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    地下工程论文doc

    发布日期:2020-12-09 04:04 工程论文

      从重庆轻轨6号线浅谈TBM 技术的应用 摘要:重庆市轨道交通6号线是一条贯穿南北的交通线路,由南岸区茶园到北碚区,规划 线号线将采用美国罗宾斯公司生产的TBM掘进机。本文总 结和阐述了隧道掘进机设计制造以及施工技术的发展方向、发展趋势, 并分析了 TBM 在国内的应用前景。 关键词 隧道掘进机 设计制造 施工技术 发展前景 工程概况重庆市轨道交通6号线是一条贯穿南北的交通线路,由南岸区茶园到北碚区,规划线号线分两期建设,一期工程由上新街至礼嘉,二期工程线路分为南北两段, 南段茶园南—上新街,北段礼嘉—五路口。重庆轻轨6号线号线将采用美国罗宾斯公司生产的TBM掘进机,世界上最先进的隧道施工 机械,该机号称“现代化隧道作业工厂”,但其寿命仅有35公里。TBM掘进机直径近7米,一 个月一般能掘进岩石两三百米。挖掘速度比人工快了10倍,安全性能高、施工不扰民等,这 是国内城市轨道建设中,首次尝试使用该机器。 隧道掘进机(以下简称TBM)采用机械式破岩,集隧道施工的开挖、出碴、初期支护、通风 除尘、敷设隧道轨线以及风水电延伸于一体, 具有快速、优质、安全、环保等施工特点, 现了长大隧道施工的工厂化作业。TBM技术的发展, 为安全、快速、高效、经济、环保地建 成更多的长大隧道提供了可能。TBM 技术的发展包括设备技术和施工技术两个方面。 TBM设计制造技术发展TBM 技术已经在隧道施工行业取得了强有力的地位, 并且通过制造商和用户的不懈努 每天都会从施工现场反馈大量信息,这些实践经验对于TBM 设计制造水平的提高、对于 TBM 技术的更快发展具有重要意义。讨论TBM 技术的发展, 必须提及3个方面的内容。 1)掘进过程的基本参数。即TBM设计的工作能力等参数, 如刀盘刀具形式、驱动方式、支 撑形式等与掘进破岩直接相关的特定参数。 2)掘进施工辅助系统性能参数。这是所有隧道施工时必须予以高度重视的,如TBM 设备上 配置的喷锚、锚杆、钢拱架、钢筋网支护以及超前预报与支护等初期支护设备所具备的性能 参数。 施工企业同样关注的特殊性能。如TBM在不同地质条件下的可应用性,设备较易翻新以 适用更大或更小的隧道直径, 在同一工程中开挖直径的变化(使用扩孔刀)等, 这些已成为 TBM 设计制造的研究课题。 基本参数TBM的特定数据如推力、行程长度、刀盘转速、扭矩和安装功率, 取决于TBM 制造业的 不断发展。对于一台高速TBM, 如开挖直径为D, 根据德国相关专业人士的研究结果, 200)kN 扭矩 Md 40~50) 0m重载轴承、大功率的变速箱及电机、液压元件、控制技术等的新发展, 改进了TBM 关键 部件的质量、寿命与可靠性。此外, 施工行业对机器布局紧凑、易维修、自动监控、便于运 输、快速拆装等特殊要求是TBM 未来发展的关键因素。每隔5~ 7年总能看到上述项目的飞速 发展。刀具是隧道开挖中最重要的耗损件, 一直在不断地改进, 刀具直径与承载能力不断提 最初采用11英寸、12英寸滚刀,目前已经成功实现了19英寸刀具的逐步推广, 单刀承载 能力达到31 并且有厂商正在研制21英寸盘形滚刀。这就要求必须采用高性能轴承和用高性能耐磨材料生产的刀圈。由于地质条件的未知性和岩石性能的多变性,同时最佳的刀盘转 速很难实际地质条件完全吻合, 因而在大多数情况下, 可能会产生很大振动, 降低TBM 进速度,增加停机时间, 提高刀具、易损件和备件的消耗成本。所以应特别关注驱动系统的 正确选择。 通常TBM 可选用3种不同的驱动系统: 1)电驱动、带摩擦式离合器(如TB880E型隧道掘进机); 2)电驱动、变频控制、无级变速(如TBM401-319、TBM332-336) 3)液压驱动、无级变速(目前盾构机应用较多)。在驱动电机和行星齿轮箱之间装有摩擦式离合器的直接电驱动系统是成本最低的可行 方案, 一般当最优先考虑投资成本时选择此方案。为使TBM 最大程度地适应岩石变化, 并能 控制过载力和振动, 特别是大直径TBM, 其驱动系统显然应为无级变速式。无级变速驱动系 统可根据实际遇到的岩石情况灵活改变刀盘转速, 对于含很硬岩石、块状岩石和风化岩石的 断层中变化较大的地质条件, 这是最重要的特性。无级变速驱动提高了TBM 的使用寿命, 改进了同一台TBM在不同隧道直径的其他工程中使用的多用性。 掘进辅助系统对于隧道施工, 安全、快速掘进是目标, 但仅仅依靠TBM 具有很高的破岩掘进能力还远 远不够, 由于工程地质条件不均匀, 初期支护、超前探测、超前预加固非常重要, 可以说在 某种程度上制约着实际的掘进速度以及施工安全。随着相关技术与行业的不断进步, TBM 配置的初期支护、超前探测、超前预加固设备的性能大大提高,同时便于施工操作的人性化 设计理念被TBM 设计者所掌握, 这对于减少非掘进时间、增加纯掘进时间、提高掘进速度有 着不可忽视的作用。对于今后的TBM, 初期支护等掘进辅助系统的布局将会更加合理, 设备 性能更加优越、灵活性更强、可靠性更高。用来施工超前探测孔、施作超前锚杆、管棚和超 前注浆孔的超前钻机, 设备性能、安装位置、操作的便捷性、工作的有效性将会大大提升, 对不良地质条件的能力大大提高,对于保证TBM 在不良地质洞段掘进施工的安全与速度都 将发挥更大的不可替代的作用。最新的发展是钻机可通过刀盘进行钻进, 以便在TBM的正前 方探测、处理围岩。在TBM 前方进行非破坏性地层探测的最新发展是BEAM 技术, 通过测试 岩层电阻率探知岩体质量和其中的空洞及水体, 其创新之处是该系统在TBM 掘进时进行操 特殊性能刀盘开挖直径可变, 以适应围岩不同程度的径向收敛变形和(或)不同厚度的支护是提 高TBM 对围岩适应性的主要途径之一。已有几种/ 径向扩挖0的解决方案, 允许将开挖直径 增大5~ 25 cm, 在特殊条件下还能允许更大范围的扩挖, 虽然该技术尚未成熟, 但代表了 TBM 技术的一个可行的发展方向。刀具消耗成本在TBM施工中占用较大比重, 降低刀具消耗, 有时最简单的解决办法却有最高的效率。比如刀盘前面较大的排碴槽使岩碴能很容易地快速 排出, 减少石碴的二次破碎, 节省能源且产生较少的岩粉, 降低了刀盘、刀具和刮板系统的 总磨损量。特别是在软岩硬岩交替、非磨蚀性和高磨蚀性地层交替的工程中, 该方案值得考 虑。但刀盘开孔率的提高必须和刀盘所需承受的荷载、寿命、可靠性等有机结合起来, 不可 盲目实施。减少刀具更换频次与每次所占用的时间, 以增加纯掘进时间, 是提高TBM 掘进效 率的有效途径之一, 也将成为TBM 技术发展趋势之一。各地区环境条件不同, 隧道功能和断 面要求各异, 需要的TBM有所不同, 因此TBM 的研发将向多样化发展。由于TBM 本身设计寿 命较长, 通常一项工程贯通后, 尚未达到必须报废的状态, 因而改装旧TBM,使之适应后序 工程施工势在必行。显然, 在TBM 设计过程中就应该充分考虑以简单易行的措施提高其开挖 直径的适应范围、不同附属设备的简易适配、维修的便捷性, 目标是以较低的成本和代价实 现TBM 的成功修复改造并保有较高的可靠性。未来的TBM将在功能、造价、自动化程度及使 用灵活性上优于目前, 并从根本上解决隧道衬砌问题。从目前的发展趋势来看, TBM 可能走 向两极化: 一是造价低廉、功能单一、适用于单一地质条件的TBM; 二是造价昂贵、适用于 复杂地质的多功能TBM。同时, TBM的动力装备也将进一步增强。 掘进中的地质监测和地质预报由于时间、技术装备、技术水平等诸多因素的限制, 长大隧道施工前的地质勘测不可能 很详细、很准确, 施工过程中经常会遇到地质资料中没有标明的不良地质条件, 从而影响 TBM 顺利掘进施工。为确保TBM 正常掘进(特别是在通过不明确的不良地质段时), 施工过程 中必须进行地质监测与预报,以弥补前期地质资料的不足。准确发现并预报掌子面前方及附 近的不良地质状况, 及时优化施工方案, 改进工艺, 做好支护和衬砌, 方能确保围岩稳定。 提高TBM施工速度TBM 施工最大的特点就是安全、环保、快速,TBM 的高效率是促进该技术不断发展前进 的重要动力, 因此各相关企业与部门一直在努力, 不断提高TBM施工速度, 同时确保工程质 量与安全。 TBM在不良地质洞段的施工技术 长大隧道的工程地质条件不可能均匀一致, 总体围岩状况虽然可能很好, 也不能排除 存在部分不良地质洞段, 而TBM 固有的特性导致灵活性较差,因此需要深入研究TBM 在不良 地质洞段的施工技术。 降低TBM施工成本TBM 施工虽有诸多优点, 技术也日趋成熟, 但在我国的推广阻力一直比较大, 究其原 因主要是施工成本偏高。我国以往对环保的要求标准不高, 并且劳动力资源非常丰富而廉价, TBM 相对于钻爆法对于劳动力的需求量小得多; TBM 技术在我国应用时间不畅, 在工程设 计、施工、管理等方面经验不足, 有待提高。各方面都在积极努力, 从设计到施工均在探索 降低TBM 施工成本的措施, 其成功的显著效果将对促进TBM 法在我国的推广起到重大作用。 同步衬砌施工技术以往TBM 施工过程中不论采用有轨运输方式出碴还是连续皮带机出碴, 都是TBM 掘进 完成后施作二次模筑衬砌, 无法实现TBM 掘进与二次模筑衬砌同步施工, 工期较长, 并且 与铁道部、建设部等部委颁布的二次衬砌与隧道开挖掌子面间距不能超过文件规范确定的限 界的要求不相符。确保施工质量与安全, 满足相关文件、规范确定的隧道开挖掌子面与二次 衬砌之间距离不能超标的要求, 实现TBM 掘进与二次模筑衬砌同步施工。目前在南疆铁路吐 库二线中天山隧道成功实现了开敞式TBM 掘进、辅助洞室开挖、二次模筑混凝土衬砌施工三 同步, 并且在不影响TBM 掘进施工的前提下, 二次衬砌月进度达到500 以上。结合兰渝铁路西秦岭隧道TBM施工特点, 研究了连续皮带机出碴条件下TBM 掘进与二次模筑混凝土衬砌 同步施工技术, 技术方案已经确定, 同步衬砌台车正在制造中, 计划TBM 组装完成后立即 组装同步衬砌台车, 一并进洞共同作业。 TBM发展趋势国外掘进机公司各自生产的TBM 产品大多自成系列, 其设计、产品、零部件已经在公司 内部形成系统, 具有一定的通用性。据分析, TBM 产品系列的主要参数如刀盘驱动功率、刀 盘扭矩及推力是根据硬岩、刀盘额定转速及每把盘形滚刀最大承载力等确定的, 通常情况下, TBM 制造商均按照其系列参数设计产品, 并且认为TBM 系列产品适应性强,主要性能并不局 限于单一工程地质条件。国外各主要TBM 厂商投入大量精力研发新技术, 比如盘形滚刀已经 从17 in成功发展到19 承载力大大增加;适用于软硬岩石的双护盾TBM 得到广泛发展并 普遍适用; PLC (可编程控制器)程序控制系统替代原来的有线继电器逻辑控制成为标准配置, 控制整机的电气、液压、润滑等系统; 刀盘结构设计更加合理、选材具有更强的结构强度和 耐磨性, 寿命大大增加; 开挖直径向大直径和微型两个方向发展, 通常直径为1. 大直径甚至达到15m,小直径微型TBM 开挖直径达到0. (但直径过大或者过小都会给掘进施工带来很多的困难和问题, 因而在工程设计和TBM 选型过程中应予以高度重视) 挖断面形状从单一的圆形断面,发展为双圆或多圆、甚至不规则断面TBM; 隧道走向有水平 掘进TBM, 竖井TBM 和斜井TBM。 TBM国内应用前景分析两院院士潘家铮教授在2001年曾经说过: 过去我们TBM 用得少, 不是不想用, 而是没 有条件。如果现在不采取积极主动措施, 我们将永远落后。TBM 方面我们也取得过一些成果 和经验, 包括与外国合作的好例子, 但远远不能满足要求。要使TBM技术在我国取得发展, 既不能闭门造车, 也不能只靠购进; 既不能只靠行政命令也不能全靠市场行为, 需要把两 者结合进来。近年来, 世界各国竞相修建长大隧道已成为一种趋势。我国隧道的建设有3个 非常明显的趋势:一是需修建的长隧道越来越多, 长度越来越长; 二是以隧道方式跨越江、 河、湖、海水域的工程越来越多; 三是水工隧道、城市隧道和地下铁道的建设将迎来高潮。 发达国家的隧道施工, 一般优先考虑TBM法, 只有在TBM 法不适宜时才考虑采用钻爆法。专 家预测, 在未来50年里, 我国的经济将高速发展, 作为基础设施建设的交通、水利、能源将 放在优先地位, 预计今后20年, 我国在铁路、水利水电、公路、地铁及城市隧道、采矿业等 领域的隧道建设将有6 000 km, 每年需要大量的隧道施工机械设备; 铁路建设中已经掀起了 客运专线建设的高潮, /十一五0期间, 我国将修建客运专线万km, 其中隧道约占2 000 km; 各地水利水电建设、南水北调工程等等也将修建大量隧道, 其长度甚至会达到上百公里; 对于长大隧道、特长隧道,钻爆法难以达到快速、优质、安全、经济建成的目的, 唯有TBM 才是最佳选择。目前, TBM 正在我国逐渐推广使用, 在建工程除地铁外, 包括四川锦屏电站 引水隧道、新疆八十一大阪输水隧道、吐库二线铁路中天山隧道、兰渝铁路西秦岭隧道、引 红济石、甘肃引洮供水等硬岩隧道, 这是TBM 在中国发展的一大进步, 我国用TBM 开挖的隧 道累计约200 km, 而据有关统计, 我国有各类可用掘进机开挖的工程隧道约5 800 km,约需 掘进机120~ 150台。掘进机及其配套设备、易损件、备品备件价值总计达上百亿元。掘进机 的使用和发展具有广阔的市场。可以相信, 通过工程设计、施工单位、TBM 相关行业的共同 努力, 以施工实践充分证明TBM 法的安全、快速、环保、对围岩扰动小等一系列优势, 同时 系统研究, 全面降低TBM 施工成本, 则必定会迎来TBM 施工技术在我国的全面推广。 参考文献 开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的 施工技术[ 土木工程学报,2005( 中国铁道建筑总公司.隧道掘进机施工技术[M 北京:机械工业出版社, 2005 现代隧道技术,2002(


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