万家寨引黄工程泥灰岩段隧洞岩石掘进机(TBM)卡机事故工程地质分析和事故处理

隧道全断面岩石掘进机 (TBM )的施工对地质条件适应性是一个不断认识和深化的过程 ,其中很多认识是来自已发生的各种各样事故和对事故原因的理性认识。本文是在对某隧洞TBM卡机地段的岩性 (包括工程性质 )、构造、地应力及其在TBM施工条件下的变化等方面进行工程地质力学研究的基础上 ,指出层间剪切带的存在及由此而产生的较大变形速率是导致事故发生的工程地质原因 ,并提出了相应的处理意见和建议。TBM卡机问题的顺利解决和它重新开始快速掘进证明了作者分析和工程处理措施的合理性。本文的分析有助于加深TBM施工对复杂地质条件适应性的认识 ,并可望为避免类似事故的再次发生提供参考和借鉴。     

上海地铁隧道建设中工程地质条件及主要地质问题研究

随着上海地铁隧道建设大规模的展开,建设中面临的工程地质问题日趋凸现。本文结合上海市特有的地质条件,分析了与地铁隧道建设相关的工程地质条件,包括工程地质结构特征及浅部含水层地下水位特征。在此基础上,对地铁车站基坑开挖以及区间隧道施工可能面临的工程地质问题进行了分析研究,绘制了市中心地区工程地质问题严重性程度分区图,可为工程设计、施工提供从参考依据。     

福州轨道交通建设中的岩土工程问题

由于福州盆地工程地质条件的复杂性以及隧道工程的特殊性,在福州轨道交通建设过程中将遇到大量环境岩土工程问题。主要的环境岩土工程问题有:(1)隧道掘进范围内的承压含水层。承压含水层富水性、透水性强,由于开挖深度大,必须考虑下部承压水的影响,避免产生基坑突涌问题。砂砾卵石层直接覆盖于基岩裂隙热水上,受热水构造带高温热水的直接补给以及热传导,地下轨道交通建设对地热场是否存在影响以及地热对轨道交通的影响需要深入研究。(2)软土的大变形与低强度。导致地基失稳与土体结构强度破坏。(3)深大基坑开挖施工引发的可能灾变。基坑开挖易产生滑塌、流泥、突水(涌)、地表沉陷等问题,必须采取有效的支护措施,避免基坑失稳而影响工程安全及周边环境。对这些环境岩土工程问题,应加强勘察新技术的应用,查明建设场地岩土工程地质条件; 采用人工地层冻结法、桩基托换技术进行施工; 开发和利用适合本地区岩土条件的新技术、新工艺,如新型桩、新的止水、降水措施等基坑支护新技术,以及采用信息化施工新技术。     

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。     

中国21世纪若干重大工程地质与环境问题

21世纪中国的大规模的国家建设不可避免地导致大量的工程地质与环境问题。 2 1世纪中国西部高山峡谷地区主要工程地质问题有: 构造活动带岩土体动力稳定性, 高地应力下岩体应变储能与岩体性质, 高陡边坡的变形及尺寸效应和动力稳定性, 深埋长大隧洞的地温与地压, 深埋隧洞岩体结构探测与施工地质超前预报, 大跨度复杂洞群变形与稳定性的群洞效应, 冻土的冻融变形、稳定性及其处理技术, 可溶岩岩溶规律与岩体利用问题, 河床深厚覆盖层的处理与利用等问题; 中国东部及沿海地区工程地质问题包括: 高速交通网建设中软土地基变形与稳定性及处理技术, 深井采矿中软岩巷道大变形与处理技术, 深厚松散堆积层上大型桥梁桥基变形与稳定性, 海底隧道围岩工程地质与水文地质问题, 城市多层地下空间开发中的工程地质问题等; 此外, 水土流失与北方大规模荒漠化问题, 黄河下游地上悬河与长江下游塌岸和堤防稳定性问题, 黄河断流引起的下游地区环境问题, 我国北方干旱地区水资源长期匮乏问题, 城市化中的环境破坏与污染控制等问题, 将是中国 2 1世纪突出的环境问题。中国工程地质工作者应当在结构土力学与岩体结构力学、工程地质学的基本理论与工程地质动力学、人 地相互作用机制与环境工程地质学、地质工程理论与方法。     

TBM滚刀刀圈与岩石的滑动磨损实验研究

硬岩隧道掘进机(TBM)的滚刀刀圈在破岩过程中面临剧烈的磨损,对TBM的掘进效率及施工成本影响巨大。为了深入研究全断面隧道掘进机滚刀刀圈的磨损机理,本文在M-200型磨损试验机上模拟了TBM滚刀刀圈与岩石的磨损行为。基于实验数据,验证了磨粒磨损引起的磨损量与摩擦距离的线性关系,分析了岩石硬度、摩擦系数和润滑对磨粒磨损速率的影响。实验结果表明,在大载荷下,磨损形式将由单纯的磨粒磨损转化为磨粒磨损与疲劳磨损共同存在的形式,并且计算了疲劳磨损量,进而对比了磨粒磨损量与疲劳磨损量的大小。结论:硬度、摩擦系数越大,滚刀刀圈磨损越严重;润滑对降低磨损有重要作用;在大载荷作用下,磨损状态将由磨粒磨损转化为磨粒磨损和疲劳磨损共存的状态。上述研究结果可以为TBM滚刀刀圈设计及施工提供一定的参考。     

基于卷积神经网络对TBM塌方段的反演分析

本文在已有研究工作的基础上，利用岩石扭剪掘进指标（TPI）和现场贯入指标（FPI），采用卷积神经网络和时间序列预测法，研究TBM掘进塌方段分析和预测的可能性。作者在输入功率与破岩效率相当的原理支持下，提出了将某一循环段的掘进效率指标FPI和扭剪掘进指标TPI作为训练和预测单元的技术路线。吉林引松工程TBM大数据库中记录了199列施工期间的各项参数和17处塌方事件，数据总量大、质量高，具有很高的科研价值。以上述指标作为机器学习的训练对象，对正常掘进段和石灰岩区域大规模塌方段66+000-66+350（桩号）进行了分析和预测。结果表明：塌方段实测FPI、TPI数值显著偏小，三项预测误差指标给出了“阳性”这一评价结论。相关研究成果为TBM领域的大数据机器学习提供了新的方法，为实现超前地质预警创造了有利条件。     

典型类比分析法的原理与实践

本文以我国隧道工程应用新奥法的典型工程经验和原位测试资料为基础,综合应用系统科学、工程地质力学和岩石力学方法,阐述在隧道工程锚喷支护设计与施工中,普及应用围岩稳定分析预测技术的原理和方法—典型类比分析法的提出、原理框架与工程验证。     

隧道爆破设计智能系统的组成与结构研究

针对目前隧道掘进爆破设计多以人工设计并辅以CAD绘图而存在设计质量差、速度慢的不足,进行了爆破设计智能系统的组成和结构研究。按照爆破设计与施工所涉及的参数特点,应用软件工程、人工智能等方法,确定以知识库、数据库、推理机、人机交互系统和解释机构为隧道爆破设计智能系统的组成部分。创建了系统管理、参数智能计算、爆破数据、布孔设计、施工设计和施工信息管理等系统功能模块,并给出了爆破设计数据流程图。实现了掘进掌子面上炮孔的自适应布置。由此研制的智能系统能够完成传统、人工智能和完全智能3种方法的隧道爆破设计。隧道爆破实例的设计结果表明,采用本设计系统能够自动、准确、快速、高质量地获得炮孔布置、布孔说明、爆破命令等设计图表。     

浅埋双连拱隧道围岩——边坡体系变形机理及稳定性分析

双连拱隧道是一种新的隧道形式, 由于其整体跨度大、结构复杂、施工工序繁琐, 在地形偏压、地质条件复杂的情况下修建双连拱隧道难度较高, 尤其在洞口段容易出现衬砌开裂、边坡变形等一系列工程问题。结合安徽铜黄高速公路汤屯段富溪隧道进口段工程, 采用地质条件研究与数值模拟分析相结合的研究手段, 对复杂地质条件下偏压双连拱隧道围岩① 边坡体系在施工过程中应力应变发展过程进行了研究。综合分析表明, 富溪隧道进口段处于F5断层影响带内, 岩体呈碎裂结构,同时, 受到地形偏压影响, 隧道开挖后衬砌和围岩表现为沉降变形和侧向变形, 进口边坡在隧道围岩变形的诱导下, 表现为“蠕滑- 拉裂”变形破裂。根据以上研究成果, 提出了富溪隧道变形治理应以控制进口段隧道拱顶的变形为主。     

张集线旧堡隧道工程地质条件和岩体结构特征研究

新建的张集铁路（张家口 集宁段）旧堡隧道是全线关键性控制工程,位于河北省万全县旧堡乡与尚义县土夭村之间,隧道穿越由晚太古代马市口组(Arm)麻粒岩和黑云母斜长片麻岩组成的一套高级变质岩建造,断裂构造极为发育,岩体破碎。原设计Ⅱ、Ⅲ级围岩洞段占隧道线路总长的71.8%,而已施工揭露的工程地质条件较差,全部变更为Ⅲ级加强及Ⅳ、Ⅴ级围岩,变更率高达80.3%。施工过程中多次发生挤压大变形、塌方、突涌水等施工地质灾害,共处理大塌方段8处小塌方21处计130m,处理大变形18段计550m。本文分析了DK30+520～910洞段地层岩性、地质构造、地应力、地下水等隧道围岩主要工程地质条件,从结构面和工程地质岩组的物理力学特性出发,研究了该洞段特殊的岩体结构,指出该隧道围岩岩体结构特征主要受与隧道轴线小角度相交的构造挤压破碎带及软硬交替产出的岩组控制,隧道围岩变形破坏受岩体结构控制作用明显,并总结了施工中可能遇到的几种岩体结构。该研究对类似工程地质条件地区隧道工程围岩分类、支护设计和施工有一定的借鉴意义。     

浅埋偏压隧道出口变形机理及稳定性分析

以皖南某公路浅埋偏压隧道出口段高边坡为研究对象,提出了"零开挖进洞"的施工方案,并结合洞口的工程地质条件,采取必要的加固措施。通过对该边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征进行细致研究,在此基础上通过FLAC^3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡的变形首先以隧道内侧存在的软弱岩体(挤压错动带、断层)的不均匀压缩为先导,进而引起上部岩体产生由NE向陡缓结构面构成的阶梯状滑动,这将会使隧道构筑物及隧道外壁承受较大的压应力,当压应力超过隧道构筑物及外壁的极限强度时将产生破坏,从而诱发上部岩体产生更大规模的地质灾害。基于此,隧道进洞开挖前首先应对上部岩体进行加固处理,避免隧道构筑物及隧道外壁产生应力集中现象。     

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。     

基于强度与稳定性的端头加固理论模型及敏感性分析

为确保盾构始发与到达的顺利进行,避免施工过程中发生端头土体失稳,引发地表沉陷、塌方等工程事故,基于土体强度与稳定性的基本理论,作者就如何确定端头土体纵向加固范围和建立砂土复合地层端头滑动模型进行了研究。在具体分析了现有端头加固理论模型的优缺点后,提出一种基于强度理论的荷载等效模型和基于稳定性理论的砂性土端头滑动模型。该端头加固理论模型,与已有的计算模型相比,更真实地反映了端头土体的受力状况,因而与工程实际情况更为接近,且具有地层适应性。同时,为了检验新强度理论模型的合理性,分别对新旧模型进行实例比算,并对2种模型的主要影响因素进行了敏感性分析。研究结果表明:当盾构隧道直径较小时,已有模型和新提出模型的计算结果误差较小,计算结果较为接近; 随着盾构隧道直径的不断增大,已有模型的荷载简化会引起较大的计算结果误差,如将其结果应用于工程,可能会引发较严重的工程事故; 对于大直径盾构,特别是盾构隧道直径大于10m时,建议采用本文提出的改进理论模型进行端头加固设计和验算,由此得出的加固范围更加符合工程实际情况,对工程有很强的指导意义。同时基于强度理论提出的荷载等效模型为非对称荷载问题的研究提出了一种新的研究方法和求解思路,对今后类似问题的求解具有较好的借鉴意义。     

软岩巷道开巷初期围岩变形灰色模型预测的研究

应用灰色系统理论对软岩巷道开巷初期围岩变形进行了预测，通过实例说明用GM（1，1）模型和双向差分模型预测巷道的围岩变形都是简单可行的。对GM（1，1）模型进行了改进，建立了具有较小原点误差的改进的GM（1，1）的模型，并且给出了双向差分模型，GM（1，1）模型与其改进模型对软巷道围岩变形预测结果的比较，为灰色系统理论用于软岩巷道开巷初始围岩及支扩变形预测的实践进行了新的探讨，它将在软岩工程未来行为的预测方面起着重要的参考作用。     

西气东输管道工程中卫黄河穿越隧道场地工程地质条件评价

西气东输工程中卫黄河穿越隧道长1197.77m,高4.3m,宽5.6m。隧道入口高于黄河水位28m,出口高于黄河水位45m。隧道顶板高程为1130m。位于黄河水下100m。隧道场地围岩为寒武系磨盘井组灰绿色、银灰色浅变质中厚层细粒长石石英砂岩、千枚状板岩、绢云母化千枚岩。围岩为弱风化Ⅲ～Ⅳ类岩石。透水率为4～67Lu,纵波波速为500～3300m.s^-1。BQ为300～400。变形模量为6.11～9.22GPa。泊松比（μ）0.14～0.24。内摩擦角（ψ）为42.1°～44.7°。地下水为基岩裂隙水。含水层为寒武系浅变质岩,受大气降水渗入补给,单井涌水量为1.0～50m³.d^-1。隧道轴线穿越区岩体较完整—较破碎,未有全新活动断层。隧道位置选择和开挖深度设计是可行的。施工和长期运营是安全的。     

流变岩体中让压支护作用下隧道力学行为研究

高地应力深埋软岩隧道大变形问题已成为隧道工程建设领域的突出难题. 根据高地应力深埋软岩隧道的变形特征, 基于"围岩能量吸收、变形释放"的让压支护是解决软岩隧道大变形问题的有效方法. 针对流变岩体中深埋圆形隧道在让压支护作用下的力学响应问题, 通过引入分数阶微积分理论, 采用Abel黏壶元件建立了改进的分数阶Burgers蠕变模型来表征围岩的时效变形. 此外, 通过在让压支护不同变形阶段引入刚度修正系数, 克服了传统支护未能考虑围岩变形释放的问题. 据此, 本文推导了在考虑支护延迟安装影响下, 不同变形阶段围岩与让压支护相互作用的解析解. 为了验证理论研究的正确性, 对一算例进行了不同解答及工程结果的比对, 吻合较好. 最后, 参数研究结果表明: 围岩与让压支护间的相互作用受蠕变本构模型分数阶阶数影响较大. 隧道的位移或支护压力与让压位移、支护刚度修正系数间存在线性比例关系, 但由于刚度修正系数仅保持在较小的变化范围内, 隧道的位移或支护压力变化并不显著.