《掘进机隧道掘进概论》系统地介绍了掘进机的发展历史、掘进机的分类、组成及选型。从掘进机与岩体相互作用的角度研究了滚刀破岩规律、岩体各因素对掘进机掘进过程的影响。从优化破岩的角度研究刀盘优化设计及掘进机的推力、扭矩设计与支护体系设计原则。系统地总结并研究了与掘进机隧道施工相关的岩石和岩体的物理力学试验，特别提出现场掘进试验的重要性。提出了岩体可掘性的表征方法、评价了现在岩体分类体系对掘进机施工的适用性和困难地层的可掘性。对现有掘进机施工模型进行了总结与评价，提出了岩体特性掘进机施工预测模型。对软硬混合地层进行了全面研究并给出了研究实例。全面应用《掘进机隧道掘进概论》的理论基础，对高地应力影响下的掘进机施工进行深入研究，并给出了研究实例。

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　壬辰岁末冬月，秋明来我清华荷清苑居所探访，并代表北京工业大学建工学院，邀我出席“岩体力学与工程研究中心”成立暨学术交流会。遂询问其近况，秋明兴奋告诉我，其第一本学术著作《掘进机隧道掘进概论》即将付梓，闻之甚感欣慰。欢谈之余，秋明又恳请我为书作序，我欣然应允。
　　该书全面概括了隧道掘进机开挖理论，特别是全面分析了掘进机与岩体相互作用机理，首次提出岩体特征可掘性指数、岩体特性掘进机掘进速度预测模型并应用于实际工程，在当前国际掘进机隧道开挖研究领域堪称佳作。纵观全书，其理论构建之严谨，实例运用之精当，实验数据之翔实，同等功力之书在国内中青年学者著作中并不多见，可执其牛耳。
　　20世纪90年代初，秋明以优异成绩，由西安地质学院人中国科学院地质与地球物理研究所深造，完成硕士学业后，即从事勘察设计等工程地质实际工作，其“中国科学院北京天文台LAMOST观测楼工程场地岩土工程勘察及地基加固质量综合检测工程”项目曾获住房和城乡建设部优秀勘察设计二等奖。后自己申得全额奖学金，赴新加坡南洋理工大学留学，并由我推荐，师从时为土木与环境工程学院岩土工程系教授赵坚博士，继续深造，期间广泛涉猎国际工程项目，历五载，完成博士后研究工作后归国。又经已故中国工程院院士张在明引荐，执教于北京工业大学。秋明求学于中国科学院时已初显科研禀赋，常求教于我，我亦嘉其谦虚多思，勤于学而敏于行，遂倾囊而授，经年不辍，视如己出。今合卷而坐，回顾其成长经过，乃悉数历历在目，见秋明由一莘莘学子，不倦于学，渐令学业精进，又能常念修身养性，得以为人师表，至今有所建树，立足于产学研界，我心甚慰。
　　因嘉赏秋明多年钻研，成此佳作，特荐于圈内诸友，诚以广邀同道，切磋共进。又翼望后来之学，秉持相同之学术精神，薪火相传，继往开来，为掘进机隧道开挖研究添砖加瓦，服务于我国之建设大业。
　　中国工程院院士壬辰年腊月二十一

目录
序一
序二
前言
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TBM 7
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TBM 20
2.2.2 单护盾TBM 20
2.2.3 双护盾TBM 21
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TBM 23
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 甘肃省引火人秦工程 46
2.4.7 甘肃省引洮供水一期工程 47
2.4.8 青海省引火济湟调水工程 49
2.4.9 昆明市掌鸠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兰渝铁路西秦岭隧道 53
2.4.1 2重庆地铁六号线一期工程 54
2.4.1 3瑞士列奇堡基线隧道 55
2.4.1 4俞湾北宜高速公路雪山隧道 56
2.4.1 5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诚验 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 者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 新鲜花岗岩巾的计算结果 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 椎荐的解决方案及TBM的改进措施 247
8.5.8 TBM改进及降水措施的有效件 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施上进度 308
9.7.2 典型岩体条件段TBM开挖 311
9.7.3 典型撑靴洞擘破坏情况 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

2．2．4 土压平衡肩构
　　土压平衡盾构（图2．8）通过保持土舱内土压力的平衡来稳定掌子面的盾构机。刀盘切削下的疏松土体落人土舱，并与改良土体的添加剂进行混合，形成稳定的塑流体。在千斤顶的推力作用下土舱内渣土保持一定的压力以平衡掌子面土体压力和水压力，以利于稳定。同时，渣土通过螺旋输土机排出土舱，调节螺旋输土机转速可以调节渣土的排出量，进而保持土舱的压力平衡。由螺旋输土机排出的渣土进入传送带运出洞外。
　　土压平衡盾构的支护和推进系统与单护盾TBM相同。
　　土压平衡盾构适用于含水率和粒度组成比较适中的地层，如黏土层、淤泥层、砂层等。但是通过采取往土舱内加水、膨润土泥浆、泡沫等材料，与开挖的土体混合改良的措施，可以扩大土压平衡盾构的适用范围。土压平衡盾构排土效率较泥水盾构高，而成本低，适用地层范围大，因而应用较广。然而土压平衡盾构开挖土体吋需要较大的刀盘扭矩，而且造成的地面沉降也比泥水盾构大，因此在选用时要综合考虑。
　　2．2．5 泥水平衡盾构
　　泥水平衡盾构（图2．9）是通过刀盘的旋转切削岩土体，在刀盘与隔板之间的泥水腔内通过与泥浆的混合提供足够的压力稳定掌子面。在施工场地有泥浆池，泥浆通过导管运输到掌子面，与开挖的岩土体混合，混合后的渣土与泥浆通过另一导管回运至泥浆池，通过不断循环，开挖的渣土不断运输到泥浆池，并在泥浆池内沉淀、分离、运出。泥水平衡盾构的典型工作循环如下所述。
　　（1）刀盘旋转开挖岩土体。
　　（2）搅拌器不断将从泥浆池内运来的泥浆和开挖下的岩土体搅拌混合，得到理想的混合体。
　　（3）通过压力泵调节进出掌子面的泥浆量，以保证掌子面内足够的压力，保持工作面的稳定。
　　（4）在泥浆池内将从掌子面运出的混合泥浆沉淀分离，将沉淀的大粒径渣土排出。
　　泥水平衡盾构的支护和推进系统与单护盾TBM相同。
　　泥水平衡盾构适用于含水率高、开挖面不稳定的地层，如洪积形成的砂砾层、卵石层等，适合于在河底、海底等高水压力条件下的隧道施工…。采用泥水平衡盾构的方法可以有效地控制地面沉降，保证施工安全及地面建筑物的安全。
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