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一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法

阅读：1108发布：2020-07-16

IPRDB可以提供一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法，通过资料收集分析风险影响因素，结合复合式TBM风险案例分析，按照影响因素对复合式TBM工程进行分类研究，研究不同因素综合作用下复合式TBM工程风险等级，复合式TBM风险案例分析结合工程经验分析复合式TBM工程风险事件类型及因素，结合复合式TBM工程风险等级和风险等级修正机制形成复合式TBM工程风险评价标准。本发明采取有效、合理的方法对影响TBM施工风险的因素进行分析和识别，建立了基于充分考虑地质环境、水文环境、周边环境和工程特征等主要影响的TBM风险地图，有效规避与应对TBM施工风险。，下面是一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法，其特征在于，通过资料收集分析风险影响因素，结合复合式TBM风险案例分析，按照影响因素对复合式TBM工程进行分类研究，研究不同因素综合作用下复合式TBM工程风险等级，复合式TBM风险案例分析结合工程经验分析复合式TBM工程风险事件类型及因素，结合复合式TBM工程风险等级和风险等级修正机制形成复合式TBM工程风险评价标准。

说明书全文

一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法

技术领域

[0001] 本发明属于隧道施工技术领域，特别涉及一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法。

背景技术

[0002] 随着我国交通、国防、电力、水利、采矿等事业的发展，南水北调、西电东送、西气东输、青藏铁路及核电等重大工程的规划、设计和施工，我国迎来了隧道建设的新高潮时期。而在长大隧道工程中，隧道掘进机（TBM，Tunnel Boring Machine)已在全球范围内得到越来越多的应用，目前世界上每年开挖的隧道约50％是由TBM来完成的，并有逐渐增大的趋势。

[0003] TBM是一个先进、庞大而复杂的系统，受制于诸多外界因素，这就决定了隧道TBM施工过程是一个复杂的系统工程，其影响因素数量众多、种类各异且各自的影响程度不同，特别是在面对复杂地质条件等不利因素时，TBM将面临严峻的考验，如果不能准确地预估其所面临的众多风险，及时、有效地采取应对措施，将导致TBM卡机停机、进度滞后、结构失事等，并由此产生严重的经济损失，其快速、高效的优势就难以体现。

[0004] 目前，TBM几乎应用于所有地层的隧道施工中，针对TBM施工对于地层、环境等的适用性研究亦取得了丰硕成果，但上述成果各有侧重，未能全面反映TBM施工的复杂性；且大多数研究停留在理论阶段，不能有效指导工程实践。

发明内容

[0005] 本发明的目的，就是为了提供一种充分考虑地质环境、水文环境、周边环境和工程特征等主要影响的TBM施工风险地图，进一步加强工程施工和咨询企业风险管理能力及水平。

[0006] 本发明的技术方案是，一种隧道掘进机隧道施工风险地图的构建方法，通过资料收集分析风险影响因素，结合复合式TBM风险案例分析，按照影响因素对复合式TBM工程进行分类研究，研究不同因素综合作用下复合式TBM工程风险等级，

[0007] 复合式TBM风险案例分析结合工程经验分析复合式TBM工程风险事件类型及因素，结合复合式TBM工程风险等级和风险等级修正机制形成复合式TBM工程风险评价标准。

[0008] 本发明采取有效、合理的方法对影响TBM施工风险的因素进行分析和识别，建立了基于充分考虑地质环境、水文环境、周边环境和工程特征等主要影响的TBM风险地图，利于有效规避与应对TBM施工风险，具有十分重要的作用。

附图说明

[0009] 图1 本发明涉及的TBM施工中主要工程风险类型所占比例示意图

[0010] 图2 TBM施工中围岩大变形故障树

[0011] 图3 TBM施工中塌方故障树

[0012] 图4 TBM施工中岩爆故障树

[0013] 图5 TBM施工中管片破损故障树

[0014] 图6 TBM施工中有毒有害气体泄露故障树

[0015] 图7 TBM施工中突涌水故障树

[0016] 图8 TBM施工中隧道轴线偏差故障树

[0017] 图9 本发明的风险地图的构建方法流程图

具体实施方式

[0018] 由于复合式TBM隧道施工是个复杂的系统，进行分析识别前必须对工程整体及组成有足够的认识，并能够清晰、明确的建立风险结构。

[0019] 首先，根据调研及其他相关资料，确定复合式TBM隧道施工风险的顶事件:围岩大变形、岩爆、塌方、突涌水(气)、管片破损、轴线偏差、有毒有害气体泄露。如图1所示，其中：1代表围岩大变形、2代表塌方、3代表岩爆、4代表管片渗水、5代表管片破损、6代表突涌水(气)、7代表隧道轴线偏差。

[0020] 其次，根据调研揭示的规律——隧道施工风险因素主要体现在工程地质水文地质、周边环境和工程本体特征，建立上述三方面因素与各风险事件的路径关系。

[0021] (1)TBM施工条件下的隧道围岩分级

[0022] 地质因素对TBM工作条件的影响主要表现为两大方面：首先，确定隧道围岩的总体地质环境是否适于采用TBM进行施工；其次，决定围岩稳定性及坚硬程度的主要地质参数对TBM工作效率的影响。因此第一方面主要沿用围岩稳定性分级，对于第二方面主要从岩石单轴抗压强度、岩石的硬度和耐磨性、岩体结构面发育程度(完整程度)进行研究。

[0023] a)岩石单轴抗压强度(Rc)

[0024] Rc越低，TBM掘进越快；Rc越高，TBM掘进速度越慢。但是，Rc太低，TBM掘进后围岩自稳时间极短，甚至不能自稳。只有Rc值在一定范围内(30～200MPa)，TBM的掘进既能保持一定的速度，有能使隧道围岩在一定时间内保持自稳。如表1所示。

[0025] 表1 岩石单轴抗压强度与岩石坚硬程度的对应关系

[0026]Rc(MPa) >200 200～60 60～30 30～15 15～5 <5
坚硬程度极坚硬岩坚硬岩较坚硬岩较软岩软岩极软岩

[0027] b)岩石的结构面发育程度

[0028] 综观各表征岩体完整程度的指标，普遍选用岩体完整性系数Kv、岩体体积节理数Jv、节理平均间距dp等。岩体结构面越发育，密度越大，间距越小，完整性系数越小，TBM掘进速度就越高。但当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，岩体完整性系数很小，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，已不具备自稳能力，不利于TBM施工。如表2所示。

[0029] 表2 Kv、Jv与岩体完整性的对应关系

[0030]Jv(条/m3) <1 1～3 3～10 10～20 20～35 >35
Kv >0.85 0.85～0.750.75～0.55 0.55～0.450.45～0.25 <0.25
完整程度极完整完整较完整较破碎破碎极破碎

[0031] c)围岩耐磨性和坚硬度

[0032] 采用与岩石单轴抗压强度相关性较好的专用钢针(CAI)，以其针头磨损值Ab的大小表征隧道围岩的耐磨性，并将其划分为五个等级，如表3所示。

[0033] 表3岩石耐磨性等级

[0034]Ab ≥6 6～5 5～4 4～3 <3
耐磨性特强强中等低极低

[0035] 采用由凿击试验测定的凿碎比功a评定岩石的坚硬度，如表4所示。

[0036] 表4岩石凿碎比与坚硬度的对应关系

[0037]凿碎比功a ≥700 690～600590～500490～400390～300290～200<190
坚硬程度极硬很硬较硬硬软较软极软

[0038] d)TBM施工条件下隧道围岩分级

[0039] 表5TBM施工条件下的隧道围岩分级标准

[0040]

[0041]

[0042] 注：A表示“好”；B表示“一般”；C表示“差”。

[0043] e)各风险事件与工程地质水文地质关系表

[0044] 1)围岩大变形：大致可以分为如下几个方面的原因：①遇破碎带；②岩性软弱；③监测不及时；④支护不当；⑤开挖扰动；⑥高地应力；⑦发生膨胀，其中又以岩体破碎和高地应力为最主要的诱发因素。

[0045] 2)塌方：对引起坍塌的各种因素归纳，分析其主要原因如下：

[0046] i.地质因素

[0047] ①隧道穿过断层及其破碎带，开挖后潜在应力释放导致失稳塌方；

[0048] ②隧道通过各种堆积体时，由于结构松散，颗粒间无胶结或胶结差，开挖后引起塌方；

[0049] ③岩层软弱相间或有软弱夹层，在地下水的作用下，软弱面的强度大大降低导致塌方；

[0050] ④地下水的软化、浸泡、侵蚀、溶解作用，加剧岩体的失稳和塌方；

[0051] ⑤围岩比较差，断层或节理面呈楔形状态，构成不利组合，在内应力或地下水的作用下，产生突然塌方。

[0052] ii.施工方法和措施不当

[0053] ①施工方法选择不当或工序间安排不合理，各工序拉的较长，一旦开挖面暴露时间过久，引起围岩松动、风化导致塌方；

[0054] ②喷锚不及时或喷射混凝土质量、厚度不符合要求，锚杆没有达到设计要求的数量及间距，锚杆的拉拔力不满足设计要求；

[0055] ③采用钢支撑时，支撑架设质量欠佳，支撑于围岩不密贴，两者间的空隙填塞不密实或连接不牢固，不能满足围岩压力所需要求；

[0056] ④爆破作业不当，用药量过多。

[0057] iii.其他原因

[0058] ①处理危岩措施不当，引起危岩坠落，牵动岩层坍塌。

[0059] ②隧道危岩的松动范围与隧道跨度成正比，隧道跨度越大，围岩的支护越困难，塌方几率越大。

[0060] 3)岩爆：导致隧道发生岩爆的主要因素有：

[0061] i.地质因素：①隧道埋深较大(高地应力)，②隧道围岩岩体硬质、脆性、较完整；

[0062] ii.施工因素：①岩爆区超前预处理不到位，②超前地质预报不准或未做。

[0063] 4)管片破损：造成TBM隧道管片破损的主要地质因素有：

[0064] i.洞线沿程分部有溶洞、采空区、风华囊、气囊等不良地质；

[0065] ii.洞轴线上岩体岩性差异较大，软硬不均；

[0066] iii.其他因素：①野蛮拼装，②同步注浆不及时，③软木衬垫脱落，转弯管片选型不当。

[0067] 5)有毒有害气体泄漏：TBM隧道施工中常见的有害气体为CO、CH4等易燃、有害气体。地下有毒害气体的成分、浓度及涌出方式等与所处的地层岩行、岩石的矿物成分及地质构造等密切相关。地壳中有些地层含有丰富的石油天然气、煤层瓦斯等气体，这些气体大部分是以甲烷(CH4)为主的气体，同时伴有CO2，H2，N2，H2S，SO2等；因此，生成这些气体的地层岩性是研究的重点。据研究，泥质岩、碳酸盐层、煤质岩是产生这些气体的3大岩类。

[0068] 6)突涌水：涌水事故的发生大致可以分为如下几个方面的原因：①岩体破碎；②地下暗河；③岩溶，其中又以岩体破碎为最主要的诱发因。

[0069] 7)隧道轴线偏差：导致隧道轴线偏差的原因主要体现为：

[0070] i.在隧道轴线方向上地质条件变化无常，引起隧道和TBM机械受力变化；

[0071] ii.在软硬不均地层中掘进；

[0072] iii.洞周存在采空区、溶洞等不良地质，引起局部受力不均。

[0073] f)风险事件与工程地质关系如表6。

[0074] 表6风险事件与工程地质关系

[0075]

[0076]

[0077] (2)复合式TBM隧道施工与周边环境风险分析

[0078] TBM隧道目前广泛应用于铁路、公路、地铁、市政管涵等领域，由于TBM施工对于岩体产生扰动，进而会对周边环境造成一定程度的破坏，同时，为了保护周边环境会对TBM施工提出更高的技术要求，因此，周边环境破坏是TBM施工面临的又一重大风险。主要表现为：

[0079] 表7风险事件与周边环境的关系

[0080]

[0081]

[0082] （3）复合式TBM隧道施工与工程特征风险分析

[0083] TBM隧道施工风险除了与工程地质水文地质及周边环境有密切关系外，还与自身特征相关。

[0084] 表8风险事件与工程特征的关系

[0085]

[0086] 然后，采用故障树分析方法结合第二部的研究成果对复合式TBM隧道施工风险的每个顶事件进行逻辑推理，形成风险树。如图2至图8。

[0087] 本发明主要涉及风险识别方法，该方法以事故调查为基础，运用故障树方法首先确定复合式TBM隧道施工风险故障树的7大顶事件：围岩大变形、塌方、岩爆、管片破损、有毒有害气体泄露、突涌水、隧道轴线偏差；分析了风险事件与工程地质、风险事件与周边环境、风险事件与工程特征之间的关系；并且，结合调查案例中的事故原因，建立风险事件与各风险因素之间的逻辑关系，最终形成复合式TBM隧道施工风险故障树。该风险识别方法具有逻辑性强、理论基础扎实、实际案例支撑的特点，能够促进风险识别理论研究。

[0088] 某隧道工程地层由上而下依次可分为第四系全新统填土层残坡积层和侏罗系中统沙溪庙组(J2s)沉积岩层。根据土、石可挖性分级标准，该段为软石～次坚石，岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。。场区地下水富水性受地形地貌、岩性及裂隙发育程度控制，为大气降水和地面水体渗漏补给，水量大小与降水因素关系密切，受气候和季节性变化较大。起点段邻近水库段以及靠近溪流的里程段(YDK42+400～600)受水体浸润影响存在潜在水位外。该隧道工程最大线路纵坡27‰，最小纵坡为2.0‰，竖曲线半径为3000m和5000m。隧道拱顶埋深为5.9m～30.8m。线路最小平面曲线半径为500m，线间距13m～19.2m。隧道沿线主要为原始构造剥蚀丘陵区，无大的高层建筑，局部下穿中环快速干道以及在下穿灯塔镇时上部修建有低矮的建筑物。管网分布较少，对拟建隧道无影响。

[0089] 根据TBM施工条件下的隧道围岩分级(表5)，对该隧道工程的围岩进行分级，如表9、10所示。

[0090] 表9隧道地质风险一览表

[0091]

[0092] 表10周边环境、工程特征风险一览表

[0093]

[0094] 由上表可知，在砂质泥岩地段掘进时，复合式TBM施工适应性差，风险较大；在较硬质砂岩地段掘进时，复合式TBM施工适应性好；在软质砂岩地段掘进时，复合式TBM施工适应性一般，存在一定风险。且该项目施工条件下的主要风险事件有：围岩大变形、塌方、突涌水、隧道轴线偏差。

[0095] 通过本发明，构建一种TBM施工风险识别方法，可针对工程项目实现快速准确风险识别功能。根据工程项目总体工程地质及水文地质、周边环境、工程特征等能在工程前期对项目总体风险进行识别，利于做出决策。

标题	发布/更新时间	阅读量
隧道掘进机-专利编号CN103299033B	2020-05-12	911
一种隧道掘进机-专利编号CN109505617A	2020-05-12	563
隧道掘进机-专利编号CN104481528A	2020-05-12	1035
一种隧道掘进机-专利编号CN109281675A	2020-05-13	465
一种隧道掘进机-专利编号CN107620595A	2020-05-13	1102
隧道掘进机-专利编号CN103299033A	2020-05-11	360
隧道掘进机-专利编号CN107109938A	2020-05-11	863
隧道掘进机-专利编号CN107109938B	2020-05-11	342
隧道掘进机-专利编号CN107407147B	2020-05-12	969
隧道掘进机-专利编号CN107407147A	2020-05-11	1069

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