开敞式TBM在隧道与地下工程中的应用.pptx

目录一概述二山岭隧道开敞式TBM的应用三地铁隧道开敞式TBM的应用四应用前景第1页/共41页 我公司自1997年参与施工秦岭线隧道以来，在山岭隧道开敞式TBM应用工程中，又先后承建施工了西安南京铁路磨沟岭隧道、大伙房输水工程TBM2标项目和南疆吐库二线SK2标中天山隧道。在各项目施工中，针对各工程的地质情况、设备特性、工期要求和项目边界条件等，各项目均提出了适用于现场施工的技术创新，并形成了各项目特色的技术成果或关键技术，丰富了我国山岭隧道开敞式TBM的施工技术，提高了山岭隧道开敞式TBM的修建技术水平和施工工艺。特别是重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段开建以来，是国内利用开敞式TBM在地铁隧道中施工的首例，更丰富了我国城市地铁隧道开敞式TBM的施工技术。可以预计，随着我国隧道及地下工程建设的飞速发展，开敞式TBM施工技术将更加完善和进步。一概述第2页/共41页 1、西康线秦岭隧道 （1）工程概况 二山岭隧道开敞式TBM的应用 秦岭线隧道位于陕西省北秦岭山区，长18.456km，最大埋深1600m。施工段长5888.39m，其中预备洞260m，F4断层钻爆法段370m，TBM施工5253.5m。第3页/共41页 1、西康线秦岭隧道 （1）工程概况 二山岭隧道开敞式TBM的应用 地质特点：隧道横穿秦岭东西构造带，历经多期构造运动、变质作用、岩浆活动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性十分复杂。岩性以混合片麻岩和混合花岗岩为主，岩石最高单轴抗压强度达300MPa，属极硬岩，并发育有55条断层。隧道穿过高地应力、岩爆、地热、断裂带、涌水等不良地质灾害段，堪称“地质博物馆”。第4页/共41页 1、西康线秦岭隧道 （2）施工情况及技术创新 1997年12月18日开始试掘进，1999年8月25日全隧贯通，隧道横向贯通误差10mm，纵向贯通误差13mm，高程贯通误差4mm。创造了TBM日掘进40.5m、月掘进528m的施工纪录。为解决独头施工的难题，创新采用穿行式模板台车进行二次衬砌施工，创造了铁路隧道月砼衬砌1158.4m的记录。二山岭隧道开敞式TBM的应用第5页/共41页 1、西康线秦岭隧道 （2）施工情况及技术创新 创新提出了弹性整体道床施工工法，通过在弹性整体道床施工中的完善和使用，效果显著，运用此工法施工弹性整体道床5881.35m，总计用时4.3个月，创造了整体道床施工日灌注125m、月灌注2468.7m的全国最高记录。二山岭隧道开敞式TBM的应用轨道排架混凝土施工第6页/共41页 1、西康线秦岭隧道 （3）技术成果 1）建立“以掘进为中心，机械设备状况为前提，地质是条件，管理是关键”为指导思想的系统化管理体系；2）合理选择掘进模式，在均质硬岩条件下宜选择自动控制推力模式；在节理发育围岩下宜选择自动控制扭矩模式；在不能确定围岩状态或围岩硬度变化不均，节理发育，存在破碎带、断层时，必须选择手动控制模式；3）合理选择不同地质条件下的掘进参数；4）建立TBM故障诊断和状态监测站，及时发现和处理故障，提高设备利用率。二山岭隧道开敞式TBM的应用第7页/共41页 2、西安南京铁路磨沟岭隧道 （1）工程概况 二山岭隧道开敞式TBM的应用 磨沟岭隧道隧道全长6114米，最大埋深315m，为一软岩隧道，采用开敞式硬岩掘进机施工是一次大胆尝试，隧道受区域性F2大断裂带的构造挤压、揉皱影响严重，岩体破碎，隐性节理和节理发育，加大了开敞式硬岩掘进机的施工难度，增加了大量辅助工作。磨沟岭隧道是世界上少有的硬岩掘进机成功应用于软弱地质的成功范例。磨沟岭隧道地质纵断面图磨沟岭隧道地质纵断面图第8页/共41页 2、西安南京铁路磨沟岭隧道 （2）施工情况及技术创新 2000年7月9日试掘进，2002年1月26日顺利贯通,历时18个月。施工中有效解决了软岩掘进中防坍防剥落、底部清碴困难、施工工序组织优化等问题。有效地拓展了硬岩掘进机在软弱围岩中的适应性，克服了长距离地质破碎软弱、支护量大等困难，完善了TBM施工工法。施工指标创下新高：在2001年8月至11月份施工的软岩中创月均掘进379米，最高月进475米；在硬岩段施工中不但刷新了秦岭隧道的施工纪录，而且创下日掘进41.3米，月掘进573.9米，日均19.13米的全国最新纪录。二山岭隧道开敞式TBM的应用第9页/共41页 2、西安南京铁路磨沟岭隧道 （3）技术成果 1）成功攻克了TBM超前导管注浆技术;2）成功研制了TBM底部清碴系统;3）总结出了TBM软岩施工中掘进参数与地质的关系及掘进模式的正确选择;4）研究出了硬岩TBM在软岩隧道施工中掘进速度与支护系统能力的匹配关系。二山岭隧道开敞式TBM的应用第10页/共41页 3、大伙房输水工程TBM2标 （1）工程概况 辽宁省大伙房输水工主体为自流输水隧洞，全长85.32km，其中TBM2标段全长22558.42m，采用德国Wirth公司生产的敞开式TBM进行施工，开挖直径为8.0m。二山岭隧道开敞式TBM的应用 隧洞角闪斜长片麻岩等强度为45109 MPa；角砾熔岩、流纹岩强度为5075MPa；砂岩为3050MPa；凝灰岩为2550MPa。隧洞围岩、a类围岩占61.4，b、类围岩占38.6。主支洞交叉口第11页/共41页 3、大伙房输水工程TBM2标 （2）施工情况及技术创新 TBM于2004年12月开始掘进，2007年9月完成掘进，累计掘进长度为13010m。国内首次在隧道内进行TBM设备组装，填补了国内组装洞设计、组装设备安装、TBM洞内组装等技术空白。二山岭隧道开敞式TBM的应用第12页/共41页（2）施工情况及技术创新 国内首次采用连续皮带机出碴系统进行隧道修建，为连续皮带机出碴系统的推广奠定了基础。二山岭隧道开敞式TBM的应用 通过对长大隧道TBM施工连续皮带机出碴系统的研究，弥补了国内连续皮带机与TBM施工配套技术的空白，提出了皮带机应用、保养等方面的技术措施，进一步推动了TBM施工配套技术的发展。第13页/共41页 3、大伙房输水工程TBM2标 （3）技术成果 1）优化了特长隧道TBM施工技术；2）掌握了TBM洞内转场、洞内组装、洞内更换主轴承、洞内拆卸等一系列施工技术；3）总结出一套TBM穿越不良地质洞段的施工措施；4）掌握了TBM在严寒地区的施工经验。二山岭隧道开敞式TBM的应用第14页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （1）工程概况 中天山特长隧道右线长22.467km，TBM施工12753m，隧道穿越地区海拔11002950m，最高海拔为2951.6m，地形切割较为剧烈，沟壑纵横，植被稀疏，相对高差8001200m，隧道最大埋深超过1700m，设计坡度为1.1的上坡。中天山隧道通过的地层岩性主要为志留系变质砂岩夹片岩，志留系角斑岩，华力西期花岗岩等。按照实际施工揭示围岩情况，其中、级围岩占88.8%；、级围岩占11.2。中天山隧道具有TBM独头掘进距离超长、地质条件异常复杂、TBM设备老龄化显著、工期要求十分紧等工程难点。二山岭隧道开敞式TBM的应用第15页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 1）建立了有轨运输模式下开敞式TBM掘进与隧道模筑衬砌同步作业施工技术。研制了配套的同步衬砌模板台车，台车设计长度16.5m。二山岭隧道开敞式TBM的应用第16页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 创建了TBM掘进与二次衬砌同步施工工法。利用隧道内双线运输模式，同步衬砌占用1条道，另条道正常通车，确保TBM掘进出碴正常；衬砌台车作业区间距离TBM掘进掌子面控制在1Km以上，以保证洞室钻爆作业与TBM掘进使用车辆有足够的调转空间。二山岭隧道开敞式TBM的应用第17页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 同步衬砌工法中，革新了边墙基础施工工艺。并优化了供水、供电、通风管（线）路的铺设。二山岭隧道开敞式TBM的应用第18页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 2）建立了TBM维修养护中相关主轴承大齿圈轮齿的洞内开仓快速修复技术。建立了大齿圈轮齿修复工艺:通过对主轴承大齿圈齿轮的掉块进行材质分析，对修复工艺等进行研究，确定了采用仿激光焊机堆焊修复技术。二山岭隧道开敞式TBM的应用第19页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 提出了齿形修复方法：采用三连齿拓模为标准进行齿形检测。二山岭隧道开敞式TBM的应用 开孔图开孔图 打磨、探伤打磨、探伤 三连齿拓模进行精磨三连齿拓模进行精磨 压痕部分打磨压痕部分打磨第20页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 应用效果：通过应用TBM主轴承大齿圈轮齿洞内开仓快速修复技术，修复周期仅需1.5个月。相比采用传统的TBM主轴承大齿圈轮齿更换或洞外修复技术，修复周期缩短4.5个月。二山岭隧道开敞式TBM的应用修复后的齿背面修复后的齿背面第21页/共41页 4、南疆吐库二线SK2标中天山隧道 （2）施工情况及技术创新 3）提出了适用于老龄期开敞式TBM不同地质条件下快速施工技术。建立了不同地质条件下TBM施工合理掘进参数：通过对TBM掘进参数与岩石耐磨性、TBM掘进速度与岩石强度及完整性、TBM掘进推力与掘进速度相关性等的研究，得出了老龄期开敞式TBM不同地质条件快速掘进参数。二山岭隧道开敞式TBM的应用围岩名称围岩名称掘进模式掘进模式推进压力（推进压力（bar）平均扭矩平均扭矩(%)掘进速度掘进速度（m/h）平均掘进平均掘进速度速度(%)刀盘转速刀盘转速(rpm)刀具选择刀具选择变质岩变质岩手动手动15218050671.042.04455.4 进口刀具与国产刀进口刀具与国产刀具配合使用。具配合使用。高标号（编号为高标号（编号为50#以上的刀具）使以上的刀具）使用进口刀，低标号使用进口刀，低标号使用国产刀用国产刀角斑岩角斑岩手动手动18020040600.781.47505.4花岗岩花岗岩手动手动完整段完整段18022128490.611.48385.4节理密集段节理密集段5060第22页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 本工程为城市硬岩中利用开敞式TBM在地铁隧道中施工的首例，丰富了我国城市地铁隧道的施工技术，提高了城市岩石隧道的修建技术水平和施工工艺，也为岩石地层城市地下工程修建技术提供了发展方向。三地铁隧道开敞式TBM的应用第23页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （1）工程概况 工程为五里店山羊沟水库段，长12.122km，工程地质主要为级围岩，占99.4%，岩性主要为砂岩、砂质泥岩和泥岩，其中砂质泥岩和泥岩占88%，遇水易软化、结泥。地下水主要为裂隙水，潮湿、滴渗状，部分地段为线流水。三地铁隧道开敞式TBM的应用第24页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （2）施工进度情况 右线TBM于2009年12月25日始发，于2011年7月31日全线贯通，累计掘进6679.188m；左线TBM于2010年1月13日始发，于2011年10月8日全线贯通,开累掘进6851.297m。平均月进尺406.76m，平均日进尺13.56m。本工程TBM打破了全国城市地铁盾构施工月掘进783.6米的纪录，创造了城市轨道交通建设TBM施工单机日掘进46.807米和单机月掘进862米的全国新纪录。三地铁隧道开敞式TBM的应用第25页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （3）技术成果或关键技术 1）TBM施工对周边环境影响分析 TBM掘进对围岩扰动小、噪音小，且自带除尘风机设备处理粉尘；由于TBM初期支护作业与掘进同步，及时封闭围岩，避免了由于初期支护不及时造成的拱顶沉降及周边位移，TBM掘进对周边建筑物等环境影响较小。城市隧道TBM施工与钻爆法相比存在以下优点：隧道为圆形断面，隧道成型好；洞周表面光滑，减少了应力集中；TBM对围岩扰动小，能够有效控制超欠挖，并可24小时连续作业，掘进速度快；对周边环境影响小，减少扰民的同时保证了地表建筑物的安全。三地铁隧道开敞式TBM的应用第26页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （3）技术成果或关键技术 2）泥岩地质条件下TBM快速掘进技术 泥岩地质情况下，制约掘进的主要因素有两个，其一是掌子面含泥量大，刀盘结泥；其二是围岩完整性差，易掉块。三地铁隧道开敞式TBM的应用第27页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （3）技术成果或关键技术 2）泥岩地质条件下TBM快速掘进技术 针对刀盘结泥的问题，在泥岩地段掘进时关闭刀盘喷水，在后部1#皮带机处增设喷水、喷雾装置以降尘；另外每天强制4小时检查清理刀盘，以确保掘进顺利与正常。三地铁隧道开敞式TBM的应用喷水降尘雾化除尘第28页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （3）技术成果或关键技术 2）泥岩地质条件下TBM快速掘进技术 针对遇塌腔、掉块停机支护的问题，在护盾尾部拱顶120设置焊接支撑钢筋，遇掉块时可不必停机支护。三地铁隧道开敞式TBM的应用第29页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （3）技术成果或关键技术 3）TBM频繁过站技术 分步进过站及掘进过站，若车站具备TBM步进通过条件则直接步进过站；若TBM掘进到达车站时不具备TBM步进通过的条件，则TBM掘进通过车站，然后再进行扩挖车站洞室。三地铁隧道开敞式TBM的应用平底步进过站弧底步进过站第30页/共41页 重庆轨道交通六号线一期工程TBM试验段 （4）技术创新 1）在国内首次城市地铁TBM施工中，通过对TBM相关设备如：刀盘、刀具、刀盘防尘、刀盘喷水系统、材料运输系统、皮带系统、撑靴系统、降尘设备、溜渣斗系统等优化设计和改造，提高了TBM的适应性和利用效率。2）通过对城市地铁TBM施工环境影响的监测和数值模拟分析，特别是对周边建筑物及桥台等的振动影响监测，填补了TBM在城市环境中的施工对周边环境振动影响监测的空白，为后续TBM继续在城市环境中的应用提供了可靠的环境振动影响数据。3）通过对TBM的过站工法及频繁过站技术进行研究，从时间和空间顺序上分析了TBM过站对车站工期及车站后期施工技术的影响，实施了掘进过站、平底步进过站以及弧底步进重叠过站等三种过站方案。三地铁隧道开敞式TBM的应用第31页/共41页1、辽西北供水工程（二段）施工五标 （1）概况 工程位于辽宁省抚顺市清原县和铁岭市开原市境内，为输水隧洞工程。输水隧洞长35078.18米，纵坡i=0.3115，采用1台TBM+钻爆法施工；TBM施工段采用1台8.5米敞开式TBM掘进施工，总长10060米，其余均为钻爆法施工段。（2）地形地貌 隧洞在长白山余脉及吉林哈达岭底部通过，多为侵蚀隆起与断褶中低山丘陵地形。高程范围360520m左右，最大高程655m。洞室埋深一般为120300m，最大埋深424m，最小埋深113m。四应用前景第32页/共41页1、辽西北供水工程（二段）施工五标（3）地层岩性四应用前景 本段主洞线穿越的地层及岩性主要有中生代白垩纪小南沟组（K1x）和太古代（Ar3o、Ar3v）、晚古生代二叠纪（P2m、P2）、中生代侏罗纪（J2）、中生代白垩纪（K1o）等侵入岩。其主要工程地质特征见下表：第33页/共41页1、辽西北供水工程（二段）施工五标 （4）工程重难点 施工进度指标高：工期异常紧张，要求平均进度指标达到719m/月，如何发挥TBM的效能，实现持续、快速掘进是重中之重。不良地质段施工：隧洞穿越的F65断层宽50m，影响宽度共350m，断层破碎带对掘进的影响较大。长距离独头通风：最长通风距离8km，并且通过施工支洞向主洞送风，如何保证独头通风效果是本工程的难点。现浇仰拱同步衬砌施工：开敞式TBM现浇仰拱同步衬砌施工在国内尚无先例，在现浇仰拱同步衬砌模板台车结构设计阶段，必须进行专项设计，防止施工干扰，保证TBM掘进及现浇仰拱的施工效率。另需对现浇仰拱同步衬砌施工工法进行深入研究，切实形成一套成熟的施工工法。四应用前景第34页/共41页2、引汉济渭工程TBM段岭南工程项目 （1）概况 该工程位于陕西省宁陕县四亩地镇，标段全长18.717km，为解决TBM长距离出渣和通风问题，标段中间设一座4号支洞。采用一台8.02m敞开式硬岩掘进机施工，隧道内径为7.16m的圆形断面。（2）地形地貌 为秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏，高程范围10502420m，洞室最大埋深约2000m。四应用前景第35页/共41页2、引汉济渭工程TBM段岭南工程项目 （3）地层岩性 主要涉及地层泥盆系中统刘岭群池沟组变砂岩、下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩。四应用前景序号序号岩性岩性岩性特征岩性特征长度长度1石英岩灰白色，主要矿物成份为石英、长石等，细粒变晶结构，块状构造，岩体表层强风化，风化层厚度13m。7002花岗岩灰白色，主要矿物成份为斜长石、钾长石、石英和少量黑云母及角闪石，粒状变晶结构，块状结构。岩体表层强风化，风化层厚度13m.140373闪长岩灰色及灰白色，主要成份为斜长石、石英、普通角闪石、黑云母，中细粒、中粗粒结构，节理裂隙不发育，岩体完整，岩质坚硬，岩体表层强风化，风化层厚度13m。39804碎裂岩糜棱岩灰-灰白色，原岩以花岗岩、闪长岩为主，块状构造，岩体较破碎，为断带物质，结构面较发育。220第36页/共41页2、引汉济渭工程TBM段岭南工程项目 （4）围岩分类四应用前景类围岩3050m约占16.3%类围岩13607m约占72.7%类围岩1340m约占7.2%类围岩530m约占2.8%类围岩190m约占1%第37页/共41页2、引汉济渭工程TBM段岭南工程项目 （5）工程重难点 高石英含量硬岩掘进：、类围岩占89%，掘进过程中如何减少刀盘保养时间，降低换刀频率，如何实现在高抗压强度、高石英含量硬岩中TBM持续快速掘进。强岩爆地层施工：预计岩爆段17906m，其中强烈岩爆段3880m，中等13030m，轻微岩爆996m，占标段长度18717m的95.7%，岩爆防治将成施工组织常态。高岩温和长距离通风：TBM独头通风距离第一阶段为10850m，第二阶段最长达15000m，且通风管需穿越同步衬砌台车。由于隧洞埋深大，地质资料预测最高地温42，考虑TBM设备散热、刀盘与掌子面摩擦发热，预计洞内温度最高可达4550。如何有效解决高岩温和通风问题，是本工程的重点和难点。四应用前景第38页/共41页2、引汉济渭工程TBM段岭南工程项目 （5）工程重难点 断层破碎带施工：断层QF4属区域性断裂，断带宽度190m。TBM在断层破碎带中掘进，主要的工程难点是：围岩变形大，易造成塌方，掘进方向难以控制，TBM撑靴落空无法推进，突发涌水、涌泥等问题，导致无法正常施工。施工排水：3号支洞斜长3885m，洞身高差316.76m，通过3号支洞进入主洞施工，主洞掘进为反坡排水施工，地下水向掌子面汇集。四应用前景第39页/共41页 谢谢！谢谢！中铁隧道股份有限公司中铁隧道股份有限公司第40页/共41页感谢您的观看。第41页/共41页