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一研究方向

鑒于上述TBM施工過程中亟待解決的問題，開展復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工關(guān)鍵技術(shù)研究方向和方法具有非常重要的意義。借鑒國內(nèi)外TBM施工的經(jīng)驗與教訓(xùn)，可以從以下方面進行有針對性的研究:

1TBM選型綜合評價體系技術(shù)的研究

根據(jù)施工段地質(zhì)特征對TBM恰當(dāng)選型決定了工程能否順利進行。國內(nèi)自引進TBM施工技術(shù)以來，有成功的經(jīng)驗，也有過很多的失敗的教訓(xùn)。國內(nèi)TBM選型的技術(shù)研究早已開展，如茅承覺對全斷面巖石掘進機選型進行了全面探討、殷耀章及高勇對深埋長大隧洞TBM施工設(shè)備選型進行了深入探討等，但如果能夠建立以隧道設(shè)計參數(shù)、工程特性指標(biāo)、地質(zhì)條件適應(yīng)性、影響掘進的地質(zhì)因素、施工環(huán)境影響因素、掘進性能指標(biāo)、工期及節(jié)點工期要求等各方面為評價指標(biāo)的TBM設(shè)備選型綜合評價體系，從多角度綜合比選，科學(xué)的進行TBM選型，將對設(shè)備選型、施工產(chǎn)生非常積極的影響。

2復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下tbm施工環(huán)境變化特征及演化規(guī)律研究

對于復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的TBM施工，國內(nèi)外有過非常多的研究，如尹俊濤等從巖土力學(xué)和工程地質(zhì)角度對TBM施工過程中遇到的諸多地質(zhì)問題導(dǎo)致的卡機或管片變形等工程事故進行了剖析并對采取的工程措施進行了總結(jié)、尚彥君等對國內(nèi)外典型的三個TBM施工遇險實例進行了透徹分析與反思，但目前多數(shù)研究成果是針對已完工程的總結(jié)，如能夠通過科學(xué)分析，對施工環(huán)境變化特征及演化規(guī)律做出深入研究，將對TBM施工起到很大的積極作用。如通過巖芯取樣、超前鉆探等手段，并對巖石成分進行分析，輔以超前地質(zhì)預(yù)報等手段從微觀和宏觀兩方面，針對地質(zhì)工程特征，研究不同的圍巖結(jié)構(gòu)、物理特性和力學(xué)特性;針對地下水影響，研究地質(zhì)體的可溶性、滲透性及突涌水特征;針對地溫影響，研究超深特長隧道中高地溫特性等，將會為后續(xù)TBM掘進研究提供工程地質(zhì)賦存條件。

3盤形滾刀破巖機理及防控措施研究

TBM盤型滾刀破巖機理是刀具研究的熱點和難點，對滾刀破巖過程中滾刀與巖石的作用機理、滾刀在刀盤上的定位與滾刀磨損的相關(guān)性等國內(nèi)已經(jīng)有過較多的探討與研究，如張照煌等在深入研究了巖石在盤型滾刀作用下的形變和剝落特點的基礎(chǔ)上建立了巖石在盤型滾刀作用下的力學(xué)模型、宋克志等指出了影響盤形滾刀與巖石相互作用的因素主要是機械因素和地質(zhì)因素、滿林濤等利用ABAQUS軟件建立了滾刀破巖的有限元模型分析滾刀破巖機理。但采用試驗的方式就滾刀機械機構(gòu)和材料對滾刀磨損性的關(guān)聯(lián)、為刀具磨損預(yù)測公式和磨損模型的建立奠定理論基礎(chǔ)等的研究工作國內(nèi)尚未開展。如能夠利用較先進的試驗儀器，采用CAI巖石磨蝕伺服實驗儀等試驗儀器并研制巖粉磨蝕實驗裝置，開展刀具磨蝕性實驗和滾刀巖粉磨蝕實驗，建立TBM刀具磨損預(yù)測模型，將為國產(chǎn)TBM發(fā)展刀盤及刀具設(shè)計打下基礎(chǔ)。根據(jù)工程施工過程中盤形滾刀的實際數(shù)據(jù)對比所建立的模型，以此評判模型的正確性，并可以計算出恰當(dāng)?shù)膿Q刀時機，對TBM施工也將帶來積極的影響。

4刀具運行監(jiān)測系統(tǒng)研究

針對刀具檢查占用時間較長的問題，采取視頻、光電、溫感等有效手段，實現(xiàn)對滾刀運行過程的實時監(jiān)控，及時了解滾刀運行狀況及磨損情況，減少刀具檢查時間，及時發(fā)現(xiàn)刀具運行的異常情況，避免刀具弦磨現(xiàn)象出現(xiàn)，可以大大提高設(shè)備掘進效率，加快施工進度，同時也可以有效減少刀具消耗量，降低工程施工成本。

5破碎地層圍巖失穩(wěn)機理與防控方案研究

進行破碎地層理論建模，進行巖機作用有限元分析，探索破碎地層圍巖壓力和圍巖抗力的大小和分布情況，評價圍巖穩(wěn)定性，提出適用于TBM施工的圍巖質(zhì)量評價指標(biāo);建立TBM破碎帶圍巖彈塑性有限元模型，研究不同埋深、不同巖性、不同應(yīng)力場的圍巖和變形響應(yīng)規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場支護結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變試驗，分析支護結(jié)構(gòu)變形規(guī)律，建立TBM擾動下圍巖失穩(wěn)與支護模型，優(yōu)化支護方案。將對節(jié)約工程投資、提高工程質(zhì)量有重要意義。

6TBM長距離掘進配套設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究

連續(xù)皮帶機是TBM長距離隧道施工中非常成熟而高效的出渣方式，研究采用連續(xù)皮帶機出渣情況下的同步襯砌工藝，實現(xiàn)連續(xù)皮帶機順利穿行同步襯砌臺車在國內(nèi)的蘭渝鐵路西秦嶺隧道工程已經(jīng)有過成功的應(yīng)用，如徐雙永等［8］對該工程TBM掘進同步襯砌技術(shù)進行了詳盡論述，對今后類似工程施工將起到積極的借鑒作用。研究TBM掘進速度與巖碴運輸能力的匹配關(guān)系、膠帶與碴土的相互作用原理，建立皮帶機的動力學(xué)模型，通過連續(xù)皮帶機動力學(xué)仿真優(yōu)化連續(xù)皮帶機的性能參數(shù);分析皮帶機運行故障案例，提出解決皮帶機支架快速加裝延伸、皮帶偏離定位基準(zhǔn)、皮帶清掃、斷帶等問題的有效解決方案;研究TBM長距離施工噴射混凝土性能、制作工藝、設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，隧道鋪底作業(yè)工法及配套設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，TBM掘進隧道同步成型襯砌工法及配套設(shè)備等關(guān)鍵技術(shù)，這些目前均為較新的課題。

7深埋破碎地層TBM適應(yīng)性研究

基于深埋破碎地層的復(fù)雜地質(zhì)條件和巖石機器相互作用機理，研究TBM適應(yīng)性設(shè)計的關(guān)鍵要素，是建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性設(shè)計理論基本框架;研究刀盤刀具配置和掘進模式轉(zhuǎn)換設(shè)計，建立高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM破巖適應(yīng)性設(shè)計理論與方法，是基于破碎地層圍巖變形的TBM護盾及推進系統(tǒng)設(shè)計的準(zhǔn)則;研究復(fù)合地層刀盤和驅(qū)動系統(tǒng)的推力、彎矩和轉(zhuǎn)矩特性，為破碎地層TBM主參數(shù)設(shè)計提供理論依據(jù)。這些研究將對TBM國產(chǎn)化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

8TBM施工綜合評判指標(biāo)和風(fēng)險防控體系構(gòu)建綜合分析

地質(zhì)條件、擾動區(qū)圍巖力學(xué)響應(yīng)、巖機相互作用、施工安全性、圍巖穩(wěn)定性等TBM適應(yīng)性影響因素的性質(zhì)和特征，定義TBM與各影響因素的適應(yīng)度，依據(jù)層次性、效度和簡明性原則，構(gòu)建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應(yīng)性評價體系，并根據(jù)復(fù)雜的地質(zhì)條件和施工中面臨的風(fēng)險因素，進行有效的風(fēng)險管理與控制。將減少施工中多種問題的出現(xiàn)及避免工程事故的發(fā)生。

二研究方法

針對目前國內(nèi)在建TBM隧道工程施工過程中遇到的疑點、難點問題，借鑒國內(nèi)外既有工程經(jīng)驗，提出以下研究方法以供參考:

1結(jié)合其它課題研究成果

采用理論分析、物理實驗、數(shù)值模擬等方法，來研究高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層條件下的刀具磨損機理、支護機理以及長距離隧道有限空間內(nèi)皮帶機出渣等問題，提出刀具磨損預(yù)測公式、安全支護模型和TBM適應(yīng)性評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建高風(fēng)險地段TBM施工綜合評判和風(fēng)險防控體系。

2基于滾刀破巖機作用

綜合試驗平臺，研究不同滾刀磨蝕性評價指標(biāo)和滾刀磨蝕性分級，為滾刀磨損預(yù)測模型提供基礎(chǔ)指標(biāo)。

3采用有限元或其它數(shù)值分析

軟件進行開挖面圍巖穩(wěn)定性分析，得出TBM擾動下開挖面失穩(wěn)模型，從模型失穩(wěn)主要因素入手，分析控制擾動的措施，采用TBM施工數(shù)據(jù)回歸得出合理的TBM掘進參數(shù)。

4采用適應(yīng)關(guān)聯(lián)、模糊綜合評價、工程經(jīng)驗反饋等方法

對影響深埋破碎地層TBM掘進的主要因素進行規(guī)范化和量化，提出能有效反映TBM適應(yīng)性的評價指標(biāo)及體系。利用模糊數(shù)學(xué)評判方法和反饋分析理論，研究TBM綜合性能的預(yù)測和評估方法，建立深埋破碎地層TBM適應(yīng)性及施工安全評價模型。在此基礎(chǔ)上，依托工程實例并通過軟件編程，構(gòu)建高磨蝕性、局部破碎、高埋深地層TBM適應(yīng)性評價決策系統(tǒng)和預(yù)測評價及驗證完善。

三結(jié)語

隨著國家水利、電力、交通、運輸?shù)确矫娴拇罅Πl(fā)展，隧道工程將越來越多，特別是超深、長、大隧道逐漸占據(jù)越來越大的比例，不可避免穿越環(huán)境惡劣的復(fù)雜、不良地質(zhì)洞段及高埋深地段的隧道工程施工。研究解決復(fù)雜地質(zhì)條件下TBM施工關(guān)鍵技術(shù)，將對國內(nèi)TBM施工技術(shù)水平的提高以及TBM國產(chǎn)化都將產(chǎn)生不可估量的作用，同時也對促進西部、西南部及山區(qū)經(jīng)濟發(fā)展，確保鐵路、公路、水利水電、大規(guī)模調(diào)水工程、國防工程等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的順利開展，產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

作者：李曉晗 王心 單位：遼寧省水利廳 遼寧省白石水庫管理局