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第1章 TBM的发展及展望1

1.1 TBM的发展1

1.1.1 TBM简介1

1.1.2 TBM的出现和发展2

1.2 TBM在我国的研发和应用5

1.2.1 我国TBM的开发研制5

1.2.2 中外合作制造TBM7

1.2.3 TBM在我国的应用9

1.3 TBM掘进能力的发展13

1.4 TBM的应用前景14

参考文献15

第2章 TBM的分类、组成及选型17

2.1 TBM的分类17

2.2 TBM的运行机理和适用范围20

2.2.1 敞开式TBM20

2.2.2 单护盾TBM20

2.2.3 双护盾TBM21

2.2.4 土压平衡盾构22

2.2.5 泥水平衡盾构22

2.2.6 复合式盾构或TBM23

2.3 典型TBM的组成23

2.3.1 掘进机刀具24

2.3.2 刀盘27

2.3.3 刀盘驱动系统31

2.3.4 支撑及推进系统32

2.3.5 操作系统34

2.3.6 支护系统35

2.3.7 后配套系统的组成37

2.4 针对不同岩体条件的TBM选型38

2.4.1 西康铁路秦岭Ⅰ线隧道39

2.4.2 万家寨引黄入晋工程40

2.4.3 大伙房水库一期输水隧道42

2.4.4 新疆中天山隧道43

2.4.5 陕西引红济石工程44

2.4.6 甘肃省引大入秦工程46

2.4.7 甘肃省引洮供水一期工程47

2.4.8 青海省引大济湟调水工程49

2.4.9 昆明市掌鸠河引供水工程上公山隧道50

2.4.10 新疆伊犁大坂引水隧道工程52

2.4.11 兰渝铁路西秦岭隧道53

2.4.12 重庆地铁六号线一期工程54

2.4.13 瑞士列奇堡基线隧道55

2.4.14 台湾北宜高速公路雪山隧道56

2.4.15 南非莱索托引水隧洞58

参考文献61

第3章 TBM施工原理64

3.1 滚刀破岩机理64

3.1.1 单滚刀侵入岩石过程65

3.1.2 滚刀切割理论67

3.1.3 滚刀几何参数及岩石参数对破岩的影响70

3.2 滚刀破岩数值模拟72

3.2.1 离散单元法73

3.2.2 单滚刀侵入的数值模拟74

3.2.3 双滚刀间岩片形成的数值模拟77

3.2.4 双滚刀优化间距计算79

3.3 TBM与岩体的相互作用82

3.3.1 TBM刀盘掘进工地运行研究83

3.3.2 TBM撑靴与岩体相互作用研究84

3.3.3 TBM支护过程与岩体相互作用研究85

参考文献86

第4章 岩体的可掘特性分析89

4.1 岩体的可掘性89

4.1.1 岩体特征可掘性指数90

4.1.2 高地应力对岩体特征可掘性指数的影响94

4.2 现有岩体分类系统对评价岩体可掘性的适用性100

4.2.1 岩体分类系统100

4.2.2 岩体分类系统对TBM开挖隧道岩体可掘性评价的实例102

4.2.3 岩体分类系统对TBM开挖隧道岩体可掘性评价的适用性105

4.3 困难地层的可掘特性及对施工的影响106

4.3.1 密集节理化岩体106

4.3.2 大变形地层107

4.3.3 岩溶地层109

4.3.4 断层破碎带111

4.3.5 完整性好的高强度高摩擦性地层112

参考文献113

第5章 TBM隧道开挖岩石物理力学试验118

5.1 岩石脆性试验118

5.1.1 岩石脆性定义及表征118

5.1.2 脆性试验120

5.2 岩石摩擦性试验122

5.2.1 岩石的摩擦性122

5.2.2 确定岩石摩擦性的地质方法123

5.2.3 Vickers试验127

5.2.4 Cerchar试验127

5.2.5 LCPC摩擦性试验133

5.2.6 NTNU摩擦性试验135

5.3 岩石侵入试验137

5.3.1 试验简介137

5.3.2 试验原理及步骤138

5.3.3 试验影响因素139

5.3.4 试验的优点及发展前景140

5.4 滚刀破岩试验141

5.4.1 线性切割试验机141

5.4.2 试验原理142

5.4.3 试验结果分析144

5.5 TBM现场掘进试验147

5.5.1 试验步骤147

5.5.2 试验参数的确定148

5.5.3 试验实例及试验结果分析149

参考文献163

第6章 岩体参数对TBM施工的影响166

6.1 岩石的物理力学性质对TBM施工的影响166

6.1.1 岩石抗压强度166

6.1.2 岩石的脆性166

6.1.3 岩石的其他物理力学性质167

6.2 节理性质对TBM施工的影响168

6.2.1 节理间距对滚刀破岩影响数值模拟169

6.2.2 节理方向对滚刀破岩影响数值模拟176

6.2.3 节理对掘进机开挖影响的典型实例研究185

6.3 地应力条件对TBM施工的影响194

6.4 地下水条件对TBM施工的影响195

参考文献195

第7章 TBM施工预测198

7.1 TBM施工的评价指标198

7.1.1 掘进速度198

7.1.2 施工进度199

7.1.3 掘进机利用率199

7.1.4 刀具磨损199

7.2 TBM施工的单因素预测模型200

7.3 TBM施工的多因素预测模型200

7.3.1 CSM模型200

7.3.2 NTNU模型202

7.3.3 岩体分类预测模型208

7.3.4 Gehring模型208

7.3.5 概率模型211

7.3.6 模糊神经网络模型211

7.4 岩体特性预测模型212

7.4.1 掘进速度预测岩体概念模型212

7.4.2 建立数据库212

7.4.3 数据库中岩体的可掘特性分析216

7.4.4 回归分析结果216

7.4.5 岩体参数对掘进速度的影响218

7.4.6 模型的局限性222

参考文献222

第8章 混合地层对TBM开挖的影响224

8.1 软硬混合开挖地层定义及分类224

8.2 软硬混合地层开挖岩石破碎过程及对开挖效率的影响227

8.2.1 第一类混合开挖地层228

8.2.2 第二类混合开挖地层228

8.2.3 第三类混合开挖地层230

8.2.4 小结230

8.3 混合地层TBM开挖施工预测模型231

8.4 混合地层中滚刀差异受力数值分析232

8.4.1 数值分析模型232

8.4.2 新鲜花岗岩中的计算结果234

8.4.3 混合地层中的计算结果235

8.4.4 讨论与结论236

8.5 混合地层开挖实例237

8.5.1 深埋污水隧道T05隧道段237

8.5.2 盾构机238

8.5.3 区域地质特征240

8.5.4 T05隧道岩土工程勘察241

8.5.5 TBM开挖时遇到的问题242

8.5.6 混合地层开挖所遇到的典型问题245

8.5.7 推荐的解决方案及TBM的改进措施247

8.5.8 TBM改进及降水措施的有效性248

参考文献251

第9章 锦屏二级水电站引水隧洞TBM施工实例253

9.1 引水隧洞区的工程地质条件255

9.1.1 地形地貌255

9.1.2 地层岩性256

9.1.3 地质构造257

9.1.4 地下水条件257

9.1.5 地应力条件258

9.2 TBM设计参数260

9.2.1 施工排水洞TBM详细参数260

9.2.2 1号引水洞TBM详细设计参数261

9.2.3 3号引水洞TBM详细设计参数262

9.3 岩石室内物理力学试验264

9.3.1 单轴压缩试验264

9.3.2 巴西劈裂试验265

9.3.3 Cerchar摩擦试验266

9.3.4 岩爆试验269

9.4 TBM原位掘进试验283

9.4.1 1号引水隧洞TBM掘进试验283

9.4.2 3号引水隧洞掘进试验287

9.4.3 施工排水洞掘进试验291

9.4.4 岩石渣片筛分试验及形状分析293

9.4.5 不同高地应力条件下TBM掘进试验结果对比分析298

9.4.6 结语299

9.5 基于TBM破岩规律的引水隧洞岩体分段300

9.6 引水隧洞TBM开挖预测305

9.6.1 不同岩体条件段的TBM施工预测305

9.6.2 TBM掘进试验结果与相应点预测结果对比分析306

9.7 TBM开挖评价308

9.7.1 1号、3号引水隧洞TBM施工进度308

9.7.2 典型岩体条件段TBM开挖311

9.7.3 典型撑靴洞壁破坏情况315

9.7.4 TBM开挖分析321

9.7.5 滚刀磨损分析324

9.7.6 总结327

参考文献328

附录329