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煤矿深部巷道碎胀大变形灾害控制及大变形灾变环境下TBM快速成巷技术 被引量：3
1
作者 刘泉声 刘滨 +14 位作者 唐彬 康永水 卢海峰 朱元广 黄兴 潘玉丛 邓鹏海 孙磊 唐永志 卢兴利 张程远 余宏淦 李培涛 雷一鸣 贾浩男 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期224-244,共21页
随着浅部煤炭资源逐步枯竭,煤炭开采不断向深部发展,我国东部矿区和中西部部分矿区已经进入深部开采阶段。然而,由于深部岩体的高地应力环境及采掘过程的强扰动效应,深部巷道大变形灾害频发,严重制约了深部煤炭资源的安全高效开发。如... 随着浅部煤炭资源逐步枯竭,煤炭开采不断向深部发展,我国东部矿区和中西部部分矿区已经进入深部开采阶段。然而,由于深部岩体的高地应力环境及采掘过程的强扰动效应,深部巷道大变形灾害频发,严重制约了深部煤炭资源的安全高效开发。如何有效控制巷道围岩稳定及提升掘进效率已成为深部煤炭开发面临的重大技术挑战,主要体现在:对深部巷道米级大变形灾变的机理认识尚不清晰;缺乏适用于深部巷道大变形灾害控制的理论与技术;缺乏适应大变形灾变环境的快速成巷技术。针对以上问题,围绕中东部典型矿区深部巷道米级大变形灾变机理、深部巷道大变形灾害控制理论及技术体系、大变形灾变环境下的快速成巷技术等方面展开了系统研究,取得了以下进展:提出了深部巷道围岩应力场和变形破裂导致的围岩结构扰动演化过程的探测表征方法,发展了深部巷道大变形灾变过程模拟分析的FDEM方法,揭示了深部巷道米级大变形灾害孕育形成的破裂碎胀-大位移运动机理;提出了由“应力恢复、围岩增强、固结修复、应力转移-承载圈控制”四项控制原理构成的深部围岩稳定性分步联合控制理论,建立了精准介入围岩结构与扰动应力场演化过程、多重手段分步协同的灾害控制理论与技术体系;研发出深部巷道大变形灾变环境下TBM安全高效掘进关键技术,发展了TBM掘进过程挤压变形卡机灾害预测控制方法,建立了深部煤系地层TBM系统适应性设计理论与评价决策体系。研究成果实现了典型矿区深部巷道碎胀大变形灾害的有效控制和安全高效掘进,解决了深部矿井采掘接替的技术难题。 展开更多
关键词 煤矿深部巷道 碎胀大变形灾害 灾变机理 控制理论与技术 tbm快速成巷
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基于机器学习的煤系地层TBM掘进巷道围岩强度预测 被引量：3
2
作者 丁自伟 高成登 +6 位作者 景博宇 黄兴 刘滨 胡阳 桑昊旻 徐彬 秦立学 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第1期49-60,共12页
为研究全断面掘进机(TBM)掘进参数与煤系地层岩体力学参数之间的互馈关系,准确、实时预测巷道围岩强度特征,基于TBM掘进过程中的现场监测,通过岩-机互馈关系分析,确定模型的输入特征参数,并建立了对应的数据库;将梯度提升决策树(GBDT)... 为研究全断面掘进机(TBM)掘进参数与煤系地层岩体力学参数之间的互馈关系,准确、实时预测巷道围岩强度特征,基于TBM掘进过程中的现场监测,通过岩-机互馈关系分析,确定模型的输入特征参数,并建立了对应的数据库;将梯度提升决策树(GBDT)、随机森林(RF)、支持向量回归(SVR)3种机器学习算法作为基学习器,线性回归(LR)算法作为元学习器,提出了一种基于Stacking集成算法的预测模型,并对比分析了Stacking集成算法与单一机器学习算法模型的预测性能。结果表明:二值判别与箱线图可有效对原始数据进行预处理;模型的主要输入特征参数为刀盘推力F、刀盘扭矩T、贯入度FPI、刀盘转速RPM、刀盘振动加速度A;Stacking模型在测试集上的拟合优度可达0.976,而均方误差、平均绝对误差、平均绝对百分误差分别仅有0.031,0.148和0.092,与其他3种模型相比,其拟合优度最高,误差指标数值最小,集成模型具有更高的预测精度,能够有效地预测煤矿TBM掘进巷道围岩点荷载强度。研究验证了Stacking模型的准确性,可为煤矿TBM掘进参数控制和巷道支护参数调整提供科学的参考依据。 展开更多
关键词 煤矿全断面掘进机 tbm掘进参数 Stacking集成算法 数据预处理 围岩强度预测
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煤矿岩巷TBM快速掘进研究进展与展望 被引量：7
3
作者 严红 吴林 +1 位作者 李桂臣 宋维斌 《煤炭工程》 北大核心 2025年第1期1-7,共7页
基于TBM在岩巷掘进中的显著优势,分析了我国煤矿岩巷TBM发展阶段分类及总体特点,归纳了2015—2024年煤矿岩巷TBM应用特征,包括主要应用省份、岩巷类型、刀盘直径和生产集团;分别从超前探测和预测预报技术、矿井生产地质条件适应性技术... 基于TBM在岩巷掘进中的显著优势,分析了我国煤矿岩巷TBM发展阶段分类及总体特点,归纳了2015—2024年煤矿岩巷TBM应用特征,包括主要应用省份、岩巷类型、刀盘直径和生产集团;分别从超前探测和预测预报技术、矿井生产地质条件适应性技术和巷道围岩稳定性控制技术三个方面分析了煤矿岩巷TBM掘进技术现状;最后从深部岩巷围岩稳定性控制、超前探测和掘进参数、装备构件适应性和快速组装工艺三个方面对煤矿TBM后续研究提出展望,对于煤矿TBM设计和应用具有一定的参考价值。 展开更多
关键词 全断面掘进机(tbm) 岩巷 快速掘进 围岩控制 智能化煤矿
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TBM隧洞豆砾石灌浆体局部缺陷对管片结构受力的影响 被引量：1
4
作者 李长永 王项峰 +3 位作者 何银涛 张智晓 赵顺波 袁林 《水电能源科学》 北大核心 2025年第1期160-163,159,共5页
无压输水TBM隧洞的管片起着支护洞体围岩和防水渗漏的作用,承担土压力和内外水压力,对施工及运行安全至关重要。采用三维有限元方法,建立管片—灌浆层—围岩的整体数值模型,考虑管片与围岩之间豆砾石灌浆体存在局部空洞、高岩粉、富水... 无压输水TBM隧洞的管片起着支护洞体围岩和防水渗漏的作用,承担土压力和内外水压力,对施工及运行安全至关重要。采用三维有限元方法,建立管片—灌浆层—围岩的整体数值模型,考虑管片与围岩之间豆砾石灌浆体存在局部空洞、高岩粉、富水泥浆和不密实等缺陷,分析了V类围岩地质条件下的隧洞管片的受力性能,预测了管片受力和变形的最不利位置。结合研究分析成果,提出了针对豆砾石灌浆体局部缺陷的处治建议,对工程质量检测评定与恰当处治具有重要参考价值。 展开更多
关键词 tbm隧洞 管片 豆砾石灌浆体 围岩 受力性能
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基于岩碴比表面积的完整岩体TBM破岩效率分析 被引量：3
5
作者 闫长斌 石雨萱 +3 位作者 李严 李庆民 刘永胜 吴遁 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第1期456-468,共13页
岩碴是TBM掘进过程中岩~机相互作用的直接产物,其破碎程度、形态特征、粒径分布等信息是TBM破岩效率的重要反馈指标。基于岩碴现场筛分试验和室内三维扫描试验,定量分析了TBM岩碴的形态特征及其随粒径变化的规律,提出一种基于岩碴粒径... 岩碴是TBM掘进过程中岩~机相互作用的直接产物,其破碎程度、形态特征、粒径分布等信息是TBM破岩效率的重要反馈指标。基于岩碴现场筛分试验和室内三维扫描试验,定量分析了TBM岩碴的形态特征及其随粒径变化的规律,提出一种基于岩碴粒径分布规律的比表面积计算方法,准确计算了不同粒径分布条件下岩碴比表面积的真实值。结合岩碴新表面理论指标对岩碴比表面积计算结果进行验证,同时分析了岩碴比表面积与TBM破岩效率之间的内在联系。研究结果表明:随着岩碴粒径增大,岩碴的球形度和扁平度逐渐减小、伸长度逐渐增大。总体上,岩碴的伸长度越大、扁平度和球形度越小,粗糙度指数就越大,TBM破岩效率越高。采用积分的方法,利用表面积预测函数与累积分布函数可计算得到岩碴试样比表面积真实值且分析发现其数据可近似表示单位质量岩体破碎后新增表面积的大小。岩碴比表面积SW与新表面理论指标Sa之间具有较好的线性相关性,可以相互验证其准确性与合理性,但相比新表面理论指标Sa,比表面积SW具有更清晰的物理意义和更为直观的数字结果。岩碴比表面积随TBM掘进比能、贯入度指数增加而增大,随粗糙度指数增大而减小,即岩碴比表面积可较好地描述岩石破碎程度及能量消耗,岩碴比表面积越大,岩碴就越破碎,TBM破岩效率越低。 展开更多
关键词 tbm 岩碴 破岩效率 三维扫描 形态特征 比表面积
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TBM智能施工研究进展及展望 被引量：4
6
作者 刘耀儒 侯少康 +4 位作者 魏芳 喻葭临 何伟 程立 焦鹏程 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第1期21-45,共25页
TBM目前已集成上百个传感器和信息采集系统,可实时记录反映TBM施工状况及工作性能的运行数据,为开展数据驱动研究及实现TBM智能施工提供了良好的契机。在分析近年来TBM机器学习相关研究成果的基础上,综述TBM智能施工的研究进展。首先,... TBM目前已集成上百个传感器和信息采集系统,可实时记录反映TBM施工状况及工作性能的运行数据,为开展数据驱动研究及实现TBM智能施工提供了良好的契机。在分析近年来TBM机器学习相关研究成果的基础上,综述TBM智能施工的研究进展。首先,以引松工程3标段为例,介绍TBM运行参数及运行数据的基本情况,分析TBM控制参数及掘进循环的各工作阶段划分;然后,系统归纳TBM掘进过程隧道(洞)围岩智能感知、TBM掘进过程地质灾害预测预警、TBM掘进控制参数辅助决策3方面的研究进展;最后,结合当前的技术水平和研究现状,探讨目前研究中存在的瓶颈,并提出对后续研究展望的建议,即多源数据互补信息的利用、专业机制知识-数据的融合驱动、新工程/工况应用场景的迁移学习是该领域有待进一步研究的方向。 展开更多
关键词 tbm智能施工 运行数据 围岩感知 地质灾害预测 掘进参数优化
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TBM隧道岩石耐磨性指数与凿碎比功相关性研究
7
作者 张廷雷 陈广森 +1 位作者 李玲 李蓉仑 《铁道工程学报》 北大核心 2025年第6期64-69,共6页
研究目的:TBM法隧道施工在铁路工程中的应用日益广泛。隧道掘进机的选型与设计须开展岩石耐磨性指数与岩石凿碎比功测试。两者均为岩石坚硬程度的表征,具有一定的相关关系,是隧道TBM法施工工艺参数设计的重要指标,但相关研究较少。本文... 研究目的:TBM法隧道施工在铁路工程中的应用日益广泛。隧道掘进机的选型与设计须开展岩石耐磨性指数与岩石凿碎比功测试。两者均为岩石坚硬程度的表征,具有一定的相关关系,是隧道TBM法施工工艺参数设计的重要指标,但相关研究较少。本文基于某铁路隧道TBM施工工艺设计,开展岩石耐磨性指数与岩石凿碎比功对比试验研究,建立岩石耐磨性指数与凿碎比功的相关关系,指导隧道TBM法工艺设计和施工。研究结论:(1)岩石耐磨性指数A_(b)与岩石凿碎比功a呈线性相关,存在较好相关性;(2)不同岩性,因成岩方式、结晶状态、密实程度、层理结构、均匀程度等性质不同,对岩石耐磨性指数和岩石凿碎比功值的影响程度也不相同,a-A_(b)拟合曲线存在较大差异;(3)单一岩性因物理性质稳定均匀,a-A_(b)拟合曲线的相关性明显好于总a-A_(b)拟合曲线;(4)不同岩性a-A_(b)拟合曲线相关性与岩石均匀性、物理性质的稳定性密切相关,岩石越均匀,物理性质越稳定,则相关关系越好;(5)本研究成果可用于指导TBM隧道掘进机法勘察设计和施工。 展开更多
关键词 耐磨性指数 凿碎比功 tbm法 岩石 试验
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高原长隧的钻爆和TBM联合开挖进度仿真模型
8
作者 张涛 梁志强 +2 位作者 王飞 刘全 杨凯 《中国农村水利水电》 北大核心 2025年第1期209-214,共6页
长距离隧洞常用于穿越复杂地形,利用钻爆和TBM开挖方法联合开挖高原长隧可以充分发挥钻爆法的灵活性和TBM法的高效性,但是增加了工程进度管理的复杂度。考虑高原长隧常面临开挖工期长、地层复杂,气压低、气温低等不利条件,在钻爆法和TB... 长距离隧洞常用于穿越复杂地形,利用钻爆和TBM开挖方法联合开挖高原长隧可以充分发挥钻爆法的灵活性和TBM法的高效性,但是增加了工程进度管理的复杂度。考虑高原长隧常面临开挖工期长、地层复杂,气压低、气温低等不利条件,在钻爆法和TBM开挖进度仿真模型研究的基础上,研究开挖工艺切换的工期及其影响,建立钻爆和TBM联合开挖的高原长隧开挖进度仿真模型,并以工期函数和控制流程的形式表达。实例分析结果表明,本模型可以适用长隧施工的支洞和主洞多工作面同时开挖、以及钻爆和TBM联合开挖等复杂施工边界条件。可为高原区引水、公路、铁路等长距离隧洞的开挖进度管理提供支持。 展开更多
关键词 长距离隧洞 钻爆开挖 tbm掘进 开挖仿真 工期评价
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超小曲线隧洞TBM最小转弯半径及影响因素研究
9
作者 朱强 朱少杰 +1 位作者 秦东晨 贾连辉 《重庆理工大学学报(自然科学)》 北大核心 2025年第8期162-168,共7页
为提高硬岩掘进机(TBM)开挖超小曲线隧洞的能力,应准确预估TBM最小转弯半径。为此,以推进系统液压缸行程、球铰最大转角、主驱动与液压缸及护盾盾尾与洞壁不发生干涉为约束条件,建立最小转弯半径的计算方法并在Matlab中完成编程求解。... 为提高硬岩掘进机(TBM)开挖超小曲线隧洞的能力,应准确预估TBM最小转弯半径。为此,以推进系统液压缸行程、球铰最大转角、主驱动与液压缸及护盾盾尾与洞壁不发生干涉为约束条件,建立最小转弯半径的计算方法并在Matlab中完成编程求解。在UG中建立转弯半径为30 m的仿真模型进行理论验证。基于正交试验法对最小转弯半径的影响因素进行分析。研究结果表明:理论计算结果与仿真结果相比误差较小,液压缸伸长量计算误差<0.038 mm,球铰转角计算误差<0.00019°,主驱动与液压缸最小间隙计算误差<0.032 mm,护盾盾尾与洞壁最小间隙计算误差<0.0015 mm,证明所提计算方法的有效性;各因素的影响程度依次为:刀盘与护盾总长度>球铰最大转角>护盾伸缩量>液压缸行程。 展开更多
关键词 抽水蓄能电站 tbm 正交试验法 最小转弯半径
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不同含石量条件下TBM渣料剪切特性研究
10
作者 罗璟 董自涛 +5 位作者 裴向军 时幸幸 杨沛璋 刘卓 李鹏 贾杰 《工程地质学报》 北大核心 2025年第4期1280-1293,共14页
TBM渣料主要由细砂和针片状碎块石组成,属于不良级配土,含石量变化大,土体结构独特,变形强度特征有别于其他类型的土石混合体。本文依托喜马拉雅东部多雄拉隧道TBM弃渣场,通过现场调查和三维激光扫描技术量化渣料形状和结构特征,提出适... TBM渣料主要由细砂和针片状碎块石组成,属于不良级配土,含石量变化大,土体结构独特,变形强度特征有别于其他类型的土石混合体。本文依托喜马拉雅东部多雄拉隧道TBM弃渣场,通过现场调查和三维激光扫描技术量化渣料形状和结构特征,提出适用于TBM渣料的离散元直剪模型构建方法,结合室内大型直剪试验和PFC^(3D)离散元数值模拟,揭示不同含石量条件下TBM渣料宏观力学规律和细观变形破坏机制。研究结果表明:TBM渣料中碎块石形状近似于刀盘状、条棒状和圆盘状,在人工堆置过程中,碎块石长轴方向与水平面之间的夹角主要分布在0°~20°,土体结构表现出显著的空间定向性;随着含石量的增加,TBM渣料结构由悬浮密实型结构向骨架密实型结构过渡,最终转变为骨架空隙型结构,块石颗粒间咬合、嵌套、自锁作用显著增强,块石旋转自由度大大受限,其宏观变形特征由“剪缩”向“剪胀”转变,抗剪强度及其指标均呈现出先缓慢增长再轻微降低,最后大幅度提升的趋势,其内部颗粒运动形式由“土石联动”向“土绕石”转变,力链数量线性减少,平均力链强度增长幅度逐渐加大,强力链逐渐在模型内部起到支撑作用,整体上剪切带从“S”型分布逐步趋近于呈“一”字型分布,剪切带厚度明显变薄。研究成果将弥补当前对针片状土石混合体研究的不足,为TBM弃渣场稳定性分析和风险评价工作提供理论支撑。 展开更多
关键词 tbm渣料 针片状块石 含石量 直剪试验 离散元 三维激光扫描技术
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基于TBM岩碴形貌特征的混凝土粗骨料替代方式
11
作者 闫长斌 冯仁龙 +3 位作者 覃坚鹏 肖翔 卢高明 杨继华 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第10期1816-1829,共14页
为了解决TBM在硬岩段开挖过程中产生的岩碴在混凝土中掺量低、应用效果差的问题,利用三维激光扫描和图像处理技术,定量分析岩碴与碎石粗骨料的形貌特征差异,并探究岩碴的不同替代方式对混凝土工作性能和力学性能的影响。研究结果表明:1)... 为了解决TBM在硬岩段开挖过程中产生的岩碴在混凝土中掺量低、应用效果差的问题,利用三维激光扫描和图像处理技术,定量分析岩碴与碎石粗骨料的形貌特征差异,并探究岩碴的不同替代方式对混凝土工作性能和力学性能的影响。研究结果表明:1)4.75~19.00 mm粒径区间岩碴的球形度累积分布曲线变化趋势与碎石粗骨料相反,而棱角性和颗粒纹理指数变化趋势相似,且岩碴的球形度、棱角性和颗粒纹理指数分布范围更宽;2)相同粒径区间内岩碴的平均球形度低于碎石粗骨料,而棱角性、颗粒纹理指数和三维分形维数则较高;3)岩碴与碎石粗骨料在球形度、棱角性和三维分形维数上的差异性随着粒径的增大而增大,颗粒纹理指数先增大后减小;4)岩碴的替代方式会对混凝土工作性能和力学性能产生显著影响,采用常规替代方式会导致混凝土性能变差,而采用小粒径替代方式时,因其较高的球形度、更复杂的棱角、颗粒纹理和几何形态,混凝土性能最佳;5)实际工程中,建议优先采用小粒径替代方式,利用4.75~9.50 mm粒径区间的岩碴,并将替代率控制在20%以内。 展开更多
关键词 tbm岩碴 形貌特征 碎石粗骨料 替代方式 混凝土性能
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不同围压下TBM盘形滚刀破岩机理与比能耗研究
12
作者 周鹏 尚建旭 +3 位作者 张天宇 徐佳璨 王子男 何恩光 《隧道建设(中英文)》 北大核心 2025年第5期887-894,共8页
为探究不同围压下TBM盘形滚刀的破岩效率与破碎岩片的破坏模式,采用离散元软件PFC2D,基于伺服原理及线性平行黏结理论,通过对花岗岩进行参数标定生成仿真岩石模型,进而建立滚刀二维仿真破岩模型。在滚刀破岩模型的基础上分别设置1、5、1... 为探究不同围压下TBM盘形滚刀的破岩效率与破碎岩片的破坏模式,采用离散元软件PFC2D,基于伺服原理及线性平行黏结理论,通过对花岗岩进行参数标定生成仿真岩石模型,进而建立滚刀二维仿真破岩模型。在滚刀破岩模型的基础上分别设置1、5、10、15、20、30 MPa 6种围压工况,并在6种围压工况下进行滚刀侵入岩石内部5 mm的仿真模拟,对岩石内部微裂纹的扩展、滚刀破岩比能耗、张拉剪切裂纹数量的变化以及破碎岩片的破坏模式进行研究。研究结果表明:1)随着围压的增大,岩石内部裂纹的破坏模式由沿晶裂纹逐渐向穿晶裂纹转变,剪切裂纹占比由9.4%(围压为1 MPa)上升到21.3%(围压为30 MPa)。2)在围压为10 MPa的工况下,两滚刀间裂纹贯通,脱落的岩片体积较其他5种围压工况下明显偏大,此时破岩比能耗较低,破岩效果较好。3)滚刀侵入岩石5 mm后,随着围压的增大岩石内部的裂纹在径向上的扩展被限制。 展开更多
关键词 tbm 围压 裂纹拓展 破岩机理 比能耗 盘形滚刀
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TBM隧道围岩-支护动态相互作用机制研究 被引量：4
13
作者 周振梁 谭忠盛 +1 位作者 李林峰 雷可 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第1期284-294,共11页
TBM法隧道支护相较矿山法隧道具有施作滞后、时效敏感的特点,现有理论成果难以准确描述TBM隧道围岩-支护动态相互作用过程。基于TBM隧道围岩-支护相互作用特点和支护结构刚度发展特征,引入虚拟支护力模拟开挖面空间支撑效应,建立综合考... TBM法隧道支护相较矿山法隧道具有施作滞后、时效敏感的特点,现有理论成果难以准确描述TBM隧道围岩-支护动态相互作用过程。基于TBM隧道围岩-支护相互作用特点和支护结构刚度发展特征,引入虚拟支护力模拟开挖面空间支撑效应,建立综合考虑TBM隧道支护结构施作时机和时效特性的围岩-支护相互作用力学模型,通过数值模拟和现场测试对理论模型进行验证。分析掘进速度、锚杆砂浆硬化速度、喷混施作时机、喷混硬化速度等因素对洞周位移和初支结构支护力的影响规律,并给出相应的支护建议。研究结果表明:通过TBM隧道围岩-支护动态相互作用模型可得到任意时刻及断面的洞周位移和锚杆、钢拱架及喷混支护力的解析解。锚杆和钢拱架施作后围岩变形速率明显降低,喷混施作前围岩变形已经稳定,喷混的作用主要是防止掉块并作为安全储备。提高砂浆硬化速度可提升锚杆的支护力,及时施作喷混可显著提高初支结构支护力并改善锚杆和钢拱架的受力状态,加快喷混硬化速度可提高整体支护效果并减小钢拱架和锚杆承担的围岩压力。正常施工条件下,可通过降低TBM掘进速度、选用快硬锚杆水泥砂浆来提高初支的支护性能。当穿越围岩破碎稳定性差的区段时,应在距开挖面距离不大于3倍洞径处施作喷混,并选用硬化速度快的喷混材料进一步提高支护体系承载能力。研究结果可为进一步优化TBM隧道支护设计与施工提供理论依据。 展开更多
关键词 tbm隧道 支护结构 力学模型 洞周位移 支护力
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TBM不均匀磨损盘形滚刀破岩力研究
14
作者 张照煌 王鑫鑫 +1 位作者 卓兴建 贾连辉 《力学学报》 北大核心 2025年第5期1188-1201,共14页
全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结... 全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结合数值模拟与理论分析,揭示了盘形滚刀作用下岩石的“塑-脆”特性,推导并建立了磨损盘形滚刀破岩法向力与滚动力理论方程,经验证误差小于4%.通过ABAQUS软件建立了不均匀磨损盘形滚刀破岩数值模型,对比研究了不均匀磨损盘形滚刀破岩力和破岩比能,首次将不均匀磨损盘形滚刀破岩过程划分为可接受、过渡和不可接受非协同破岩3个阶段.建立了不同安装半径下不均匀磨损盘形滚刀破岩比能预测理论,经验证最大误差为6.5%,并首次定义了衡量破岩非协同性程度的不均匀磨损盘形滚刀破岩性能指标η.研究结果表明,不均匀磨损盘形滚刀破岩力随磨损量增加而增大,破岩比能随磨损量和安装半径增加而增大,且具有明显区间效应.论文研究为TBM作业刀具更换和不均匀磨损盘形滚刀破岩力和比能预测提供了有益参考和借鉴. 展开更多
关键词 全断面岩石掘进机 不均匀磨损 盘形滚刀 破岩力
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基于SCSM模型的TBM多模式掘进参数优化策略
15
作者 薛亚东 李雨轩 +3 位作者 罗炜 王化武 郭永发 汪加轩 《铁道工程学报》 北大核心 2025年第9期66-72,79,共8页
研究目的:随着隧道工程逐步向大埋深、长距离方向发展,全断面隧道掘进机TBM因自动化程度高、环境扰动小、施工高效等优点受到广泛应用。然而,由于TBM在硬岩地层中的掘进参数调整依赖于司机经验,掘进性能与地质环境难以匹配,缺乏有效的... 研究目的:随着隧道工程逐步向大埋深、长距离方向发展,全断面隧道掘进机TBM因自动化程度高、环境扰动小、施工高效等优点受到广泛应用。然而,由于TBM在硬岩地层中的掘进参数调整依赖于司机经验,掘进性能与地质环境难以匹配,缺乏有效的破岩提升策略,易导致掘进效率较低、刀具荷载超限、工程超期等问题。为此,本研究改进CSM模型提出一种SCSM模型用于掘进参数与地质环境之间的关系表达,根据设备推力、扭矩、出渣量极限性能约束对掘进参数优化问题可行域分区,采用多模式求解最优控制参数。研究结论:(1)以引松工程的现场掘进数据为基础,通过线性拟合得到临界推力经验公式,依托引汉济渭工程考虑临界推力以及FPI,建立破岩模式分区模型,针对所构建的分区可行域,根据TBM性能极限定义极硬岩,提出适用于极硬岩的磨岩模式以及片岩、混合模式的优化策略;(2)以引汉济渭岭南工程K29+169.2~K33+613.1标段为例,应用本文研究成果,优化后的掘进能耗降低了5.6%,施工进度提升显著;(3)研究结果表明基于多模式掘进参数优化策略可充分挖掘中低强度下掘进机的性能,对于极硬岩情况可兼顾工期与能耗进行多目标优化。 展开更多
关键词 隧道掘进机 CSM 极硬岩 掘进参数优化 破岩模式
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基于TBM振动监测的围岩参数感知技术研究 被引量：2
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作者 李宗林 谭忠盛 +3 位作者 周振梁 李林峰 杨旸 郑修和 《铁道科学与工程学报》 北大核心 2025年第4期1853-1869,共17页
TBM破岩振动与掌子面在掘岩体状态密切相关。为探究TBM振动应用在围岩感知领域的可行性,以新疆某TBM隧道工程为例,采集不同围岩条件下的TBM主梁振动信号,采用小波阈值方法进行信号降噪,从时域、频域和时频角度分析不同围岩类别下的振动... TBM破岩振动与掌子面在掘岩体状态密切相关。为探究TBM振动应用在围岩感知领域的可行性,以新疆某TBM隧道工程为例,采集不同围岩条件下的TBM主梁振动信号,采用小波阈值方法进行信号降噪,从时域、频域和时频角度分析不同围岩类别下的振动信号特征,并选取与岩石单轴饱和抗压强度(UCS)和岩体体积节理数(Jv)相关性最高的5项振动特征指标建立围岩参数感知数据集,在此基础上分别开发了BP神经网络模型和SVM模型,最终通过验证集和测试集数据对模型的感知效果进行验证和对比。研究结果表明:采用小波阈值降噪方法降噪后振动峰值及平均值与围岩类别的相关性分别提高了7.56%和12.20%。整体来看,TBM破岩振动能量主要集中在低频范围,而随围岩类别由Ⅳ类到Ⅱ类,振动强度和振幅逐渐增加且高频成分的能量占比逐渐增大。在26项振动特征参数中,平均值、峰峰值、峭度、重心频率和均方根频率与围岩参数的相关性最高,Pearson相关系数都在0.7以上。模型测试发现BP神经网络模型对UCS和Jv的预测误差分别少于2%和8%,相比SVM模型同比减少50%和53%,预测效果更好。研究结果可为TBM施工围岩参数实时感知技术创新提供借鉴和参考。 展开更多
关键词 tbm 振动监测 信号降噪 机器学习 围岩感知
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TBM 隧道工程数据预处理软件开发及应用 被引量：1
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作者 肖浩汉 皮进 +2 位作者 张雯 曹瑞琅 于洪涛 《铁道建筑》 北大核心 2025年第4期99-105,共7页
针对隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工数据的海量性、多源性、异构性、低价值密度等问题,通过对多个TBM隧道项目的数据进行深入分析,运用阈值设定、统计分析及机器学习技术,构建了数据集成预处理方法,并研发了一套TBM‑Process... 针对隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工数据的海量性、多源性、异构性、低价值密度等问题,通过对多个TBM隧道项目的数据进行深入分析,运用阈值设定、统计分析及机器学习技术,构建了数据集成预处理方法,并研发了一套TBM‑Processing数据预处理软件。该软件可以实现有效数据筛选、异常掘进段落识别、掘进参数降噪等功能。将软件应用于相关工程的塌方风险识别、扭矩贯入指标预测和掘进速度预测,并对处理前后的数据进行了对比。结果表明,较预处理前的数据相比,预处理后的数据离散程度降低,预测模型精确度提升,不良地质条件识别误差减少。研究成果可为不同工程背景下TBM掘进数据预处理提供理论依据。 展开更多
关键词 隧道工程 tbm 数据预处理 软件开发 机器学习 场景预测 数字孪生
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基于数理统计的TBM软硬不均地层判别方法及应用 被引量：1
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作者 李鹏宇 田国帅 +3 位作者 董子开 李旭 于洪伟 王双敬 《铁道建筑》 北大核心 2025年第1期109-115,共7页
TBM(Tunnel Boring Machine)在施工掘进过程中会遇到软硬不均地质情况,进而给项目的施工进度带来阻碍,严重的甚至会引发刀具异常磨损或非正常损坏、掘进姿态偏移和TBM卡机等一系列问题。预测软硬不均地层情况对预防TBM非正常损坏和卡机... TBM(Tunnel Boring Machine)在施工掘进过程中会遇到软硬不均地质情况,进而给项目的施工进度带来阻碍,严重的甚至会引发刀具异常磨损或非正常损坏、掘进姿态偏移和TBM卡机等一系列问题。预测软硬不均地层情况对预防TBM非正常损坏和卡机等严重问题有重要意义。本文依托深惠(深圳—惠州)城际铁路某区间工程对TBM循环段的掘进数据进行统计分析,并通过箱型图的差异性对比和参数变异系数的变化值选出特征明显的掘进参数,进而对各参数在均匀地层及软硬不均地层之间的变化范围做出解释。最后将各参数赋予相应的权重,依据判别条件和经验表格进一步预测地层类别。通过对依托工程真实地层和预测地层对比验证,发现预测准确率为83.3%,验证效果良好。 展开更多
关键词 铁路隧道 tbm 软硬不均 设备卡机 非正常损坏 参数分析 数理统计 地层感知
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高地应力软弱地层TBM隧道新型预应力管-索支护结构 被引量：2
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作者 何骏扬 毕浪 +5 位作者 余涛 范磊 文建华 王建锋 姚志刚 方勇 《铁道建筑》 北大核心 2025年第6期114-120,共7页
受开挖空间限制,高地应力软弱围岩地层的围岩稳定性控制是TBM(Tunnel Boring Machine)隧道施工中的重要挑战。本文以高黎贡山隧道工程为背景,通过理论分析、数值模拟分析了在软弱围岩条件下,新型预应力管-索支护结构在TBM隧道中的应用... 受开挖空间限制,高地应力软弱围岩地层的围岩稳定性控制是TBM(Tunnel Boring Machine)隧道施工中的重要挑战。本文以高黎贡山隧道工程为背景,通过理论分析、数值模拟分析了在软弱围岩条件下,新型预应力管-索支护结构在TBM隧道中的应用效果。结果表明,预应力管-索支护结构能够形成双层预应力承载拱,充分发挥主动支护和被动支护作用,进而有效降低软弱围岩变形。正交试验表明,施加在管-索结构上的预应力对隧道稳定性影响最大,杆件长度、支护间距、支护范围的影响依次减弱。通过单因素试验发现,在高地应力软弱围岩条件下,相较于无锚杆支护和有锚杆支护两种工况,预应力管-索支护时的拱顶位移分别减小约61%和37%。当依托工程管-索结构预应力为150 kN、管-索间距为0.8 m、拱顶支护范围在180°时,既能起到较好的支护效果,又能很好地控制工程成本。 展开更多
关键词 高地应力软弱地层 tbm隧道 管-索支护结构 数值模拟 正交试验 单因素试验
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基于复合磨蚀试验平台的TBM滚刀磨损影响因素研究 被引量：1
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作者 刘征 尤晓波 +2 位作者 魏民 张康健 张志强 《铁道标准设计》 北大核心 2025年第5期124-132,169,共10页
隧道掘进机是一种广泛用于隧道掘进开挖的工程机械。盘型滚刀作为掘进过程中直接接触并切割岩石的关键部件,其磨耗程度将显著影响隧道掘进机的工作效率和安全性。为探究正常磨损机制下的滚刀磨损特性及关键施工参数对滚刀磨损量的影响规... 隧道掘进机是一种广泛用于隧道掘进开挖的工程机械。盘型滚刀作为掘进过程中直接接触并切割岩石的关键部件,其磨耗程度将显著影响隧道掘进机的工作效率和安全性。为探究正常磨损机制下的滚刀磨损特性及关键施工参数对滚刀磨损量的影响规律,根据盘型滚刀实际几何尺寸制作了比例1∶10的小滚刀模型,采用SP3-I滚刀复合磨蚀实验台开展不同试验参数(贯入速度、滚压速度、刀刃宽度、岩样)的小尺寸滚刀磨损实验,分析各试验参数对滚刀磨损量的影响规律。在此基础上,应用ATA-IGG I岩石磨蚀伺服实验仪,进行不同岩样的Cerchar磨蚀指数(Cerchar Abrasivity Index)试验。结果表明:(1)滚刀磨损量随贯入速度增加而线性增加,过高的贯入速度易使滚刀发生卷边,导致磨损量剧增;(2)增大滚压速度可有效减少滚刀磨损量,但在实际工程应用中,应将滚压速度控制在合理区间,以减少对围岩的扰动并保证掘进效率;(3)采用宽刃滚刀和窄刃滚刀交替布置可充分发挥不同刃宽滚刀的侧向和径向裂缝拓展能力,提高掘进效率;(4)基于岩石值和滚刀千米磨损量提出一种滚刀磨损预测方法,可实现滚刀磨损状态的评估。研究成果可对TBM掘进过程中盘型滚刀优化设计和磨损状态的实时评估提供一定指导。 展开更多
关键词 tbm滚刀 复合磨蚀试验 Cerchar磨蚀指数 滚刀磨损预测 相似比模型
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