激光辅助TBM盘形滚刀压头侵岩缩尺试验研究

为了验证高能激光技术能够辅助隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)盘形滚刀（以下简称滚刀）实现高效破岩,以滚刀破岩过程中基本的运动形式——侵岩为研究对象,参照17 inch（432 mm）工程用滚刀,按1:8的比例制备了缩尺比例滚刀压头（以下引述为滚刀压头）,开展了以孔孔距（2、3、4、5 mm）、刀孔距（3、4、5、6、7 mm）为变量的激光辅助滚刀压头侵岩L20(4×5)正交试验以及无激光作用的对照组试验。试验研究结果表明：随着刀孔距的增加,滚刀压头的破岩量与岩石破碎块度均增加,而垂直力和比能耗均降低,最优刀孔距为6 mm;随着孔孔距的增加,破岩量、垂直力和岩石侵入难度系数均降低,而岩石破碎块度和比能耗均增加,最优孔孔距为3 mm。与传统滚刀回转滚压破岩方式相比,在激光辅助作用下,可促进岩石张拉裂纹的产生,提高了滚刀侵岩效率。所提出的激光辅助滚刀耦合破岩模式在未来TBM极硬岩层隧道掘进中具有一定的应用前景。     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

煤矿井下随掘地震震源特征及探测性能研究

煤矿智能化背景下,随掘地震已经成为掘进工作面安全掘进的地质保障关键技术之一,可实时、超前、精细探明掘进前方的隐蔽地质构造,如采空区、断层、陷落柱等,有效促进掘进生产安全高效。不同于广泛采用的反射槽波超前探测技术,随掘地震采用了掘进机掘进时震动信号作为激发源,替代了常规地震勘探中的炸药震源,具有震源绿色、安全、成本低、可重复、探掘同步等优点。由于掘进机震源在激发方式、能量、频率、带宽等方面与炸药震源差别较大,因此其探测性能受到很多关注。从随掘地震的震源机制、波场特征、传播距离、成像准确率等方面进行研究,详细分析其探测性能,认为随掘地震波场中槽波和横波发育,可利用槽波或横波进行超前探测;Y分量具有更好的信噪比优势,但在实际应用时考虑到反射面的走向,相同设备量情况下,Z分量更有优势;随掘地震的直达横波传播距离可达700 m以上,横波超前探测距离可达到300 m以上;随掘地震的直达槽波传播距离可达400 m 以上,槽波超前探测距离可达到170 m以上;常规掘进速度下,反射波叠加次数可达到16次,相比常规的一次探测,信噪比可提升4倍,有效提高了探测精度和准确度。后续将通过大量的随掘应用数据进一步修正随掘地震技术的性能参数。      

TBM施工隧道岩石耐磨性与力学强度相关性研究

结合TBM施工隧道岩石耐磨性试验和岩石力学强度试验,获得岩石的耐磨值与各力学强度值;采用回归分析方法建立了岩石耐磨性与岩石各力学强度指标之间的相关关系数学模型。研究结果表明,岩石耐磨值与抗压强度、抗拉强度、粘聚力、点荷载强度呈指数函数关系,与内摩擦角呈对数函数关系,两者之间呈正相关关系。     

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。     

隧道岩石耐磨性与岩石物力学指标相关性研究

TBM刀具磨损程度直接关系到TBM应用的经济效益和掘进的效率,而岩石的耐磨性是影响刀具磨损程度的主要因素.岩石耐磨性与岩石的物理力学指标以及岩石本身性质有着密切的联系.本文通过试验和数理统计方法对岩石耐磨性与岩石物理力学性指标的相关性进行研究,在隧道洞室内采集岩石耐磨试验样品和岩石常规物理力学试验样品,分别进行了岩石耐磨试验和岩石力学室内试验,在计算分析试验数据的基础上,建立了岩石耐磨性与岩石物理力学性指标之间的数学关系模型,总结并解释了两者之间的相关关系.     

Advance numerical simulation of tunneling by using a double shield TBM

Double shield TBMs are amongst the most technically sophisticated excavation machines in use by tunneling industry. However, using the shielded machine limits access to the walls for observation of ground conditions and presence of shield makes the machine susceptible to entrapment or seizure in weak rocks under high stresses which results in high convergence. To realistically evaluate the possibility of machine seizure in such grounds, the interaction between the rock mass and shields, lining and backfilling need to be understood. This study explains the application of numerical analysis for 3D simulation of mechanized tunneling by using a double shield TBM. For this purpose, a comprehensive numerical simulation is developed to systematically evaluate the potential of excessive ground convergence. Simulation results at five reference points on the tunnel circumference along the tunnel have been examined. The results are including longitudinal displacement profile (LDP) as well as contact force profiles (LFP) on both front and rear shields, frictional forces and required thrust to move the machine, stress history of ground, and estimated loading of the segments. The results also proved that numerical analyses can successfully be used for prediction of loads on the shield during excavation to assess risks of machine entrapment.     

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。（...     

复合地层隧道围岩强度实时估算研究

隧道TBM开挖过程中经常会遇到复合岩层,在这种地质环境下,隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）开挖过程中的隧道围岩强度很难估计,隧道开挖掌子面和围岩容易发生坍塌。为了提高隧道掘进效率、预防事故发生,对开挖隧道围岩强度进行实时估算方面的研究很有必要。在重庆轨道九号线隧道TBM施工中,通过室内试验和现场实测数据发现,TBM推力F_N与岩石强度成正比、TBM扭矩推力比T/F_N（T为扭矩）与贯入度p^0.5成正比例关系。针对砂质泥岩、砂岩和灰岩组成的复合岩层,提出了一种利用现场实测推力F_N和扭矩T的值来快速估算开挖隧道围岩强度的方法,进一步对TBM实测数据进行线性拟合,从而得到估算公式中两个常数α₁、α₂的取值方法,并在10多个隧道实际工程中得到验证。结果表明,对于这种复合岩层地质环境,两个常数α₁、α₂的值与滚刀数量n和滚刀直径d相关。该研究成果为实时快速估算开挖隧道围岩强度提供了一种新的切实可行的思路,能提高隧道TBM施工的可靠性和安全性,具有重要的应用价值。     

基于TBM工法施工用堵漏浆液研制

开敞式TBM工法施工时,钻遇突涌水灾害后易造成严重的工程事故,堵漏浆液注浆止水处理措施是常用的技术手段。本文在分析了工程中常用浆液存在不足的基础上,结合室内试验,研制适用于开敞式TBM工法的堵漏浆液配方,并通过正交试验确定了优化配方为水灰比为0.59、酒石酸为0.25%、水解聚丙烯酰胺溶液为3%、铝酸钠为1.6%。在可控性（可泵期等）满足要求的基础上,对优化配方进行了包括析水性、抗压强度等各项性能的测试及室内模拟试验,经正交试验后测得配方浆液形成的结石体具有良好的抗压强度和抗渗能力,能够满足工程现场的需要。实际工程的涌水点注入研制的可控浆液后,短时间内达到停泵条件,相比传统浆液,可大幅减少堵漏浆液用量。结果表明,该可控配方浆液对吉林省内某隧道工程施工中钻遇的涌水灾害具有良好的治理效果,能够满足实际工程的需要。