Development and Application of Dual-structure TBM for Complex and Changeable Geological Tunnels
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摘要: 西南艰险山区隧道建设面临着高原高寒、地形高差大、地质条件复杂等方面严峻挑战，应用全断面隧道掘进机（TBM）是高效建成隧道的有效途径之一，但常规TBM已无法满足复杂地质多变隧道施工要求。为保障TBM安全、高效施工，提出了一种适应极端复杂地质环境的新型双结构TBM。通过对复杂地质条件下TBM工程研究与实践，首先，探讨了不良地质下不同机型TBM的适应性，分析敞开式TBM在高地应力岩爆地层、节理密集带及蚀变岩地层下隧道变形机理；其次，针对岩爆、破碎及节理密集带地层敞开式TBM施工痛点，基于常规敞开式TBM结构，开展预留超前地质预报接口、主机结构增强、强化支护能力和清渣能力、超前释放地应力、安全防护措施、防卡机及脱困等设计，针对单一结构形式TBM面对复杂地质的局限性，建立常规地质“网–喷–锚”敞开支护和不良地质“钢管片–辅推”封闭支护的双结构支护体系；最后，依托于西南某铁路隧道项目，结合双结构TBM现场应用情况，评价双结构TBM在不良地质条件下的适应性，现场整体掘进率表明，双结构TBM在地质多变隧道施工应用效果良好，对于解决在复杂地质条件下TBM施工有一定的借鉴意义。Abstract: Southwest arduous mountain tunnel construction faces severe challenges in terms of plateau alpine, large terrain height difference, complex geological conditions, etc. The application of a full-section tunnel boring machine (TBM) is one of the effective ways to efficiently complete the Sichuan-Tibet Railway tunnel, but the conventional TBM can no longer meet the complex geological and variable tunnel construction requirements. To ensure the safe and efficient construction of TBMs, a new dual-structure TBM was proposed to adapt to the extremely complex geological environment. Through the research and practice of TBM engineering under complex geological conditions, firstly, the adaptability of different models of TBMs under adverse geological conditions was discussed, and the tunnel deformation mechanism of open type TBMs under high ground stress rock explosion stratum, dense zone of joints and altered rock stratum was analyzed in depth; furthermore, based on the conventional open TBM structure, a series of innovative designs have been developed, such as advance geological forecasting interface, mainframe structure enhancement, reinforced support capability and slag removal capability, advance ground stress release, safety protection measures, anti-seize, and extrication, etc. In view of the limitations of single-structure TBM in facing complex geology, a conventional geological "net-spray-anchor" design has been established. Finally, based on the Sejila Mountain project, we evaluated the adaptability of dual-structure TBMs in poor geological conditions by combining the application of dual-structure TBMs in the field. Finally, based on the Sejila Mountain project, we evaluated the adaptability of dual-structure TBMs in adverse geological conditions, and the overall tunneling rate results in the field showed that the dual-structure TBM was effective in the construction of geologically variable tunnels.
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TBM（tunnel boring machine）是集掘进、支护、出渣工序为一体、最为先进的岩石隧道施工装备，具有掘进效率快、安全性高、适应长距离掘进等优点。TBM工法自20世纪在中国云南洱河水电站引水隧洞[1]、西康秦岭隧道[2]、引大入秦输水隧洞[3]等初步应用以来，中国TBM自主设计研发有了井喷式发展，已成功应用于吉林引松供水工程[4]、大瑞铁路高黎贡山隧道[5]、新疆ABH输水隧洞[6]等隧道建设。随着中西部交通网建设需求，隧道建设正在向地形及地质条件更复杂的西部地区转移，具有复杂地质的西南某铁路工程建设也随之启动[7]，岩爆、大变形、极破碎等将会给TBM施工带来巨大挑战[8-10]。因此，设计研发具备极端环境适应能力的特殊TBM装备是非常有必要的。
近年来，国内外众多学者和技术专家对地质多变TBM施工方面进行了大量的研究，杜闯东等[11]为提升TBM在地质条件复杂、超长隧道开挖的适应性，充分调研了各方研究结果，综合分析了艰险山区铁路TBM选型的合理性。陈花顺等[12]针对复杂地质隧道提出了TBM选型原则，并对隧道断面进行设计，确定了TBM的开挖直径。Grandori[13]分析了复杂条件下传统大直径TBM开挖时局限性问题，并开发出了针对性TBM机型。鲁义强等[14]针对高应力下TBM易发生卡机事故，对护盾长度和推力进行计算，并进行工程验证，证明了计算的合理性，为地质复杂环境TBM盾体设计提供重要依据。Bo等[15]利用CatBoost和SMBO混合模型方法对松花江引水隧道TBM施工进行地质灾害监测，实现了预报岩爆发生的精确判断。Ayawah等[16]基于机器学习对TBM超前探测及识别岩土类型进行预测分析且得到显著进展。Feng等[17]以巴基斯坦尼卢姆–杰卢姆水电工程为实例，揭示了岩爆发育过程中随时间演化规律，对后续开挖隧道发生岩爆进行预警。洪开荣等[18-19]对TBM装备进行改进，通过对刀盘适应性设计、超前地质预报技术的研究，提高复杂地质条件下TBM的适应性。Han等[20] 统计工程实例岩爆数据，总结不同岩爆等级TBM施工方法。邓青力[21]通过对节理密集带地层进行研究，采用超前支护、超前注浆和对围岩补浆加固等方法，使TBM的掘进得到良好改善。沙明远等[22]探究了TBM通过软弱围岩掘进参数变化规律，结合工程实际给出了在围岩坍塌导致卡机时的处理措施。尚彦军等[23]针对昆明上公山隧道数次发生卡机事故，开展了护盾变形研究及卡机处理对策。洪开荣等[24]对断层破碎带、软硬岩等复杂地质条件下TBM施工关键技术进行探究与论述。李国良等[25]针对TBM在高地应力硬岩岩爆地质中的掘进提前防控关键技术，提出了成套的设计方案。王彦杰等[26]研究了TBM在西南山区铁路隧道施工中应对不良地质适应性问题，并提出了面对不良地质施工措施及建议。Lin等[27]探究了断层破碎带影响TBM卡机的可能性，对复杂地形TBM施工提出了处理措施及建议。
综上所述，许多学者对复杂地质条件下TBM的选型、结构优化及施工技术进行了研究，但缺乏针对高地应力、断层破碎带不良地质[28]TBM创新性设计研究，且在此方面尚未形成系统性成果。因此，本文依托西南某铁路隧道项目，从结构创新及优化、设备配置、施工措施等方面对双结构TBM应对极端不良地质条件进行针对性设计，评价双结构TBM工程应用效果及适应性，为复杂地质条件下TBM设计提供参考，提高TBM在不良地质条件下的适应性，降低工程风险。
1. 复杂地质条件下TBM适应性分析
岩爆、断层破碎带、节理密集带等不利因素的地质条件下，对山岭隧道建设和TBM适应性提出了较高的要求。复杂的地质条件大大降低了TBM的掘进效率，甚至有卡机的风险[29-30]。因此，合理地选择TBM机型是顺利修建复杂地质隧道的关键因素之一。
1.1 TBM选型
目前TBM分为敞开式TBM和护盾式TBM。针对复杂地层不同机型TBM可靠性和经济性存在较大差异，尤其是西南地区铁路地质多变的隧道工程，地质勘察任务很难开展，存在着岩爆、断层带及大变形等重大风险。因此，TBM选型得当可有效缩短工期、降低施工风险、节约成本；反之，若选型不恰当则会延长工期、提高工程造价、增加事故频率。
在复杂地层掘进中护盾式TBM具有安全性、稳定性的特点，但由于其护盾较长,遇到不良地质层时进尺困难、被卡被困的风险极大，且处理难度高[31-33]。相较于护盾式TBM，敞开式TBM不易被卡，在实施超前处理及卡机脱困时较容易，且成本较低。经过专家及业内人士对西南某铁路隧道地质的特点进行多轮评审，建议西南某铁路工程隧道施工一般采用敞开式TBM[11]。然而，敞开式TBM在通过断层破碎带时，撑靴撑起会导致破碎围岩塌方，使开挖时撑靴出现打滑现象，从而影响正常掘进，遇岩爆地段，崩塌围岩碎渣会落在TBM底部，导致积渣严重，其底部落渣及撑靴塌腔情况如图1、2所示。
图 1 TBM底部落渣Fig. 1 Slag falling from the bottom of TBM
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图 2 撑靴塌腔Fig. 2 Collapsing cavity of support shoe下载:
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1.2 敞开式TBM隧道变形机理
为研究在复杂地质条件下敞开式TBM掘进对围岩的影响，对不良地质条件下敞开式TBM隧道变形进行机理分析。高地应力岩爆地层、节理密集带及蚀变岩均可引起隧道较大变形，但其变形原因和过程不尽相同，分析如下：
1）高地应力岩爆地层致使隧道变形
高地应力岩爆段地层隧道变形在护盾内部和盾尾区域按空间位置和岩爆等级先后分为6个阶段，见表1。需要指出的是，现有敞开式TBM法隧道应对岩爆的施工方法以被动防护为主，掘进一定进尺后停机；等待岩爆发生后，把岩爆产生的破碎围岩通过加强支护处理。高地应力下硬岩岩爆能量等级高，TBM施工过程不同位置不同时间发生的岩爆产生的碎裂岩块会强烈冲击护盾、钢筋排、钢拱架等各个部位；这种强烈动力冲击对设备、支护等的力学性能、结构承载能力的劣化影响不容忽视。
表 1 敞开式TBM在岩爆地层隧道变形阶段Table 1 Deformation stage of open TBM tunnel in rockburst formation阶段 特征 表现过程 第1阶段：岩爆冲击主机区域形成破碎岩块 TBM刀盘开挖岩爆地层后，无法实现及时支护区域，诱发围岩发生岩爆形成破碎岩体，填满护盾与围岩间的空隙，隧道成形轮廓内收。 
第2阶段：高等级岩爆冲击导致护盾或盾尾破坏 护盾外侧部分岩爆能量等级高，冲击力强，当岩爆冲击力及围岩碎块重力超过护盾承受极限时，引起护盾收缩或盾尾变形。 
第3阶段：岩爆产生的破碎围岩导致盾尾支护变形 岩爆形成的大量围岩碎块脱出盾尾，大量掉落挤压钢筋排，引起钢筋排内弯变形，使隧道内净空继续内收变形减小。 
第4阶段：钢筋排弯曲变形后侵占拱架径向安装空间 钢筋排弯曲变形后，侵占了拱架原设计安装空间，安装拱架时无法将变形后的钢筋排顶回原位，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。 
第5阶段：岩爆碎裂围岩致使钢筋排弯曲变形 岩爆冲击波碎裂围岩，造成钢筋排外侧围岩形成大量岩块崩落，挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当其重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内收变形。 
第6阶段：滞后性岩爆冲击
破坏钢筋排+钢拱架支护
结构在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时发生滞后性岩爆，强烈的冲击波引起钢筋排及钢拱架结构过载而出现大幅内收扭曲变形，侵入隧道净空，初支结构被破坏。 
2）节理密集带、蚀变岩地层隧道变形
节理密集带、蚀变岩地层围岩结构松散、破碎，自稳能力差，此类地层中隧道变形按时间先后分为6个阶段，见表2。
表 2 敞开式TBM在节理密集带、蚀变岩地层隧道变形阶段Table 2 Deformation stage of open TBM tunnel in joint dense zone and altered rock stratum阶段 特征 表现过程 第1阶段：围岩失稳坍塌导致隧道收敛变形
节理密集带、蚀变岩地层围岩自稳能力差，TBM开挖后，护盾外侧与围岩间存在空隙，围岩随着TBM的掘进而塌落，填充护盾外侧与围岩之间的空隙，导致隧道成形轮廓内收。 
第2阶段：破碎围岩重量超过护盾承载极限导致护盾
收缩或盾尾变形围岩持续塌落形成大量岩渣落在护盾上，当岩块重量超过护盾承载极限后引起护盾收缩或盾尾变形，隧道内净空减少。 
第3阶段：盾尾岩渣脱出挤压致使钢筋排弯曲变形 随着TBM持续掘进，大量塌落的岩渣脱出护盾后，落在钢筋排上。当岩渣重量超过钢筋排承载极限后，引起钢筋排内弯变形。 
第4阶段：钢筋排弯曲变形造成拱架径向安装侵限 钢筋排内弯变形后，侵占了拱架原设计径向安装空间，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。 
第5阶段：破碎围岩失稳坍塌致使钢筋排弯曲变形
围岩失稳坍塌后，大量松散岩渣挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当松散岩渣重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内弯变形。 
第6阶段：围岩在初支封闭成环或达到设计强度之前
松弛变形在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时，松散围岩引起围岩进一步松弛变形，造成钢筋排+钢拱架初支结构进一步下沉、收敛变形。 
通过对敞开式TBM复杂地质下隧道变形机理分析，在地质多变的隧道，遇岩爆、节理密集带、蚀变岩地层施工时，围岩会处于一个不稳定状态使出现大范围掉渣、坍塌等现象，导致隧道收敛变形、围岩轮廓收缩，从而引起TBM护盾严重变形、支护结构破坏，大大降低施工效率。在穿越地质多变地带中，如何提升掘进效率，保证设备及人员安全成为了亟待解决的问题。因此，需开展TBM设计创新，以提高TBM在岩爆、破碎及节理密集带适应性。
2. 双结构TBM功能结构
为提高敞开式TBM在不良地质条件下的适应性，对敞开式TBM进行优化改进，本文提出一种新型双结构TBM，即在敞开式TBM基础上增加管片支护和辅助推进功能，使其能够有效的应对不同的地质条件，实现在复杂地质下高效掘进。双结构TBM结构如图3所示。
图 3 双结构TBM结构Fig. 3 Dual structure TBM structure下载:
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双结构TBM工作机制为：岩爆段掘进时，安装管片为作业人员和设备提供防护；遇断层或软弱围岩导致撑靴打滑无法提供支撑反力时，通过安装管片支撑提供推反力，实现推力转换；遇破碎段掘进时，安装管片或型钢骨架及时封闭围岩，减少清渣量。在地质条件良好时，双结构TBM主机区采用“钢拱架+钢筋排+锚杆”支护；在遇较长距离的破碎、软岩、岩爆地质时，通过模式转换，在主机区安装管片或型钢骨架支护，提高不良地质适应性。双结构管片实物如图4所示。
图 4 管片实物Fig. 4 Physical of segment下载:
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双结构TBM主机区支护集成设计如图5所示。图5中，在主机区设置拱架/管片拼装机，既进行钢拱架安装，以及进行管片或型钢骨架安装。该装置一方面设置拱架安装所需的撑紧装置，另一方面设置有管片抓举装置，通过齿轮齿圈驱动实现管片回转。在分块盾体周边沿隧道轴线布置多组辅助推进油缸，利用已安装管片提供推进反力，此时主推进油缸处于随动状态，不提供推进力。双结构TBM在撑靴前设置超前钻机，在隧道顶部通过根管钻进并配合超前注浆实现管棚支护作业，同时该钻机通过超前钻孔实现超前地质探测。
图 5 双结构TBM主机区集成设计1. 应急混喷系统；2. 锚杆钻机系统；3. 超前钻机系统；4. 撑靴；5. 管片抓举装置Fig. 5 Integrated design of dual-structure TBM host area下载:
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3. 复杂地层双结构TBM设计
3.1 针对岩爆地层
西南某铁路隧道项目属于高海拔施工，TBM掘进段存在岩爆、破碎带、节理密集带、高地温等地质风险与作业环境。为实现TBM安全快速掘进，顺利通过不良地质段，对岩爆地层施工进行针对性设计，其设计流程如图6所示。
图 6 双结构TBM针对岩爆设计流程Fig. 6 Design process of dual-structure TBM for rock burst下载:
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3.1.1 超前地质预报
根据隧道掘进实际情况，在TBM设备的主控室处预留集成微震监测系统接口，通过持续监测岩爆孕育过程岩体破裂而产生的弹性波，对岩石工程动力型灾害进行24 h不间断监测，监测范围为掌子面前10 m内，实现随掘、随探、随报。
3.1.2 增强主机结构强度
选择ANSYS作为本次有限元计算模型，设置单元为20 mm，选择自由网格划分模式，共划分四面体单元28 800 745个，刀盘所用材料为Q355D钢板。有限元模型采用的材料参数为：弹性模量2.0 e11Pa，泊松比0.3，密度7850 kg/m3，约束刀盘法兰连接面的全部自由度作为位移边界条件线膨胀系数1.2 e–5。
双结构TBM刀盘面板采用特制270 mm锻造钢板，一般刀盘普遍采用120 mm及以下的钢板焊接而成，会导致刀盘应力集中、变形、开裂，不同厚度和制造工艺的刀盘面板变形量和应力差异较大，通过有限元分析结果显示，同等载荷下，120 mm钢板刀盘最大应力及变形分别是270 mm锻造厚度刀盘的2倍、3倍，充分说明270 mm锻造厚度刀盘具有明显优势。有限元仿真云图如图7、8所示，两种厚度刀盘有限元计算对比见表3。
图 7 270 mm锻造厚板刀盘应力及变形云图Fig. 7 Cloud diagram of stress and deformation of 270 mm forged thick plate cutter head下载:
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图 8 120 mm钢板刀盘应力及变形云图Fig. 8 Cloud map of stress and deformation of 120 mm cutter head下载:
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表 3 120 mm钢板刀盘与270 mm锻造厚板刀盘有限元计算对比Table 3 120 mm steel plate cutter head and 270 mm forged thick plate cutter head finite element calculation comparison对比项 最大应力/MPa 最大变形/mm 120 mm钢板刀盘 94.5 0.82 270 mm锻造刀盘 47.0 0.25 由表3可知，不同的刀盘面板厚度和制造工艺其变形量和应力是不同的，因此，提高刀盘面板厚度并优化制造工艺，能够有效的提高刀盘的耐磨性，降低刀盘应力，延长刀盘寿命，抗岩爆性能更好。
目前，主轴承较多采用单排主推滚子轴承，针对工程长距离、硬岩掘进的特点，将单排主推滚子轴承优化为双排主推滚子轴承，该形式的轴承承载能力强，抗冲击性能更优。
3.1.3 强化主机区支护能力
1）钢拱架+钢筋排
结合引汉济渭工程，借鉴TBM采用“钢筋排+钢拱架”支护方式穿越岩爆地质经验，双结构TBM强化钢拱架安装器能力满足H200钢拱架安装；护盾尾部安装钢筋排存储槽，并增加钢筋排安装范围，由拱顶120°增加至250°，钢筋排存储槽及钢排支护效果如图9所示。
图 9 钢筋排存储槽及钢筋排支护效果Fig. 9 Rebar row storage slot and reinforcement effect of reinforcement row support下载:
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2）配置管片拼装装置
钢拱架/管片拼装装置采用液压驱动，具备钢拱架及钢管片（或型钢骨架）拼装功能。地质良好情况安装钢拱架；遇强岩爆地层，在盾体保护下安装管片，为作业人员提供防护，同时，提高了支护及掘进效率，减少清渣工作量。钢拱架/管片一体模型如图10所示。
图 10 钢拱架/管片拼装一体装置Fig. 10 Steel arch/segment assembly integrated device下载:
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3.1.4 安全防护措施及超前释放地应力
1）滚刀防护
刀盘在掘进时会对滚刀造成冲击，降低滚刀的使用寿命。为了防止滚刀受损，设计滚刀保护块，降低刀盘旋转过程中大块岩石对滚刀的冲击，防止滚刀遭到破坏。滚刀防护块如图11所示。
图 11 滚刀防护块Fig. 11 Reel guard下载:
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2）油缸防护
若发生等级较高岩爆现象，护盾油缸会遭到破坏。为了不影响岩爆地层中TBM掘进效率，在顶护盾设置多组油缸，且在顶护盾与驱动箱之间增加机械限位，降低岩爆对护盾油缸的冲击破坏。
3）超前释放地应力
为了降低TBM掘进区域地应力，削弱岩爆发生等级和风险，采用TBM潜藏式水锤超前钻机超前钻孔、掌子面喷水及出露围岩喷水释放地应力。
3.2 应对破碎、节理密集带
结合敞开式TBM在破碎、节理密集带等地质应用情况，针对复杂地质强化敞开式TBM初期支护能力、加强脱困能力设计、强化清渣系统、并结合其它辅助措施，综合提高双结滚刀构TBM在破碎、节理密集带地层的适应性。针对断层节理密集带设计如图12所示。
图 12 针对断层、节理密集带双结构TBM设计流程Fig. 12 Dual structure TBM design process for faulted and jointed dense zones下载:
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3.2.1 集成超前地质预报
预留集成超前地质探测系统接口，在TBM设备搭载了超前预报系统，该系统集成激发极化仪与地震仪，实现了前方30 m内的富水地层精确探测、前方130 m不良地层的3维成像及定位。通过该系统对TBM前方的不良地层进行超前预报，提前做好针对性措施。
3.2.2 强化支护
1）增配快速模筑混凝土装置
敞开式TBM撑靴处遇断层、节理密集带引起局部塌腔时，撑靴无法撑紧岩壁，无法为刀盘提供推进反力。常规设备需人工安装木模板，注浆加固后TBM掘进通过，该方式掘进效率低。针对这种情况，采用双结构TBM模板快速安装装置，在破碎地层辅助完成快速模板安装，配合注浆系统，完成岩壁模筑作业。模筑设计如图13所示，模筑装置实物如图14所示。
图 13 模筑设计Fig. 13 Formwork scheme design下载:
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图 14 模筑装置实物Fig. 14 Physical drawing of the mould device下载:
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2）应急喷混系统
针对软弱破碎带地层TBM适应差的难题，在TBM主机区域配置应急混喷系统，应急混凝土喷射机械手集成在钢拱架操作平台上，圆周方向喷浆范围为260°，相对岩壁距离喷嘴具有可调节性。遇断层破碎带地层时，围岩一旦出盾体，即可进行喷浆封闭围岩，降低破碎岩层的坍塌，实现及时支护，复杂地质下安全掘进。应急混喷机械手现场应用如图15所示。
图 15 应急混喷浆机械手现场应用Fig. 15 Field application of shotcrete manipulator下载:
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3.2.3 防卡机及脱困针对性设计
1）刀盘扩挖
对刀盘增加了扩挖功能，在破碎地层时避免护盾与围岩相接触，从而降低卡机风险，减少破碎围岩侵空。
2）辅助推进系统
避免在不良地质条件下TBM出现卡机现象，对敞开式TBM盾体结构内安装多组辅推油缸。采用管片支护应对破碎地层，辅推油缸撑紧管片进行掘进，降低卡盾风险，盾体辅助推进方案设计如图16所示。
图 16 盾体辅助推进方案Fig. 16 Shield auxiliary propulsion scheme下载:
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3）选配双速减速机
对双结构TBM增加双速减速机，与电液双驱脱困相比，具有脱困扭矩大、操作便捷、可长时间脱困模式掘进的优点。
3.2.4 TBM清渣系统
清渣工作是施工作业的重要组成部分，尤其是不良地质时，清渣工作占用大量掘进时间。以往对TBM设备进行人工清渣效率低、劳动强度大，尤其对于高海拔区域，因此，对双结构TBM进行优化设计：主梁内部设置清渣皮带，将掉落在主梁内部的渣土运出主梁，避免人工进入主梁进行清渣；仰拱块安装区域配置清渣机械臂；设备桥处布置清渣皮带机，皮带机采用“人字”胶带，将隧道底部渣土提升至设备桥上部平台，输送到后配套皮带机。
3.2.5 配置潜孔式水锤钻机
与传统顶锤式超前钻机相比，冲击动力前置在长距离钻孔时能量损失小、凿岩效率高。护盾预留有斜向和水平钻孔位，在不良地层情况下可实现超前钻孔及管棚支护，管棚支护作业如图17所示，超前钻孔作业如图18所示。
图 17 管棚支护作业Fig. 17 Pipe shed support operation下载:
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图 18 TBM超前钻孔作业Fig. 18 TBM over-drilling operation下载:
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4. 双结构TBM工程应用
4.1 工程概况
西南某铁路隧道位于高原东南部林芝市境内，隧道全长37.965 km。设计采用4台TBM+钻爆法联合施工方案，隧道最大埋深约1 700 m，该隧道最大水平主应力为6.81～45.52 MPa。运用双结构TBM在林芝巴宜区鲁朗镇东久村境内，与鲁朗车站桥顺接CZXZZQ-2标段，其地理位置如图19所示。
图 19 铁路隧道施工标段地理位置Fig. 19 Location of railroad tunnel construction bidding section下载:
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TBM施工标段地层主要是花岗岩、片麻岩等。隧道有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ级围岩，其中主要以Ⅲ围岩等级为主，占施工隧道里程64.36%。
4.2 施工情况
在掘进过程中，双结构TBM遇到断层、节理密集带地质条件时，撑靴区域的岩石有坍塌、空腔现象，导致撑靴无法支撑洞壁为刀盘提供反作用力，为此，现场通过采用主机区快速混凝土模筑装置，提高施工效率，设备模筑效果如图20所示；轻微岩爆下积渣严重，在仰拱块安装区域配置清渣机械臂，将渣石倒入清渣皮带机上实现清渣，现场清渣机械臂工作情况如图21所示；现场初期支护采用钢筋排+钢筋网+钢拱架的方式，在通过不良地质时使用管片，可以有效地节约施工成本，支护效果如图22所示。
图 20 模筑使用效果Fig. 20 Effect of the use of the mold下载:
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图 21 清渣机械臂工作情况Fig. 21 Working of the slag removal robot arm下载:
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图 22 双结构TBM支护效果Fig. 22 Effect of double-structure TBM support下载:
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2021年9月高原高寒大直径双结构TBM“雪域先锋号”开始正式掘进，根据双结构TBM应对高原高寒、复杂地质条件下掘进情况，进行为期70 d的现场跟进，在10月的19 d内累计进尺188.88 m（当月最高日进尺22.75 m），11月累计进尺443.9 m（当月最高日进尺29.19 m），12月的20 d内累计进尺367.17 m（最高日进尺为25.72 m）。
统计双结构TBM的掘进时间、换步时间、支护时间、正常维保时间及故障停机时间，计算各工序时间与总施工时间之间的百分比，得到双结构TBM掘进时间及各种原因停机时间占比，如图23所示。
图 23 TBM整体掘进利用率Fig. 23 TBM overall driving utilization rate下载:
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由图23可知：双结构TBM掘进时间总体上处于较高水平，占比为33%；换步时间、TBM故障及正常维保时间占比较小，支护作业停机时间占比较高，为25%。主要原因是该项目隧洞的地质环境较差，小岩爆、断层及节理密集带区域较多，需用大量的时间投入支护作业。
5. 结 论
本文研究了新型双结构TBM在复杂地质条件的设计与应用，得到以下结论：
1）通过对在不同地质条件下，敞开式TBM和护盾式TBM掘进情况进行对比分析，推荐在复杂地层下使用敞开式TBM；并对在复杂地层下隧道变形机理研究，表明单一结构形式面对复杂地质有一定的局限性，从而研发新型双结构TBM。
2）针对复杂地质的高应力特点，双结构TBM应对岩爆地层进行了设计，在传统敞开式TBM上，增强支护能力，增加管片安装功能、设置应急混喷系统及增强刀盘结构等，提高了双结构TBM在岩爆地层的适应性及通过性；双结构TBM应对破碎、节理密集带进行了针对性设计，增配快速模筑混凝土装置、辅助推进油缸、刀盘扩挖及TBM清渣系统等，解决了在断层、节理密集地层中双结构TBM卡机、撑靴打滑及清渣困难等问题。
3）结合西南某铁路隧道工程双结构TBM应用情况，统计TBM的掘进时间及其他原因停机时间与总施工时间的百分比，得到TBM掘进时间占比为33%，因此，在不良地质条件下，双结构TBM具有降低成本、提高进度及安全优势，且在地质多变隧道施工有着良好的适应能力。双结构TBM的成功应用对促进中西部发展和西部经济快速增长具有长远意义。
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图 1 TBM底部落渣
Fig. 1 Slag falling from the bottom of TBM
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图 2 撑靴塌腔
Fig. 2 Collapsing cavity of support shoe
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图 3 双结构TBM结构
Fig. 3 Dual structure TBM structure
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图 4 管片实物
Fig. 4 Physical of segment
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图 5 双结构TBM主机区集成设计
1. 应急混喷系统；2. 锚杆钻机系统；3. 超前钻机系统；4. 撑靴；5. 管片抓举装置
Fig. 5 Integrated design of dual-structure TBM host area
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图 6 双结构TBM针对岩爆设计流程
Fig. 6 Design process of dual-structure TBM for rock burst
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图 7 270 mm锻造厚板刀盘应力及变形云图
Fig. 7 Cloud diagram of stress and deformation of 270 mm forged thick plate cutter head
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图 8 120 mm钢板刀盘应力及变形云图
Fig. 8 Cloud map of stress and deformation of 120 mm cutter head
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图 9 钢筋排存储槽及钢筋排支护效果
Fig. 9 Rebar row storage slot and reinforcement effect of reinforcement row support
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图 10 钢拱架/管片拼装一体装置
Fig. 10 Steel arch/segment assembly integrated device
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图 11 滚刀防护块
Fig. 11 Reel guard
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图 12 针对断层、节理密集带双结构TBM设计流程
Fig. 12 Dual structure TBM design process for faulted and jointed dense zones
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图 13 模筑设计
Fig. 13 Formwork scheme design
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图 14 模筑装置实物
Fig. 14 Physical drawing of the mould device
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图 15 应急混喷浆机械手现场应用
Fig. 15 Field application of shotcrete manipulator
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图 16 盾体辅助推进方案
Fig. 16 Shield auxiliary propulsion scheme
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图 17 管棚支护作业
Fig. 17 Pipe shed support operation
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图 18 TBM超前钻孔作业
Fig. 18 TBM over-drilling operation
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图 19 铁路隧道施工标段地理位置
Fig. 19 Location of railroad tunnel construction bidding section
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图 20 模筑使用效果
Fig. 20 Effect of the use of the mold
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图 21 清渣机械臂工作情况
Fig. 21 Working of the slag removal robot arm
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图 22 双结构TBM支护效果
Fig. 22 Effect of double-structure TBM support
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图 23 TBM整体掘进利用率
Fig. 23 TBM overall driving utilization rate
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表 1 敞开式TBM在岩爆地层隧道变形阶段
Table 1 Deformation stage of open TBM tunnel in rockburst formation
阶段 特征 表现过程 第1阶段：岩爆冲击主机区域形成破碎岩块 TBM刀盘开挖岩爆地层后，无法实现及时支护区域，诱发围岩发生岩爆形成破碎岩体，填满护盾与围岩间的空隙，隧道成形轮廓内收。
第2阶段：高等级岩爆冲击导致护盾或盾尾破坏 护盾外侧部分岩爆能量等级高，冲击力强，当岩爆冲击力及围岩碎块重力超过护盾承受极限时，引起护盾收缩或盾尾变形。
第3阶段：岩爆产生的破碎围岩导致盾尾支护变形 岩爆形成的大量围岩碎块脱出盾尾，大量掉落挤压钢筋排，引起钢筋排内弯变形，使隧道内净空继续内收变形减小。
第4阶段：钢筋排弯曲变形后侵占拱架径向安装空间 钢筋排弯曲变形后，侵占了拱架原设计安装空间，安装拱架时无法将变形后的钢筋排顶回原位，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。
第5阶段：岩爆碎裂围岩致使钢筋排弯曲变形 岩爆冲击波碎裂围岩，造成钢筋排外侧围岩形成大量岩块崩落，挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当其重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内收变形。
第6阶段：滞后性岩爆冲击
破坏钢筋排+钢拱架支护
结构在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时发生滞后性岩爆，强烈的冲击波引起钢筋排及钢拱架结构过载而出现大幅内收扭曲变形，侵入隧道净空，初支结构被破坏。
表 2 敞开式TBM在节理密集带、蚀变岩地层隧道变形阶段
Table 2 Deformation stage of open TBM tunnel in joint dense zone and altered rock stratum
阶段 特征 表现过程 第1阶段：围岩失稳坍塌导致隧道收敛变形
节理密集带、蚀变岩地层围岩自稳能力差，TBM开挖后，护盾外侧与围岩间存在空隙，围岩随着TBM的掘进而塌落，填充护盾外侧与围岩之间的空隙，导致隧道成形轮廓内收。
第2阶段：破碎围岩重量超过护盾承载极限导致护盾
收缩或盾尾变形围岩持续塌落形成大量岩渣落在护盾上，当岩块重量超过护盾承载极限后引起护盾收缩或盾尾变形，隧道内净空减少。
第3阶段：盾尾岩渣脱出挤压致使钢筋排弯曲变形 随着TBM持续掘进，大量塌落的岩渣脱出护盾后，落在钢筋排上。当岩渣重量超过钢筋排承载极限后，引起钢筋排内弯变形。
第4阶段：钢筋排弯曲变形造成拱架径向安装侵限 钢筋排内弯变形后，侵占了拱架原设计径向安装空间，造成钢拱架安装不到设计径向位置，进一步减小隧道内净空。
第5阶段：破碎围岩失稳坍塌致使钢筋排弯曲变形
围岩失稳坍塌后，大量松散岩渣挤压钢筋排+钢拱架支护结构，当松散岩渣重量超过钢筋排承载能力极限后引起钢拱架之间的钢筋排内弯变形。
第6阶段：围岩在初支封闭成环或达到设计强度之前
松弛变形在喷射混凝土进行封闭成环或喷射混凝土强度还未达到设计值时，松散围岩引起围岩进一步松弛变形，造成钢筋排+钢拱架初支结构进一步下沉、收敛变形。
表 3 120 mm钢板刀盘与270 mm锻造厚板刀盘有限元计算对比
Table 3 120 mm steel plate cutter head and 270 mm forged thick plate cutter head finite element calculation comparison
对比项 最大应力/MPa 最大变形/mm 120 mm钢板刀盘 94.5 0.82 270 mm锻造刀盘 47.0 0.25 -
[1] 陈晓东,陈居乾.我国20世纪TBM设备研制及其工程应用[J].水利规划与设计,2019(1):68–73. doi: 10.3969/j.issn.1672-2469.2019.01.019 Chen Xiaodong,Chen Juqian.Development and engineering application of TBM equipment in China in the 20 th century[J].Water Resources Planning and Design,2019(1):68–73 doi: 10.3969/j.issn.1672-2469.2019.01.019 [2] 李典璜,阎启汉.西康线秦岭特长隧道TBM施工情况及问题探讨[J].世界隧道,1999,36(1):31–35. doi: 10.13807/j.cnki.mtt.1999.01.007 Li Dianhuang,Yan Qihan.TBM construction in Qinling tunnel on Xikang railway line[J].Modern Tunnelling Technology,1999,36(1):31–35 doi: 10.13807/j.cnki.mtt.1999.01.007 [3] 莫耀升,张豫生.TBM在引大入秦30A隧洞中的应用[J].世界隧道,1999,36(4):24–36. doi: 10.13807/j.cnki.mtt.1999.04.006 Mo Yaosheng,Zhang Yusheng.Application of TBM to the 30A tunnel of yindaruqin project[J].Modern Tunnelling Technology,1999,36(4):24–36 doi: 10.13807/j.cnki.mtt.1999.04.006 [4] Wang Haijun.Application of stepping without load technology of open TBM to Songhua River water diversion project[J].Tunnel Construction,2019,39(9):1500–1506. doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2019.09.015DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2019.09.015 [5] 王亚锋,曾劲,蒋佳运.高黎贡山隧道敞开式TBM穿越高压富水软弱破碎蚀变构造带施工技术[J].隧道建设,2021,41(3):449–457. doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.03.014 Wang Yafeng,Zeng Jin,Jiang Jiayun.Construction technology of open TBM in Gaoligongshan tunnel crossing a high-pressure water-rich weak-fracture altered structural belt[J].Tunnel Construction,2021,41(3):449–457 doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.03.014 [6] 洪开荣.超长深埋高地应力TBM隧道修建关键技术[J].铁道学报,2022,44(3):1–23. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2022.03.001 Hong Kairong.Key technology for construction of ultra-long and deep-buried TBM tunnels with high geostress[J].Journal of the China Railway Society,2022,44(3):1–23 doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2022.03.001 [7] 谢和平,张茹,任利,等.复杂艰险山区深埋隧道围岩灾变分析与思考[J].工程科学与技术,2022,54(2):1–20. doi: 10.15961/j.jsuese.202101178 Xie Heping,Zhang Ru,Ren Li,et al.Analysis and thoughts on surrounding rock mass catastrophe of deep-buried tunnels in extremely complex high mountain areas[J].Advanced Engineering Sciences,2022,54(2):1–20 doi: 10.15961/j.jsuese.202101178 [8] 房敦敏,刘宁,张传庆,等.高地应力区大直径TBM掘进岩爆风险控制[J].岩石力学与工程学报,2013,32(10):2100–2107. Fang Dunmin,Liu Ning,Zhang Chuanqing,et al.Rockburst risk control for large diameter tbm boring in high geostress region[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2013,32(10):2100–2107 [9] 王亚锋.高黎贡山隧道TBM不良地质条件下卡机脱困施工关键技术[J].隧道建设,2021,41(3):441–448. doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.03.013 Wang Yafeng.Key technologies for TBM jamming release of Gaoligongshan tunnel under unfavorable geologies[J].Tunnel Construction,2021,41(3):441–448 doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.03.013 [10] 龚秋明,王瑜,卢建炜,等.基于对TBM隧道施工影响的断层带初步分级[J].铁道学报,2021,43(9):153–159. doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2021.09.020 Gong Qiuming,Wang Yu,Lu Jianwei,et al.Preliminary classification of fault zone based on fault zone influence on TBM tunnel construction[J].Journal of the China Railway Society,2021,43(9):153–159 doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2021.09.020 [11] 杜闯东,周路军,朵生君,等.川藏铁路隧道TBM适应性选型分析及不良地质对策与思考[J].隧道建设,2021,41(6):897–912. doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.06.002 Du Chuangdong,Zhou Lujun,Duo Shengjun,et al.Consideration of TBM adaptability and selection for Sichuan-Tibet railway tunnels and countermeasures for unfavorable geologies[J].Tunnel Construction,2021,41(6):897–912 doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.06.002 [12] 陈花顺,李国良,陈绍华,等.高原复杂环境TBM隧道设计及工程对策[J].铁道标准设计,2021,65(10):26–32. doi: 10.13238/j.issn.10042954.202106250004 Chen Huashun,Li Guoliang,Chen Shaohua,et al.TBM tunnel design and engineering countermeasures for the complex environment of the plateau[J].Railway Standard Design,2021,65(10):26–32 doi: 10.13238/j.issn.10042954.202106250004 [13] Grandori R.深埋、复杂地质条件大直径隧道TBM的设计进展与创新[J].隧道建设,2012,32(1):1–4. Grandori R.TBM design developments and innovation for large diameter tunnels under high cover and complex geologies[J].Tunnel Construction,2012,32(1):1–4 [14] 鲁义强,李光.深部高应力隧道TBM护盾长度和推力计算方法研究[J].地下空间与工程学报,2022,18(2):577–585. doi: 10.3969/j.issn.1673-0836.2022.2.dxkj202202026 Lu Yiqiang,Li Guang.Study on calculation method of shield length and thrust of TBM in deep high stress tunnel[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2022,18(2):577–585 doi: 10.3969/j.issn.1673-0836.2022.2.dxkj202202026 [15] Bo Yin,Liu Quansheng,Huang Xing,et al.Real-time hard-rock tunnel prediction model for rock mass classification using CatBoost integrated with Sequential Model-Based Optimization[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2022,124:104448. doi: 10.1016/j.tust.2022.104448[LinkOut [16] Ayawah P E A,Sebbeh–Newton S,Azure J W A,et al.A review and case study of Artificial intelligence and Machine learning methods used for ground condition prediction ahead of tunnel boring machines[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2022,125:104497. doi: 10.1016/j.tust.2022.104497 [17] Feng Guangliang,Chen Bingrui,Xiao Yaxun,et al.Microseismic characteristics of rockburst development in deep TBM tunnels with alternating soft-hard strata and application to rockburst warning:A case study of the Neelum-Jhelum hydropower project[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2022,122:104398. doi: 10.1016/j.tust.2022.104398 [18] 洪开荣.近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2017—2018年)[J].隧道建设,2019,39(5):710–723. doi: 10.3973/j.issn.20964498.2019.05.002 Hong Kairong.Development and thinking of tunnels and underground engineering in China in recent 2 years (From 2017 to 2018)[J].Tunnel Construction,2019,39(5):710–723 doi: 10.3973/j.issn.20964498.2019.05.002 [19] 洪开荣,王杜娟,郭如军.我国硬岩掘进机的创新与实践[J].隧道建设(中英文),2018,38(4):519–532. doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2018.04.001 Hong Kairong,Wang Dujuan,Guo Rujun.Innovation and practice of hard rock TBM in China[J].Tunnel Construction,2018,38(4):519–532 doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2018.04.001 [20] Han Xingbo,Liang Xiaoming,Ye Fei,et al.Statistics and construction methods for deep TBM tunnels with high geostress:A case study of Qinling Tunnel in Hanjiang-Weihe River Diversion Project[J].Engineering Failure Analysis,2022,138:106301. doi: 10.1016/j.engfailanal.2022.106301 [21] 邓青力.敞开式TBM掘进过节理密集带施工技术[J].隧道建设,2011,31(6):733–736. Deng Qingli.Technology for TBM tunneling through joint-densely-developed granite sections[J].Tunnel Construction,2011,31(6):733–736 [22] 沙明元,王在仁.敞开式全断面隧道掘进机通过软弱破碎围岩的施工方法[J].现代隧道技术,2003,40(6):50–57. doi: 10.13807/j.cnki.mtt.2003.06.012 Sha Mingyuan,Wang Zairen.Excavation with open full-face tunnel boring machine in soft and fractured surrounding rock[J].Modern Tunnelling Technology,2003,40(6):50–57 doi: 10.13807/j.cnki.mtt.2003.06.012 [23] 尚彦军,史永跃,曾庆利,等.昆明上公山隧道复杂地质条件下TBM卡机及护盾变形问题分析和对策[J].岩石力学与工程学报,2005,24(21):3858–3863. doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.21.009 Shang Yanjun,Shi Yongyue,Zeng Qingli,et al.Tbm jamming and deformation in complicated geological conditions and engineering measures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(21):3858–3863 doi: 10.3321/j.issn:1000-6915.2005.21.009 [24] 洪开荣,冯欢欢.高黎贡山隧道TBM法施工重难点及关键技术分析[J].现代隧道技术,2018,55(4):1–8. doi: 10.13807/j.cnki.mtt.2018.04.001 Hong Kairong,Feng Huanhuan.Construction difficulties and key techniques for the gaoligong mountain TBM tunnel[J].Modern Tunnelling Technology,2018,55(4):1–8 doi: 10.13807/j.cnki.mtt.2018.04.001 [25] 李国良,向亮,陈敬军,等.川藏铁路色季拉山隧道设计方案研究[J].隧道建设,2021,41(9):1451–1460. doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.09.002 Li Guoliang,Xiang Liang,Chen Jingjun,et al.Design scheme of shergyla mountain tunnel on Sichuan–Tibet railway[J].Tunnel Construction,2021,41(9):1451–1460 doi: 10.3973/j.issn.20964498.2021.09.002 [26] 王彦杰,李苍松,史永跃,等.川藏铁路隧道主要不良地质TBM适应性分析及施工关键技术[J].隧道建设,2021,41(增刊1):470–477. doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2021.S1.062 Wang Yanjie,Li Cangsong,Shi Yongyue,et al.Adaptability analysis of TBM in main unfavorable geological of Sichuan-Tibet railway tunnel and its key construction technologies[J].Tunnel Construction,2021,41(Supp1):470–477 doi: 10.3973/j.issn.2096-4498.2021.S1.062 [27] Lin Peng,Yu Tengfei,Xu Zhenhao,et al.Geochemical,mineralogical,and microstructural characteristics of fault rocks and their impact on TBM jamming:A case study[J].Bulletin of Engineering Geology and the Environment,2022,81(1):64. doi: 10.1007/s10064-021-02548-0 [28] Li Shucai,Nie Lichao,Liu Bin.The practice of forward prospecting of adverse geology applied to hard rock TBM tunnel construction:The case of the Songhua River water conveyance project in the middle of Jilin Province[J].Engineering,2018,4(1):131–137. doi: 10.1016/j.eng.2017.12.010 [29] Farrokh E,Rostami J.Effect of adverse geological condition on TBM operation in Ghomroud tunnel conveyance project[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2009,24(4):436–446. doi: 10.1016/j.tust.2008.12.006 [30] Hasanpour R,Rostami J,Thewes M,et al.Parametric study of the impacts of various geological and machine parameters on thrust force requirements for operating a single shield TBM in squeezing ground[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2018,73:252–260. doi: 10.1016/j.tust.2017.12.027[LinkOut [31] Hasanpour R,Rostami J,Özçelik Y.Impact of overcut on interaction between shield and ground in the tunneling with a double-shield TBM[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2016,49(5):2015–2022. doi: 10.1007/s00603-015-0823-x [32] Hasanpour R,Rostami J,Ünver B.3D finite difference model for simulation of double shield TBM tunneling in squeezing grounds[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2014,40:109–126. doi: 10.1016/j.tust.2013.09.012[LinkOut [33] Liu Yaoru,Hou Shaokang,Li Chaoyi,et al.Study on support time in double-shield TBM tunnel based on self-compacting concrete backfilling material[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2020,96:103212. doi: 10.1016/j.tust.2019.103212
