《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《特长大坡度隧洞 TBM 卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术》​

本期项目简介

完成单位: 山西省水利建筑工程局有限公司、山东大学、 成都理工大学、 山西中部引黄水务开发有限公司、 山西中部引黄工程建设管理有限公司

主要完成人: 林鹏、 李志敏、 潘东东、 张成军、 程建龙、 温新平、 邱道宏、 王文扬、 王学强、 谢辉辉、 王欣桐、 余腾飞、 宋金平、 卜泽华、张之梁

项目简介

　　(一)项目背景

　　TBM施工方法已经成为我国隧洞(道)工程建设的重要趋势和发展方向。但TBM对地质条件要求较高,在穿越不良地质时,极易遭遇突涌水、塌方、大变形等地质灾害,导致TBM卡机、报废甚至人员伤亡,造成重大的经济损失和恶劣的社会影响。开展特长大坡度隧洞TBM卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术研究,是保障TBM施工隧洞(道)建设安全的迫切需要,具有极为重要的意义和价值。TBM隧洞突涌水等灾害、TBM卡机、极硬岩刀具极剧磨损等致使TBM的地质适应性极差,其根本原因在于:淤特长隧洞地质勘察困难,难以全部查明TBM隧址区赋存灾害源;于TBM主控参数选择依靠经验,TBM掘进效率预测存在巨大的片面性,且TBM围岩分级标准未考虑TBM对地层的适应性;盂TBM掘进过程中卡机与突涌水灾变机理认识不清;榆TBM卡机、突涌水安全防控与地质灾害处治缺乏理论指导;虞特长隧洞TBM施工物资运输和出渣困难导致TBM难以安全、快速、连续掘进。

　　本项目开展特长大坡度隧洞TBM卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术研究,切实提高依托TBM隧洞工程防灾减灾技术水平、降低施工安全风险、保障TBM安全高效掘进。同时也为我国类似工程建设积累经验和提供示范,促进我国特长大坡度隧洞TBM施工灾害控制与安全快速掘进技术的进步。

　　(二)技术概况

　　本项目开展了特长大坡度隧洞TBM卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术研究,提出了TBM隧洞施工典型灾害源地质判识方法,揭示了TBM隧洞卡机、突涌水灾变演化机理,形成了不良地质条件下TBM卡机控制与脱困、突涌水封堵技术,建立了不同围岩条件下TBM掘进参数优化选择技术,研发并实施了大坡度、长距离、曲线掘进的连续皮带机出渣技术及轨道导引式胶轮牵引机车运输技术,形成了一套规范化、信息化、标准化的安全掘进关键技术体系。

　　(三)适用范围

　　本项目适用于复杂地质条件下特长大坡度TBM隧洞施工。

　　(四)获奖情况

　　2020年度中国交通运输协会科学技术进步一等奖。

项目创新点

　　针对TBM隧洞防灾减灾和安全建设等理论和技术难题,通过现场大量工程研究,结合理论分析、数值模拟、室内试验等手段,开展了特长大坡度隧洞TBM卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术,取得了以下创新性成果:

　　(1)提出了7种TBM卡机致灾模式、3类11型突涌水致灾系统,形成了TBM隧洞施工典型灾害源地质判识方法。

　　(2)揭示了TBM与围岩相互作用及卡机灾变机理,提出了TBM隧洞穿越挤压膨胀地层、软硬互层和断层破碎带等不良地质条件下TBM安全施工、卡机控制与脱困技术。

　　(3)揭示了TBM隧洞围岩渐进性破坏诱发突涌水灾变演化机理,提出了双护盾TBM施工隧洞突涌水封堵技术。

　　(4)构建了基于TBM掘进参数和围岩性能的TBM掘进速度预测模型,提出了基于TBM掘进性能的围岩智能分级方法,形成了不同围岩条件下TBM掘进参数优化选择技术。

　　(5)研发并成功实施了大坡度、长距离、曲线掘进的连续皮带机出渣技术及轨道导引式胶轮牵引机车运输技术等TBM快速施工配套技术。

同类项目比较

本项目开展了特长大坡度隧洞 TBM 卡机与突涌水灾变机理与灾害控制关键技术研究取得了理论和技术创新。国内外同类项目的比较如表 1所示。

应用案例

　　(一)山西省中部引黄工程TBM2标山西省中部引黄工程TBM2标由于断层、风化破碎带等发育,隧道开挖面临诸多地质灾害。施工过程中应用TBM隧洞典型地质灾害处治与施工技术,累计有效控制并处理较大突涌水灾害10处,判识地层破碎带、强风化破碎带、富水砂层等不良地质60余处,TBM卡机事故提前脱困4起(见图2),有效规避了重大灾害源,保障了TBM正常掘进。

　　(二)山西省东山供水工程TBM11标山西省东山供水工程TBM11标面临岩性变化复杂、地质灾害繁多等问题,应用本项目成果保障了TBM安全顺利通过地质灾害高风险区,提高了掘进效率,保障了项目安全快速施工,近三年产生直接经济效益0郾89亿元。

　　(三)新疆BJGSEQ工程KS段TBMVIII标新疆BJGSEQ工程KS段TBMVIII标大型断裂带发育,隧道开挖面临突涌水、塌方等灾害。应用本项目成果保障了TBM安全掘进,避免了重大地质灾害的发生,确保工程顺利开展,近三年产生直接经济效益4413万元。

社会效益与经济效益

　　本项目提出了TBM隧洞施工典型灾害源地质判识方法,揭示了TBM隧洞卡机与突涌水灾变演化机理,形成了TBM卡机安全防控和地质灾害处治技术,建立了一套规范化、信息化、标准化的安全快速掘进关键技术体系。本项目共产生经济效益约2郾56亿元。切实提高了TBM隧洞工程防灾减灾技术水平、降低了施工安全风险、保障了TBM安全高效掘进,培养了一批交通输水、防灾减灾工程领域专业技术人才,有力促进了行业科技进步,在TBM隧洞灾害控制与安全快速掘进领域起到了重要引领和示范作用。