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上世纪七、八十年代以来,TBM掘进机(tunnel boring machine)和掘进技术得到空前发展,其开挖速度快、工作环境友好的特点被越来越广泛的认可。在TBM施工过程中,对洞段地质情况的把握、对TBM运行情况的预测和调整,显得尤为重要。国外施工中很重视TBM的施工预测,把预测作为确定项目方案,指导实际施工的重要参考,相应的已建立起很多关于TBM施工速度预测的方法。TBM净掘进速度岩体特性预测模型是Gong通过对破岩机理的研究基于新加坡两条TBM施工隧道的相关数据发展出来的,通过在锦屏二级工程中的检验,该模型适应性较好,但该模型缺乏对地应力条件的考虑。国内关于TBM施工速度预测模型的研究还很少,随着国内TBM施工技术的迅速发展,深埋长隧道的建设越来越多,高地应力条件影响TBM施工效果的情况已逐渐受到越来越广泛的关注。分析高地应力条件对TBM破岩效果的影响和建立一套指导我国TBM施工的、有针对性TBM掘进速度预测模型显得十分必要。
本文通过文献调研、施工现场调查研究工作,统计分析等手段,认为高地应力条件对岩体的影响主要分为两个阶段,即在地应力较低时,地应力条件对TBM破岩过程有一定的抑制作用,随着地应力的提高,地应力条件逐步向促进滚刀破岩的方向发展并成为影响TBM破岩的一个重要因素。
通过现场TBM掘进试验,在高地应力条件下,TBM的净掘进速度、扭矩、推力的基本关系没有改变,净掘进速度随滚刀推力和扭矩的提高而加快。但随着地应力的提高,地应力条件对TBM破岩的促进作用是显著的,高地应力条件下的岩体更倾向于破坏,TBM破岩过程变得相对容易,有利于TBM净掘进速度的提高。
以选定的地应力分级分段方法进行地应力分段后,对TBM运行情况进行研究发现,选定的分级分段方法与地应力条件对TBM的不同影响情况时一致的。
通过在地应力条件分段分析的基础上,结合地质条件、TBM机器参数和TBM运行参数等,运用TBM岩体速度预测模型加以进行比较分析并做出相应的改进,形成了修正岩体特性模型,以适应高地应力条件。通过掘进试验分析证明,对TBM岩体特性模型的改进是切实有效的。