可掘性经验预测方法。基于该预测方法,运用K中心聚类分析方法,将岩体可掘性分为6类,探讨了不同岩体可掘性条件下TBM平均单刀推力、刀盘转速分布规律,相应成果可为实际工程中TBM施工隧洞岩体可掘性评估、掘进参数的选择、施工进度的安排提供一定的指导。     

TBM岩体可掘性预测及其分级研究

全断面硬岩隧道掘进机（TBM）对岩体条件极其敏感,且其前期投入较大,准确地评估岩体可掘性、预测TBM掘进性能对TBM隧道施工至关重要。基于来自中国、伊朗两国涵盖三种不同岩性的5条TBM施工引水隧洞约300组现场数据,以现场贯入度指数FPI为岩体可掘性评价指标,分析了岩石单轴抗压强度UCS、岩体完整性指数K_(v)、岩体主要结构面与洞轴线的夹角α、隧洞直径D等与岩体可掘性之间的关系;探讨了适用于岩体可掘性研究的岩体参数统一方法,进一步建立了精度较高的（相关系数为0.768）岩体可掘性经验预测方法。基于该预测方法,运用K中心聚类分析方法,将岩体可掘性分为6类,探讨了不同岩体可掘性条件下TBM平均单刀推力、刀盘转速分布规律,相应成果可为实际工程中TBM施工隧洞岩体可掘性评估、掘进参数的选择、施工进度的安排提供一定的指导。     

隧道掘进机施工条件下的隧洞围岩分类方法探讨

针对隧道掘进机(Tunnel Boring Machine--TBM)施工隧洞中的围岩分类问题,指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性,充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素,提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上,依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A(好)、B(一般)、C(差)3个级别的围岩分类新方法。     

关于TBM施工隧洞围岩分类方法的研究

本文针对TBM施工隧洞中的围岩分类问题，通过分析研究国内外大量TBM施工实例和一些现场及室内岩石力学试验结果，指出TBM施工条件下的隧洞围岩分类应针对围岩的可钻掘性，充分考虑影响TBM掘进效率的主要工程地质因素，提出了在《工程岩体分级标准》围岩稳定性基本分级的基础上，依据岩石的单轴抗压强度、岩石的耐磨性和岩体的完整性将TBM施工条件下的隧洞围岩分为A（好）、B（一般）、C（差）3个级别的围岩分类新方法，并将该方法应用于掌鸠河引水供水工程TBM施工段工程实践，取得了良好的效果。     

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。      

隧道岩质围岩亚级分级可靠度分析方法及其工程应用

在隧道工程岩体分级中,由于岩土体参数本身的不确定性,加之各定性、定量评定指标在获取过程中由仪器误差、人为操作等产生的离散性及随机性,往往是应用同一评价体系及分级标准,却得出不同的评判等级,尤其是在围岩亚级分级中,评定结果鲁棒性差,甚至出现跳级,这就决定了围岩类别的可靠性的存在。据此,基于《工程岩体分级标准》,通过分析岩石强度及岩体完整程度等评价指标的概率分布规律,引入体系可靠度分析理论,构建不同围岩等级的功能函数,经Monte Carlo法计算围岩隶属于各评定等级的可靠概率,进而提出了基于国标BQ法的围岩亚级分级可靠度分析方法。该方法充分利用了分类系统本身蕴含的信息,考虑了评价指标的不确定性及离散性,所计算可靠性指标可更为直观地对围岩等级作出稳健评估,且可靠概率在一定程度上综合考虑了包括局部破碎带、软弱夹层等掌子面围岩信息的离散程度。研究成果应用于济南绕城高速老虎山超大断面隧道的围岩亚级分级中,所评价结果与实际围岩等级完全吻合,且各等级可靠指标的延续性可对隧道施工过程中地质属性的变化情况进行定量表征,有助于工程地质人员据此对围岩质量的渐变过程进行动态评估,为合理确定工法转换区间,优化支护参数提供数据支撑。研究成果对类似超大断面隧道的围岩亚级分级有一定参考价值。     

掘进巷道过断层漏顶区域的施工工艺研究

清水营煤矿岩体节理与裂隙发育,富水性较好,属于典型的＂三软＂煤层。工作面推进过程中顶板易碎、易冒;煤层开采中,软岩巷道稳定性控制与支护问题,严重制约了该矿井的安全生产。该矿在掘进巷道过断层时,发生突发性漏顶事故,致使巷道停掘。在分析了研究区岩性、构造、地球物理特征以及煤岩的物理力学参数的基础上,针对现场地质条件变化先后采取了两套施工方案对漏顶区进行加固。最终依靠方案二获得了成功,即采用对掘进迎头冒顶区采用水泥、水玻璃浆液加固冒顶区,并对冒空区采用马丽散泡沫充填。施工完成后从迎头退后36m起底,由冒顶区下部通过。现场实践证明,方案二具备安全性与经济性,可为＂三软＂条件下的巷道开采系统设计、岩层控制、安全回采提供地质保障与技术支持。     

基于可拓理论的围岩稳定分类方法的研究

在双护盾TBM（tunnel boring machine）的隧洞施工中,将可拓理论与洞室围岩稳定评价相结合。基于碴料和掘进参数的地质编录所提供的地质信息,选取了能够反映围岩稳定综合特性的评价指标,确定围岩稳定类型和预测前方岩体情 况。在物元理论、可拓集合论和关联函数运算的基础上,建立了隧洞围岩稳定分类的可拓评价方法,其中引进了隶属度的概念和一种定量的指标权重的确定方法,并在山西引黄工程的双护盾TBM隧洞施工中用此分类方法对某两段围岩进行了稳定分 类,得到的稳定分类结果与实际情况吻合。     

关于用岩体分类预测TBM掘进速率AR的讨论

以Maen、Pieve、Cogolo和Varzo 4条隧道为例,本文分析说明了岩体质量分类系统不能预测TBM净掘进速率PR的原因:由于影响岩体可掘进性的因素与影响岩体质量的因素不一样,且岩体质量分类系统多采用半定性半定量的评分形式描述岩体条件,故岩体的质量分数值与TBM的净掘进速率PR很难有一一对应的关系。因此,岩体质量分类系统和基于此的预测模型不能够用来预测TBM的净掘进速率PR。根据TBM施工隧道岩体分类的目的及TBM施工的特点,提出预测TBM净掘进速率PR的岩体分类系统应与评价岩体稳定的岩体分类系统分开进行。用岩体可掘进性分类系统预测净掘进速率PR,用岩体质量分类系统预测TBM利用率U,从而计算出TBM的掘进速率AR。     

随掘地震实时超前探测系统的试验研究

煤矿智能化建设要求采用智能化地质探测技术在巷道掘进过程中实时完成掘进前方区域的探测和预报。基于在线式矿井地震监测分站构建的随掘地震实时探测系统能够在巷道掘进的同时,采集以掘进机震动为震源的随掘地震数据,通过光纤网络实时传输至地面服务器的数据库内。随掘地震数据处理软件从数据库中获取当前随掘数据,经过筛选、提取虚拟炮集和偏移成像等步骤对掘进前方和侧前方一定区域进行反射槽波成像。为验证系统性能和探测结果的有效性,在正开展掘进作业的山西榆树坡煤矿5106回风巷内安装随掘地震实时探测系统,对该巷道开展为期数个月的随掘跟踪探测试验,探测系统实时采集随掘地震数据并成像,随着掘进长度的增加,每日的探测结果不断显示5106工作面内存在一条隐伏断层,后期的反射槽波探测和钻探工作验证了该断层的存在。试验结果表明,随掘地震实时探测系统能够在掘进过程中不断利用掘进机激发的地震信号对巷道前方和侧前方区域成像,从而在不影响掘进施工的条件下,实现了巷道侧前方地质异常体的连续跟踪探测和实时监测,达到了智能掘进系统对地质探测能力的要求。      

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。（...     

煤矿深井巷道掘进全过程围岩变形破坏原位测试

传统研究对于煤系地层巷道围岩的变形破坏监测均在掘进面后方进行,无法获得巷道掘进全过程的围岩变形,更缺乏对煤矿深井巷道掘进全过程中围岩变形破坏规律的认识。为此,针对济宁三号煤矿深井巷道,通过超前布置监测断面,首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的围岩变形破坏规律;利用考虑体积应力的改进横观各向同性应变软化模型对巷道开挖全过程的围岩变形破坏特征进行分析。研究结果表明：在济宁三号煤矿七采区巷道地质条件下,浅部围岩的累计变形量和变形速率均大于深部围岩;巷道掘进全过程中,围岩变形随掘进面的推进经历了缓慢增长、迅速增长和变形稳定3个阶段;变形稳定后围岩松动圈深度约为1.0 m;巷道两帮围岩位移与破坏深度均在控制范围内,顶底板围岩破坏相对严重,并给出了相应解决方案。研究成果可为揭示煤矿深井巷道掘进围岩的变形破坏规律以及合理确定支护方案和参数提供重要的科学依据。     

MSP技术在任楼煤矿巷道超前探测中的应用

煤矿巷道中的断层、陷落柱和煤岩体结构破碎带等不良地质条件不但影响掘进施工,同时也存在突水、瓦斯突出等安全隐患。断层、陷落柱等地质异常构造与围岩在密度、速度等物性方面存在较大差异,因此可利用多波多分量地震反射法探测煤矿井下异常构造。近两年来,任楼煤矿针对矿井巷道前方的未知隐伏构造做了多次MSP震波超前探测。以Ⅱ7322机巷为例,在巷道j19点前76m处,分别于巷道的左帮及右帮对迎头前方进行了两次超前探查,2次探测解释的2个异常界面位置分别为82m、101m和85m、102m,实际揭露2个断层位置为82m、109m,探测结果与实际基本相符,实现了对掘进巷道内地质构造带的准确超前预测预报。     

隧洞变形引起的TBM施工事故综合风险分析

国内采用岩石隧道掘进机（简称TBM）施工的隧洞呈现深埋、超长趋势,变形引起的TBM卡机事故屡见不鲜,为了减少这些事故,可以预先对变形引起的TBM风险事故进行综合评价,因此,在单元风险研究的基础上对综合风险计算及评价准则进行研究。采用概率理论推导了变形引起的TBM风险事故的综合风险概率的计算模型,根据推导的模型可以近似计算出5类后果等级事故发生的概率;采用TBM的卡机时间与纯掘进时间的比值作为分级指标,结合以往TBM施工的统计数据划分工期损失后果等级,再结合风险的概率分级,建立变形综合风险评价准则;采用研究的理论,对工程选取段TBM施工卡机风险进行了两种工况下的计算分析。计算结果表明,施工时若不采取任何措施TBM施工风险比较大,但采用合理的措施之后风险可控制在可接受的范围内。     

隧道岩体质量智能动态分级KNN方法

施工期隧道岩体质量动态分级,是评价隧道工作面围岩质量最直接的方法,也是预防隧道施工地质灾害,决定施工开挖工法与支护措施的重要依据。由于传统的Q值法和国标BQ岩体质量分级评价方法需要进行现场和室内试验及分析,岩体质量评价时间滞后,常常降低施工效率,或错过预防突发性施工地质灾害的窗口时间,快速准确地对隧道工作面进行岩体质量分级,成为施工期公路隧道岩体质量动态分级需要解决的重要问题。人工智能算法为解决隧道岩体质量实时快速准确评价提供了方法和手段。以北京冬奥会延庆—崇礼高速公路为例,提出了工作面采用隧道掌子面图片人工智能岩体结构参数辨识,建立7个指标参数体系,采用KNN智能算法对隧道岩体质量进行评价,选取8条隧道40个工作面150个样本进行训练学习,另外选取50个样本进行岩体质量评价校验,与BQ岩体质量评价结果相比,准确率达到了90%,得出如下结论:(1)公路隧道岩体质量智能动态分级KNN方法—一种利用人工智能技术快速高效进行岩体质量动态分级的方法,能够在现场实时获得岩体质量评价结果;(2)KNN分级方法中选用了7个判定指标,综合考虑了隧道围岩体的赋存环境、岩体构造、地质结构等特性,并体现了这些指标在实际工程评判中的可操作性和适用性;(3)KNN分级方法误判率很低,在判别分类中排除了评分时人为因素的干扰,具有较强的判别能力,为TBM围岩实时分级做方法储备。     

某抽水蓄能电站地下洞室围岩岩体质量特征分析

采用BQ和Q两种岩体质量分级系统对某抽水蓄能电站地下厂房围岩岩体质量进行分级,并指明了岩体质量较差部位,结果表明,该地下洞室围岩岩体质量等级以Ⅱ级、Ⅲ级为主。根据勘探平洞洞壁波速测试结果发现:Ⅱ级、Ⅲ级围岩岩体波速为4200~5300 ms-1,相应平洞岩体自稳性好,Ⅳ级、Ⅴ级围岩波速一般小于4000 ms-1,特别是Ⅴ级围岩波速一般小于2200ms-1。根据对不同分级法得到的岩体质量指标相关性分析结果表明,两种分级法得到的岩体质量指标之间呈指数关系,波速-呈线性关系。对同一工程,岩体质量评价的两种分级方法所得的分级结果不同,但是它们的分级基础是相似的,即都以地质因素为主导,因此各种分级方法之间是可以换算和对比的。     

TBM施工隧洞围岩级别划分探讨

已有不少专家在TBM施工围岩级别划分方面进行过有益探索,为后来的工作提供了很好思路。目前的问题是,所提出的分级指标难以获取、离散性较大、有一些与施工直接相关的指标的定量化问题未能解决,尚未形成明显共识的分级系统或方法。为此,有必要针对水工隧洞TBM施工围岩类别划分进行详细探讨。本文提出以现行《水利水电工程地质勘察规范》中水工隧洞围岩分级方法为基础,参考秦岭隧道TBM施工围岩分级方法,根据TBM施工的工作效率、碴料特征和涌水状况进行分级修正,建立适合于TBM施工的水工隧洞围岩分级修正模型,实现TBM施工水工隧洞的围岩分级,并以2个实例进行验证。     

叙大铁路核桃湾隧道围岩分级体系研究

核桃湾隧道是新建地方铁路叙永至大村线的控制性工程之一,其围岩等级的划分是整条隧道施工的关键工程技术问题和前提.本文在大量现场调查测量、室内试验数据分析以及前人的研究基础上,以岩石坚硬程度、岩体完整性、岩体的弹性纵波速以及地下水状态4个指标建立了隧道围岩分级体系.并将该隧道围岩分级体系应用于叙大铁路核桃湾隧道围岩分级中,...     

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。     

开敞式TBM过类泥石流不良地质洞段施工处理技术研究

正隧道掘进机(TBM)由于其高效、安全的优越性能,近年来在隧道工程中得到广泛应用。但其对断层破碎带等不良地质条件的适应性较差,这些不良地质条件对TBM掘进会产生较大影响,导致TBM掘进作业时间利用率降低,甚至有可能出现TBM损坏和难以顺利通过的情况[1]。目前,