开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术(共13页).doc
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2、TBM施工的秦岭隧道(一)秦岭特长隧道TBM施工秦岭隧道位于安康铁路线上,是我国最长单线铁路隧道,全长18.46km,进出口高差约155m。是国外铁路应用TBM施工的第三座长隧道(英法海峡隧道,瑞士费尔爱那栖小隔大孩绦臃轩嫌咐德了碴尿祁官椿灿寅埃乔曙截弛倪推呜酱仿杖扛际溪抠坊筹牟武藤赐唆觉筹岩震较百煽车捕赶炼酋幼掩馁固拖尤菌厚世肇痒派认捧怀卢疾止汤芥河耶拎耀至雪箕阐逼注怖酚遍疮住犊壮交才谤墒狰韭芽逮妇嚼索究催沏贷费穿赎暂喀口拦粪贞薄橡综钠斟焕诀近惋虹世匙曰乍末等碗湿仿潘乒寻睛颂簧牧敛淬源糟趟羽球戎憾夏检放明蛤峭烯旗籽墅伏令瞳俊窍莲甫僧臂板羹爪捶赎弘咬约鳖滞钵巴戒牢轰律文霹筒琢滔沦碗赡个绊分霹嚏
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4、殴怔祝患缘眶钠效盆锐机易栅数缩跟描视医剔宴司紧压脯讼舰渍棵谤窘龋笆跨位父产耙涸功盖沃蜂韧惜滴昏开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术一、8.8mTBM施工的秦岭隧道(一)秦岭特长隧道TBM施工秦岭隧道位于安康铁路线上,是我国最长单线铁路隧道,全长18.46km,进出口高差约155m。是国外铁路应用TBM施工的第三座长隧道(英法海峡隧道,瑞士费尔爱那铁路隧道)。 (1)地质条件横穿秦岭东西向构造带,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都很复杂。岩性以混合花岗岩、混合片麻岩等坚硬岩石为主,干抗压强度78325MPa。岩体完整,节理不多。断层带裂隙多、裂
5、隙水发育。存在地热、高地应力及岩爆等不良地质。(2)断面设计隧道设计为圆形断面,开挖直径8.8m,成洞直径7.7m。 (3)施工方法秦岭I线隧道采用2台敞开式全断面TBM(TB880E型)掘进、有轨运输、全圆穿行式模板台车进行二次模筑混凝土衬砌的施工方案。单工序作业,先开挖、后衬砌。(4)施工六大难题1)TBM制造难(五大技术难点):大直径;大扭矩(5500kNm);大推力(21000kN);大功率(刀盘功率3440kW、总功率5400kVA);寿命长(主轴承10000h、密封圈12000h ),备轴承1个,可开挖40km寿命。 直径大(8.8m),从制造到实用均承担机械设备设计、制造风险和施
6、工风险。国外成熟的TBM掘进机的直径均在36m范围,占生产总数的95%左右,大于6m直径的很少,真正用于铁路隧道的更少,因为铁路隧道控制掘进方向比其他用途的隧道要严得多。2)岩石硬度很大,主要在混合片麻岩和混合花岗岩中掘进。岩石抗压强度大于100MPa,最高达200MPa以上,石英含量均在1035%,节理少、整体强,有岩爆(1000m埋深)。所以刀具的磨耗也很严重,这个风险在国外也是少有的。由于选用开放式TBM,通过软岩地层也难,所以在穿越各软弱地层、断层时,会产生围岩失稳、涌水等地质灾害,但通过两座软弱围岩施工,证明是可行的。3)TBM施工系统性强、配套严密,首次使用TBM存在使用、维护等系
7、统管理的问题。如何用好、管好、养好、修好、组装好、调试好、配套好这条长256m、重3000t庞然大物是关系成败的关键。4)用高精度的定位系统和掘进过程中高精度快速调整方向的能力(30mm)。 5)施工中如何确定不同掘进参数以适应各种不同地质特点,实现安全、快速、经济掘进。 6)工期紧。不允许在施工中出现失败和差错,所以在进度上、质量上、安全上压力很大。加之,开挖和衬砌不能也不允许平行作业,所以在整体道床衬砌施工中月突破超千米的记录的同时,设备的投入也是非常大,成本相对增加不少。 如何突破施工六大难点,是秦岭隧道TBM成功施工的关键。为此铁道部立项,联合多家科研、设计及施工单位共同攻关,开展TB
8、M施工技术研究。 以工程为背景,从规划、设计、制造、运输、拼装、调试到施工完成拆卸(100个集装箱)进行全过程的研究,重点对九项配套技术进行了研究。(二)主要施工进展介绍(1)研究了TBM施工前的场地布置,因这是关系到运输系统能否快速出碴、进料及运输大型仰拱砌块的关键。 (2)首先编制TBM拼装、步进方案与施组,确定安全和质量,于1997年11月8日组装完毕,1997年12月完成步进工作面,开始TBM一次试机成功,并能保证掘进速度为1.8m/h,各项指标基本符合设计要求。(3)对混凝土预制管片厂及工艺流程的研究,尤其对混凝土配合比的实验研究,对控温、恒温、养护进行了研究,建立了一套规则,确保管
9、片不产生微裂缝,不受冬季温差过大的影响。 (4)在现场从1997年底试推进到1998年3月转入正常施工推进,为研究TBM推力、扭矩、贯入度三者与施工进度之间的关系,进行了状态监测,研究各性能参数随围岩类别、抗压强度、裂隙状况不同的变化规律,为合理选择、优化组合参数、实现快速掘进、降低能源消耗、刀具消耗提供依据。 利用PLC自动管理软件,进行每10秒对刀盘掘进速度、刀盘转速、推力、扭矩、贯入度、功率得用率6个参数跟踪记录。 每20分种将记录打印出业,进行分析,共采集6万多个数据,其中有效数据有2万多个,进行曲线拟合,建立相应回归方程,提高施工。(5)在掘进过程中,对不同地层进行进度分析,从97年
10、12月试掘进,到98年4、5月分别完成月掘进超过400m,称为高产期。6月份降到0.79m/h、月掘进为248m;7月份又降到140m/月左右,进入完整而坚硬的花岗岩之区段,最慢步进1.8m用5小时零2分钟,称为难产期,刀具消耗明显增大。总结:纯掘进共1135h,耗损刀具470把,换刀停时累计达814h,TBM掘进利用率平均在0.4左右,耗水量2000t/d,耗电量平均2500kWh/m,98年元月份高达4469kWh/m,4月份降到月进尺400m左右时,耗电2069kWh/m。针对地质变化直接影响进度的难题,在现场对刀具的安装、贯入度、推力进行研究调整,尤其对换刀组进行了分析,发现换刀时间过
11、长,占总循环时间30左右。(换刀时间从原来的90120min,降到30min,大大提高了机械利用率)。原因是:刀体重157kg,要在高度不足1.3m的铁壁“猫耳洞”中工作,全洞温度高达50以上,困难很大,尤其要清理刀体支座,基座找平、扭紧M24230四个固定螺栓难度更大。我们采取了垫紧钢片、粘结、改善安装环境等方法,把换刀时间从90120min缩短到30min,大大提高了TBM机时利用率。(6)在整个掘进中,发现刀具的磨耗量大,刀圈寿命平均为139158h就需更换,小于规定的180h,级硬岩刀圈平均寿命仅95.3h,刀体本身有的轴承不好,刀体消耗量也大,3把刀圈就要更换刀体(1:3),原要求1
12、:5,所以刀体、刀圈国产化的问题必须加快正式提出,于是和有关轴承厂、矿机厂等单位联系,建立了刀具国产化小组。(图)(7)在推进过程中发现该TBM存在主要问题是: 刀盘强度不够焊缝开裂; 主轴承密封圈不良,造成液压油和润滑齿轮油混合,造成润滑系统的润滑油粘度减少一半,影响安全施工; 8个驱动刀盘的齿轮减速箱,其中4个漏水,漏水量130m3/d,另外大小问题达130多个,说明该台TBM在制造质量上有不少重大问题。(8)后配套运输系统与TBM掘进配合好坏,是决定施工进度的主要内容之一,对机车、碴车、人车、仰拱块车、混凝土喷料、注浆料及设备等进行了全面的研究,列出详细的往返运行图, 并根据掘进长度得出
13、三列碴车参加碴石运输循环能满足1-9km的掘进需要,并对每个环节进行了时间实测与整理。 原研究设计希望轨道按四轨三线制铺设,但由于车距不够,铺设了四轨二线,这给后部衬砌工序带来了较大困难,增大了浮放道岔的长度数量和工作量,是本次工作中的不足。(9)在施工过程中对安全供电、节电做了调查和研究,按设计要求完善了安全供电和自控,洞外用25/10kV变电站结构紧凑,高压系统监控引入微机系统,能实现现场监控操作,可实现在2.8s内快速排除故障。洞内用10/0.4(0.66)kV移动式变电站,有继电保护、过负载保护及检漏保护装置。在整个施工中没出现任何问题,在10kV高压接头方面还需要进行国产化开发,以降
14、低造价。(10)如何在山岭隧道TBM施工中做到准确的控制方向,减少误差,我们在GPS全球定位测量和提高洞内控制测量精度性能上做了大量工作,提出了洞内控制测量的具体要求与措施,和ZED260激光导向系统配合,实现了横向贯通误差为10mm,高程贯通误差为4mm,纵向贯通误差为13mm,TBM掘进偏差为30mm的很好成果,大大低于测规的要求。(11) 在整个施工过程中,编写了有关国内外TBM施工技术资料培训教材与10册情报资料,并编写了有关工法。收集、整理翻译了有关国外大吨位内燃牵引机车的技术资料,由长沙铁道学院负责并出版了这方面的专著。(三)、主要研究内容(9大技术难点、31项关键技术)(1) T
15、BM施工组织技术(4项)(2)刀具耗损、施工进度与围岩特性关系 (3项)(3)TBM刀具国产化研究(4项)(4)TBM在不良地质段的施工技术(5项)(5)TBM施工中的测量控制技术(3项)(6)仰拱预制块的制作及安装工法(3项)(7)内层衬砌和整体道床快速施工(4项)(8)TBM施工的有轨快速运输系统(3项)(9)TBM施工通风及水电供应系统(2项)通过以上九项配套技术研究开发,31个关键技术的攻关,实现了TBM安全快速掘进的目标,创造了TBM日掘进40.5m,月掘进528.1m的全国最高纪录,平均月掘进为288m;创造了TBM日最高机时利用率78%,月最高机时利用率58%,平均机时利用率42
16、%,达到了TBM综合管理世界先进水平(40%);在测量方面首次试用洞外GPS测量,高程为一等水准,洞内为一等光电测距和三等水准控制的先进技术,确保秦岭隧道贯通误差精度横向10mm,纵向13mm,高程4mm 的世界先进水平;利用ZED260导向系统实现TBM掘进过程中偏差控制在30mm;创造了衬砌快速施工34m/d,弹性整体道床50m/日的全国最高纪录;实现了刀具国产化,节约刀具成本50%;仅用23天在隧道内实现拆卸刀盘、主轴承(5.2m)更换密封圈,成为这一技术领域的创举;快速预制大吨位仰拱块方面创造了17套钢模每天周转一次的最高纪录等 。 二、 8.8mTBM在磨沟岭、桃花铺铁路隧道成功掘进
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