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极端复杂地质新型TBM研制及工程关键技术应用

2021年04月20日15:10

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    项目简介

    长大隧道建设是推进我国“交通强国”战略与水资源高效协同利用的重大举措,采用岩石隧道掘进机(TBM)建设是其必然选择,而极端地质是制约其建设的关键技术难题,川藏铁路多座超过30km的隧道、极端软弱破碎的高黎贡山隧道,TBM施工面临“变形、坍塌、卡机”困扰;长距离极硬岩的引汉济渭秦岭隧洞,TBM施工面临“低效、高耗、岩爆”困境。TBM如何安全高效穿越长距离超大埋深软弱破碎、极硬岩地层是亟待解决的世界难题。

    主要技术创新如下:

    (1)建立了基于岩体完整性指标和渗水量的富水破碎地层TBM卡机判识准则,提出了隧道围岩强度应力比和变形速率的挤压性地层TBM卡机判识准则;发明了隐藏式跟管水锤管棚钻机与高压深孔注浆一体化的超前钻注加固技术,开发了前置式加强型大范围支锚喷集成初期支护系统,研制了国产最大直径“彩云号”TBM,建立了TBM穿越软弱破碎地层分级支护技术体系,解决了极端软弱破碎地层隧道变形坍塌、TBM被卡被困的技术难题。

    (2)建立了TBM掘进载荷与围岩参数匹配关系,开发了滚刀载荷、磨损在线监测技术,提出了极硬岩地层TBM可掘进性评价准则和滚刀寿命分级预测准则;开发了主轴承尺寸、密封可调耐磨钢带设计技术,提出了隧道内不解体状态下主轴承滚子磨损状态检测、密封耐磨钢带洞内原位更换技术;再制造了适用于极硬岩岩爆地层的大直径TBM,构建了深埋极硬岩地层TBM装备工法融合、掘进支护协调、及时快速支护的岩爆分级防控技术,解决了超大埋深极硬岩隧道掘进低效、高耗、岩爆安全威胁的技术难题。

    (3)提出了基于TBM滚刀破岩振动为震源的岩体构造预报方法,建立了基于岩体温度场畸变的隧道水体精准定位及趋势预测方法,研发了水-岩-机一体化融合掘进大数据智能反演地质信息的TBM实时超前地质预报技术及平台,确保了TBM施工隧道地质预报信息的快速提取和识别预警,为TBM安全掘进提供了技术保障,实现了TBM施工重大地质风险的实时精准预测,解决了深埋隧道极端地质预判不精准从而导致的TBM施工致灾的难题。

    项目成果应用于高黎贡山、引汉济渭、引松供水等20余座国家重大隧道(洞)工程,新增销售额49.24亿元,新增利润4.64亿元;其中,中铁隧道局集团有限公司新增销售额30.84亿元,新增利润2.59亿元。本项目TBM技术国际领先,成功中标世界最大断面TBM法隧道(直径14.86m)——格鲁吉亚KK公路隧道项目(含TBM装备与施工),实现了TBM法隧道修建向极端复杂地质的突破,推动了我国深埋长大隧道掘进装备研制与施工技术领域的科技进步。

    获奖等级:三等奖

    完成单位:盾构及掘进技术国家重点实验室;中铁隧道局集团有限公司;中铁工程装备集团有限公司;中铁西南科学研究院有限公司;中铁二院工程集团有限责任公司;石家庄铁道大学

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