《掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論》系統(tǒng)地介紹了掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷史、掘進(jìn)機(jī)的分類、組成及選型。從掘進(jìn)機(jī)與巖體相互作用的角度研究了滾刀破巖規(guī)律、巖體各因素對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程的影響。從優(yōu)化破巖的角度研究刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)及掘進(jìn)機(jī)的推力、扭矩設(shè)計(jì)與支護(hù)體系設(shè)計(jì)原則。系統(tǒng)地總結(jié)并研究了與掘進(jìn)機(jī)隧道施工相關(guān)的巖石和巖體的物理力學(xué)試驗(yàn)，特別提出現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)的重要性。提出了巖體可掘性的表征方法、評價(jià)了現(xiàn)在巖體分類體系對掘進(jìn)機(jī)施工的適用性和困難地層的可掘性。對現(xiàn)有掘進(jìn)機(jī)施工模型進(jìn)行了總結(jié)與評價(jià)，提出了巖體特性掘進(jìn)機(jī)施工預(yù)測模型。對軟硬混合地層進(jìn)行了全面研究并給出了研究實(shí)例。全面應(yīng)用《掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論》的理論基礎(chǔ)，對高地應(yīng)力影響下的掘進(jìn)機(jī)施工進(jìn)行深入研究，并給出了研究實(shí)例。
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壬辰歲末冬月，秋明來我清華荷清苑居所探訪，并代表北京工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，邀我出席“巖體力學(xué)與工程研究中心”成立暨學(xué)術(shù)交流會。遂詢問其近況，秋明興奮告訴我，其第一本學(xué)術(shù)著作《掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論》即將付梓，聞之甚感欣慰。歡談之余，秋明又懇請我為書作序，我欣然應(yīng)允。
該書全面概括了隧道掘進(jìn)機(jī)開挖理論，特別是全面分析了掘進(jìn)機(jī)與巖體相互作用機(jī)理，首次提出巖體特征可掘性指數(shù)、巖體特性掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)速度預(yù)測模型并應(yīng)用于實(shí)際工程，在當(dāng)前國際掘進(jìn)機(jī)隧道開挖研究領(lǐng)域堪稱佳作�？v觀全書，其理論構(gòu)建之嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)例運(yùn)用之精當(dāng)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之翔實(shí)，同等功力之書在國內(nèi)中青年學(xué)者著作中并不多見，可執(zhí)其牛耳。
20世紀(jì)90年代初，秋明以優(yōu)異成績，由西安地質(zhì)學(xué)院人中國科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所深造，完成碩士學(xué)業(yè)后，即從事勘察設(shè)計(jì)等工程地質(zhì)實(shí)際工作，其“中國科學(xué)院北京天文臺LAMOST觀測樓工程場地巖土工程勘察及地基加固質(zhì)量綜合檢測工程”項(xiàng)目曾獲住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部優(yōu)秀勘察設(shè)計(jì)二等獎。后自己申得全額獎學(xué)金，赴新加坡南洋理工大學(xué)留學(xué)，并由我推薦，師從時為土木與環(huán)境工程學(xué)院巖土工程系教授趙堅(jiān)博士，繼續(xù)深造，期間廣泛涉獵國際工程項(xiàng)目，歷五載，完成博士后研究工作后歸國。又經(jīng)已故中國工程院院士張?jiān)诿饕]，執(zhí)教于北京工業(yè)大學(xué)。秋明求學(xué)于中國科學(xué)院時已初顯科研稟賦，常求教于我，我亦嘉其謙虛多思，勤于學(xué)而敏于行，遂傾囊而授，經(jīng)年不輟，視如己出。今合卷而坐，回顧其成長經(jīng)過，乃悉數(shù)歷歷在目，見秋明由一莘莘學(xué)子，不倦于學(xué)，漸令學(xué)業(yè)精進(jìn)，又能常念修身養(yǎng)性，得以為人師表，至今有所建樹，立足于產(chǎn)學(xué)研界，我心甚慰。
因嘉賞秋明多年鉆研，成此佳作，特薦于圈內(nèi)諸友，誠以廣邀同道，切磋共進(jìn)。又翼望后來之學(xué)，秉持相同之學(xué)術(shù)精神，薪火相傳，繼往開來，為掘進(jìn)機(jī)隧道開挖研究添磚加瓦，服務(wù)于我國之建設(shè)大業(yè)。
中國工程院院士壬辰年臘月二十一
目錄
序一
序二
前言
第1章 TBM的發(fā)展及展望 1
1.1 TBM的發(fā)展 1
1.1.1 TBM簡介 1
1.1.2 TBM的出現(xiàn)和發(fā)展 2
1.2 TBM在我國的研發(fā)和應(yīng)用 5
1.2.1 我國TBM的開發(fā)研制 5
1.2.2 中外合作制造TBM 7
1.2.3 TBM在我國的應(yīng)用 9
1.3 TBM掘進(jìn)能力的發(fā)展 13
1.4 TBM的應(yīng)用前景 14
參考文獻(xiàn) 15
第2章 TBM的分類、組成及選型 17
2.1 TBM的分類 17
2.2 TBM的運(yùn)行機(jī)理和適用范圍 20
2.2.1 敞開式TBM 20
2.2.2 單護(hù)盾TBM 20
2.2.3 雙護(hù)盾TBM 21
2.2.4 土壓平衡盾構(gòu) 22
2.2.5 泥水平衡盾構(gòu) 22
2.2.6 復(fù)合式盾構(gòu)或TBM 23
2.3 典型TBM的組成 23
2.3.1 掘進(jìn)機(jī)刀具 24
2.3.2 刀盤 27
2.3.3 刀盤驅(qū)動系統(tǒng) 31
2.3.4 支撐及推進(jìn)系統(tǒng) 32
2.3.5 操作系統(tǒng) 34
2.3.6 支護(hù)系統(tǒng) 35
2.3.7 后配套系統(tǒng)的組成 37
2.4 針對不同巖體條件的TBM選型 38
2.4.1 西康鐵路秦嶺I線隧道 39
2.4.2 萬家寨引黃入晉工程 40
2.4.3 大伙房水庫一期輸水隧道 42
2.4.4 新疆中天山隧道 43
2.4.5 陜西引紅濟(jì)石工程 44
2.4.6 甘肅省引火人秦工程 46
2.4.7 甘肅省引洮供水一期工程 47
2.4.8 青海省引火濟(jì)湟調(diào)水工程 49
2.4.9 昆明市掌鳩河引供水上程上公山隧道 50
2.4.1 0新疆伊犁大坂引水隧道工程 52
2.4.1 1蘭渝鐵路西秦嶺隧道 53
2.4.1 2重慶地鐵六號線一期工程 54
2.4.1 3瑞士列奇堡基線隧道 55
2.4.1 4俞灣北宜高速公路雪山隧道 56
2.4.1 5南非萊索托引水隧洞 58
參考文獻(xiàn) 61
第3章 TBM施工原理 64
3.1 滾刀破巖機(jī)理 64
3.1.1 單滾刀侵入巖石過程 65
3.1.2 滾刀切割理論 67
3.1.3 滾刀幾何參數(shù)及巖石參數(shù)對破巖的影響 70
3.2 滾刀破巖數(shù)值模擬 72
3.2.1 離散單元法 73
3.2.2 單滾刀侵入的數(shù)值模擬 74
3.2.3 雙滾刀間巖片形成的數(shù)值模擬 77
3.2.4 雙滾刀優(yōu)化間距計(jì)算 79
3.3 TBM與巖體的相互作用 82
3.3.1 TBM刀盤掘進(jìn)工地運(yùn)行研究 83
3.3.2 TBM撐靴與巖體相互作用研究 84
3.3.3 TBM支護(hù)過程與巖體相互作用研究 85
參考文獻(xiàn) 86
第4章 巖體的可掘特性分析 89
4.1 巖體的可掘性 89
4.1.1 巖體特征可掘性指數(shù) 90
4.1.2 高地應(yīng)力對巖體特征可掘性指數(shù)的影響 94
4.2 現(xiàn)有巖體分類系統(tǒng)對評價(jià)巖體可掘性的適用性 100
4.2.1 巖體分類系統(tǒng) 100
4.2.2 巖體分類系統(tǒng)對TBM開挖隧道巖體可掘性評價(jià)的實(shí)例 102
4.2.3 巖體分類系統(tǒng)對TBM開挖隧道巖體可掘性評價(jià)的適用性 105
4.3 困難地層的可掘特性及對施工的影響 106
4.3.1 密集節(jié)理化巖體 106
4.3.2 大變形地層 107
4.3.3 巖溶地層 109
4.3.4 斷層破碎帶 111
4.3.5 完整性好的高強(qiáng)度高摩擦性地層 112
參考文獻(xiàn) 113
第5章 TBM隧道開挖巖石物理力學(xué)試驗(yàn) 118
5.1 巖石脆性試驗(yàn) 118
5.1.1 巖石脆性定義及表征 118
5.1.2 脆性試驗(yàn) 120
5.2 巖石摩擦性試驗(yàn) 122
5.2.1 巖石的摩擦性 122
5.2.2 確定巖石摩擦性的地質(zhì)方法 123
5.2.3 Vickers試驗(yàn) 127
5.2.4 Cerchar誠驗(yàn) 127
5.2.5 LCPC摩擦性試驗(yàn) 133
5.2.6 NTNU摩擦性試驗(yàn) 135
5.3 巖石侵入試驗(yàn) 137
5.3.1 試驗(yàn)簡介 137
5.3.2 試驗(yàn)原理及步驟 138
5.3.3 試驗(yàn)影響因素 139
5.3.4 試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展前景 140
5.4 滾刀破巖試驗(yàn) 141
5.4.1 線性切割試驗(yàn)機(jī) 141
5.4.2 試驗(yàn)原理 142
5.4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析 144
5.5 TBM現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn) 147
5.5.1 試驗(yàn)步驟 147
5.5.2 試驗(yàn)參數(shù)的確定 148
5.5.3 試驗(yàn)實(shí)例及試驗(yàn)結(jié)果分析 149
參考文獻(xiàn) 163
第6章 巖體參數(shù)對TBM施工的影響 166
6.1 巖石的物理力學(xué)性質(zhì)對TBM施工的影響 166
6.1.1 巖石抗壓強(qiáng)度 166
6.1.2 巖石的脆性 166
6.1.3 者石的其他物理力學(xué)性質(zhì) 167
6.2 節(jié)理性質(zhì)對TBM施工的影響 168
6.2.1 節(jié)理間距對滾刀破巖影響數(shù)值模擬 169
6.2.2 節(jié)理方向?qū)L刀破巖影響數(shù)值模擬 176
6.2.3 節(jié)理對掘進(jìn)機(jī)開挖影響的典型實(shí)例研究 185
6.3 地應(yīng)力條件對TBM施工的影響 194
6.4 地下水條件對TBM施工的影響 195
參考文獻(xiàn) 195
第7章 TBM施工預(yù)測 198
7.1 TBM施工的評價(jià)指標(biāo) 198
7.1.1 掘進(jìn)速度 198
7.1.2 施工進(jìn)度 199
7.1.3 掘進(jìn)機(jī)利用率 199
7.1.4 刀具磨損 199
7.2 TBM施工的單因素預(yù)測模型 200
7.3 TBM施工的多因素預(yù)測模型 200
7.3.1 CSM模型 200
7.3.2 NTNU模型 202
7.3.3 巖體分類預(yù)測模型 208
7.3.4 Gehring模型 208
7.3.5 概率模型 211
7.3.6 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型 211
7.4 巖體特性預(yù)測模型 212
7.4.1 掘進(jìn)速度預(yù)測巖體概念模型 212
7.4.2 建立數(shù)據(jù)庫 212
7.4.3 數(shù)據(jù)庫中巖體的可掘特性分析 216
7.4.4 回歸分析結(jié)果 216
7.4.5 巖體參數(shù)對掘進(jìn)速度的影響 218
7.4.6 模型的局限性 222
參考文獻(xiàn) 222
第8章 混合地層對TBM開挖的影響 224
8.1 軟硬混合開挖地層定義及分類 224
8.2 軟硬混合地層開挖巖石破碎過程及對開挖效率的影響 227
8.2.1 第一類混合開挖地層 228
8.2.2 第二類混合開挖地層 228
8.2.3 第三類混合開挖地層 230
8.2.4 小結(jié) 230
8.3 混合地層TBM開挖施工預(yù)測模型 231
8.4 混合地層中滾刀差異受力數(shù)值分析 232
8.4.1 數(shù)值分析模型 232
8.4.2 新鮮花崗巖巾的計(jì)算結(jié)果 234
8.4.3 混合地層中的計(jì)算結(jié)果 235
8.4.4 討論與結(jié)論 236
8.5 混合地層開挖實(shí)例 237
8.5.1 深埋污水隧道T05隧道段 237
8.5.2 盾構(gòu)機(jī) 238
8.5.3 區(qū)域地質(zhì)特征 240
8.5.4 T05隧道巖土工程勘察 241
8.5.5 TBM開挖時遇到的問題 242
8.5.6 混合地層開挖所遇到的典型問題 245
8.5.7 椎薦的解決方案及TBM的改進(jìn)措施 247
8.5.8 TBM改進(jìn)及降水措施的有效件 248
參考文獻(xiàn) 251
第9章 錦屏二級水電站引水隧洞TBM施工實(shí)例 253
9.1 引水隧洞區(qū)的工程地質(zhì)條件 255
9.1.1 地形地貌 255
9.1.2 地層巖性 256
9.1.3 地質(zhì)構(gòu)造 257
9.1.4 地下水條件 257
9.1.5 地應(yīng)力條件 258
9.2 TBM設(shè)計(jì)參數(shù) 260
9.2.1 施工排水洞TBM詳細(xì)參數(shù) 260
9.2.2 1號引水洞TBM詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù) 261
9 2.3 3號引水洞TBM詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù) 262
9.3 巖石室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn) 264
9.3.1 單軸壓縮試驗(yàn) 264
9.3.2 巴西劈裂試驗(yàn) 265
9.3.3 Cerchar摩擦試驗(yàn) 266
9.3.4 巖爆試驗(yàn) 269
9.4 TBM原位掘進(jìn)試驗(yàn) 283
9.4.1 1號引水隧洞TBM掘進(jìn)試驗(yàn) 283
9.4.2 3號引水隧洞掘進(jìn)試驗(yàn) 287
9.4.3 施工排水洞掘進(jìn)試驗(yàn) 291
9.4.4 巖石渣片篩分試驗(yàn)及形狀分析 293
9.4.5 不同高地應(yīng)力條件下TBM掘進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果對比分析 298
9.4.6 結(jié)語 299
9.5 基于TBM破巖規(guī)律的引水隧洞巖體分段 300
9.6 引水隧洞TBM開挖預(yù)測 305
9.6.1 不同巖體條件段的TBM施工預(yù)測 305
9.6.2 TBM掘進(jìn)試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)點(diǎn)預(yù)測結(jié)果對比分析 306
9.7 TBM開挖評價(jià) 308
9 7.1 1號、3號引水隧洞TBM施上進(jìn)度 308
9.7.2 典型巖體條件段TBM開挖 311
9.7.3 典型撐靴洞擘破壞情況 315
9.7.4 TBM開挖分析 321
9.7.5 滾刀磨損分析 324
9.7.6 總結(jié) 327
參考文獻(xiàn) 328
附錄 329
2．2．4 土壓平衡肩構(gòu)
土壓平衡盾構(gòu)（圖2．8）通過保持土艙內(nèi)土壓力的平衡來穩(wěn)定掌子面的盾構(gòu)機(jī)。刀盤切削下的疏松土體落人土艙，并與改良土體的添加劑進(jìn)行混合，形成穩(wěn)定的塑流體。在千斤頂?shù)耐屏ψ饔孟峦僚搩?nèi)渣土保持一定的壓力以平衡掌子面土體壓力和水壓力，以利于穩(wěn)定。同時，渣土通過螺旋輸土機(jī)排出土艙，調(diào)節(jié)螺旋輸土機(jī)轉(zhuǎn)速可以調(diào)節(jié)渣土的排出量，進(jìn)而保持土艙的壓力平衡。由螺旋輸土機(jī)排出的渣土進(jìn)入傳送帶運(yùn)出洞外。
土壓平衡盾構(gòu)的支護(hù)和推進(jìn)系統(tǒng)與單護(hù)盾TBM相同。
土壓平衡盾構(gòu)適用于含水率和粒度組成比較適中的地層，如黏土層、淤泥層、砂層等。但是通過采取往土艙內(nèi)加水、膨潤土泥漿、泡沫等材料，與開挖的土體混合改良的措施，可以擴(kuò)大土壓平衡盾構(gòu)的適用范圍。土壓平衡盾構(gòu)排土效率較泥水盾構(gòu)高，而成本低，適用地層范圍大，因而應(yīng)用較廣。然而土壓平衡盾構(gòu)開挖土體吋需要較大的刀盤扭矩，而且造成的地面沉降也比泥水盾構(gòu)大，因此在選用時要綜合考慮。
2．2．5 泥水平衡盾構(gòu)
泥水平衡盾構(gòu)（圖2．9）是通過刀盤的旋轉(zhuǎn)切削巖土體，在刀盤與隔板之間的泥水腔內(nèi)通過與泥漿的混合提供足夠的壓力穩(wěn)定掌子面。在施工場地有泥漿池，泥漿通過導(dǎo)管運(yùn)輸?shù)秸谱用�，與開挖的巖土體混合，混合后的渣土與泥漿通過另一導(dǎo)管回運(yùn)至泥漿池，通過不斷循環(huán)，開挖的渣土不斷運(yùn)輸?shù)侥酀{池，并在泥漿池內(nèi)沉淀、分離、運(yùn)出。泥水平衡盾構(gòu)的典型工作循環(huán)如下所述。
（1）刀盤旋轉(zhuǎn)開挖巖土體。
�。�2）攪拌器不斷將從泥漿池內(nèi)運(yùn)來的泥漿和開挖下的巖土體攪拌混合，得到理想的混合體。
（3）通過壓力泵調(diào)節(jié)進(jìn)出掌子面的泥漿量，以保證掌子面內(nèi)足夠的壓力，保持工作面的穩(wěn)定。
�。�4）在泥漿池內(nèi)將從掌子面運(yùn)出的混合泥漿沉淀分離，將沉淀的大粒徑渣土排出。
泥水平衡盾構(gòu)的支護(hù)和推進(jìn)系統(tǒng)與單護(hù)盾TBM相同。
泥水平衡盾構(gòu)適用于含水率高、開挖面不穩(wěn)定的地層，如洪積形成的砂礫層、卵石層等，適合于在河底、海底等高水壓力條件下的隧道施工…。采用泥水平衡盾構(gòu)的方法可以有效地控制地面沉降，保證施工安全及地面建筑物的安全。
……
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