书馆banner

您的位置:首页 > 书馆 > 技术资料 > 隧道技术

单护盾TBM快速掘进条件分析

作者:  发布:2015/7/23  浏览:
单位:

摘 要:单护盾TBM在国外很多工程中得到了成功的应用,而在国内的应用则极少。根据引洮供水一期工程总干渠7#隧洞首台单护盾TBM施工的实际情况,重点从工程地质条件、设备配置、辅助工作、施工组织管理等方面进行分析研究,提出为满足单护盾TBM快速掘进所需注意的问题,总结单护盾TBM快速掘进所需条件。

0 引言

TBM施工是一个复杂的系统工程,受众多不确定因素的影响和制约。目前国内外采用TBM法施工的工程项目较多,不少工程项目受各种不确定因素影响而导致施工受阻,TBM法快速高效的优势无法得到充分发挥。地质条件是TBM工法选择的先决条件,部分工程项目前期由于地质勘察不够精确,导致决策过程中出现偏差或失误;部分工程项目由于TBM设备未根据地质情况进行针对性的配置,或TBM施工所需的配置不能满足施工要求,导致施工进度无法达到预期效果。甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞采用1台Φ5.75m单护盾TBM施工,该工程于201111月创造了月掘进进尺1868m的单护盾TBM施工世界纪录。本文根据该项目的实际情况,对单护盾TBM快速掘进所需的施工条件进行分析,并提出相关建议。

1 工程概况

1.1  工程位置及范围

甘肃省引洮供水一期工程总干渠7#隧洞工程位于甘肃省渭源县境内。7#隧洞全长17286m,其中TBM施工段长度为16986m,设计断面为圆形,纵坡为1/1650,采用1台全新单护盾TBM施工。隧洞设计开挖直径为5.75m,管片衬砌后内径为4.96m,管片背后上部270°范围进行豆砾石(510mm)回填,并灌注水泥浆液,设计结石强度为C15,下部90°回填M15水泥砂浆。

该工程管片设计为六边形,纵向为凹凸面球窝结构,管片环外径为5520mm,内径为4960mm,厚度为280mm,宽度为1600mm。每环管片分4(1块底管片,2块侧管片,1块顶管片),单块最大质量约5.2t。根据地质适应性分为ABCD4种类型(配筋有区别),其中A型适合Ⅳ类围岩,B型适合Ⅴ类围岩,C型适合于塌方段以及抢险用,D型适合Ⅲ类围岩。管片拼装展开示意见图1

该工程TBM分主机、后配套、加利福尼亚道岔3部分,全长约380m。其中主机由刀盘、前盾、中盾和尾盾组成,长10.3m;后配套由17节拖车组成,长170m;加利福尼亚道岔由29节平板车组成,总长200mTBM允许最小转弯半径为500m。设计最大推力为28883kN,额定扭矩为4000kN·m,脱困扭矩为6000kN·m

1 管片拼装示意图

1.2  工程地质与水文地质

1.2.1  工程地质

7#隧洞大地构造部位属中、新生代陇西-渭源盆地,TBM穿越东峪沟—秦祁河之间的低山丘陵区(洮河流域与渭河流域分水岭),隧洞最大埋深368m,属越岭长隧洞。

隧洞布置于白垩系、上第三系地层之中。地质条件复杂,围岩相变剧烈,岩性以软岩、极软岩为主,局部洞段有地下水活动。地下水具多层结构,局部有承压性,地下水受构造、地层岩性控制,分布与富集变化较大。

隧洞围岩划分为不稳定Ⅳ类围岩和极不稳定Ⅴ类围岩,其中上第三系极软岩段划分为Ⅴ类围岩,新生代白垩系中硬岩和较软岩划分为Ⅳ类围岩,Ⅳ类围岩占隧道总长的14%,Ⅴ类围岩占隧道总长的86%

1.2.2  水文地质

隧洞岩层总体富水性较差。地下水主要由大气降水补给,降雨稀少,且年内分布不均,地层渗透性弱,地下水水量一般较小(实测泉水最大流量<5L/min)。根据钻孔揭示、试验及水文地质调查,砂砾岩、砂岩孔隙率为20%左右,为含水透水层,钻孔一般有地下水,泉水均出露于砂岩、砂砾岩层部位。泥质粉砂岩和粉砂质泥岩为相对隔水层,地下水分布不均,一般呈层状分布且局部承压,所在山体为微弱层状含水山体。

2  TBM掘进情况

2.1  TBM在出口工作面施工情况

该工程TBM20091229日在隧洞出口始发掘进,201014月,通过优化施工组织,逐步熟悉设备性能和挖掘设备潜力,使TBM月掘进进尺分别为245493.3666.2961m,掘进进度逐月提高。TBM在能自稳地质洞段完全可以保证正常快速掘进,在进入粉细砂层后由于围岩坍塌变形导致TBM接连遭遇卡机,随着含水率由5%增大至23.2%,发生了突泥涌砂地质灾害,最终使TBM栽头受困无法继续掘进。

2.2  整体方案变更

2011年初,参建各方根据补充地质勘察资料做出整体方案调整:将隧洞出口TBM拆卸至进口进行掘进(已探明进口段地质情况较好,适宜TBM掘进),受出口TBM被困处地质条件影响,原刀盘和盾体无法拆除,需重新加工制作刀盘、盾壳;针对已通过补充地质勘察探明分散分布的8段不良地质洞段通过增设4座斜井、原通风竖井工作面、拆机后的出口工作面进行人工钻爆法施工,待开挖支护后,进行TBM空推安装管片衬砌,部分洞段采用现浇混凝土衬砌。

2.3  TBM在进口工作面施工情况

整体方案调整后,TBM于进口工作面重新始发掘进,经过优化改造后的TBM性能得到大幅度提升,连续创造高产。2011817TBM自进口始发后,于当年9月创造了单月进尺1515m、日进尺80.8m的单护盾TBM掘进全国新纪录,10月掘进进尺1718.6m11月掘进进尺1868m,刷新了单护盾TBM月进尺世界纪录。截至2012427日,TBM由进口已累计掘进11120m,平均月进尺为1308m

3  单护盾TBM快速掘进条件分析

3.1  地质条件

地质条件是TBM施工的先决条件,施工方案必须根据工程地质条件进行制定,所采购的TBM必须与工程地质条件具有良好的适应性。为保证TBM快速掘进,地质条件应满足以下几点要求:

1)围岩具备一定的自稳能力。围岩在TBM刀盘开挖形成临空面后会发生坍塌变形,围岩的变形速率和变形量应至少满足TBM在正常掘进速度条件下刀盘及盾体不被卡的要求,短距离不良地质洞段掘进,TBM应具备良好的机况进行连续掘进。另外,由于TBM不可避免存在维护保养、故障等停机情况,围岩的变形速率和变形量应满足在一定时间段内不会导致TBM被卡的要求,针对经评估认为TBM无法通过的不良地质洞段,应提前进行围岩预加固或提前采用人工钻爆法处理。

2)无剧烈的地质构造应力。TBM刀盘开挖形成临空面后,由于地应力作用,围岩会发生收敛变形,严重时会造成TBM被困被卡。在青海引大济湟调水总干渠工程实例中,在TBM施工至断层破碎带,由于地应力作用(最大地应力实测值达到16MPa)造成围岩收敛变形,导致TBM被困数十次,在连续约2年的时间内TBM累计掘进仅200m,严重制约了施工进度,在国内外其他护盾式TBM项目也曾因为类似问题而导致TBM施工受阻。

3)围岩中赋存的地下水会对围岩稳定性造成较大影响。在软岩地质条件下,地下水是造成围岩失稳的重要因素。引洮供水7#隧洞TBM在出口段掘进施工过程中,TBM进入粉细砂层后,在含水量<10%的情况下,围岩发生塌方,由于该TBM设备具备较大的脱困能力,通过调整掘进参数、控制出渣量等措施,仍可保持掘进。但当含水率逐步增大至17%及以上时,粉细砂层饱水后迅速形成突泥涌砂及管涌现象,导致TBM被困无法掘进。

4)围岩应具备良好的可掘性。完整坚硬且耐磨性强的围岩对TBM掘进进度影响非常大,且对TBM刀盘及主机关键部件(如主轴承)寿命影响较大,刀具消耗增大会导致换刀时间过长,进而严重制约TBM施工进度。根据引洮供水7#隧洞TBM开挖揭示,围岩主要为白垩系和第三系地层的泥质砂岩、细砂岩、粉砂质泥岩,围岩单轴饱和抗压强度为3.035.0MPa,围岩节理裂隙较发育-发育,TBM在该类围岩中掘进速度达到60140mm/min,单循环(1.6m)纯掘进时间最快仅需要13min,刀具消耗量小。

3.2  TBM配置

在充分掌握地质条件的基础上,TBM配置应与地质条件有良好的适应性。

1)TBM能力储备。单护盾TBM主要设计参数包括总推力、扭矩、刀盘转速、掘进速度、刀具贯入度等。在考虑到不良地质条件的特殊情况下,设计TBM脱困能力应尽可能有较大的富余,TBM设备的潜力可能在大部分正常地质洞段都无法发挥作用,但当局部洞段遇到不良地质后,设备的潜力将发挥重要作用,成为TBM能否顺利掘进通过的关键。

2)有针对性地进行TBM设计和配置。TBM作为专用设备,必须进行有针对性的设计和配置,只有保证与地质条件具备良好的适应性,才能充分发挥掘进效率。

①引洮供水7#隧洞单护盾TBM原刀盘设计为纯硬岩刀盘,刀盘总质量约为80t,刀盘伸出前盾切口长度为960mm,开口率为11%,在出口段软岩施工中,受围岩塌方影响,且由于刀盘伸出前盾切口的悬臂部分过长,导致施工受阻。主要体现在2方面:一是对周边围岩扰动大加剧了围岩塌方范围,导致出渣量控制困难;二是刀盘受塌方围岩作用的面积较大,且本身自身重力较大,易造成TBM刀盘被卡,在围岩泥化后地基承载力降低的情况下,TBM栽头严重(竖直方向最大栽头663mm),掘进施工严重受阻。TBM转场至进口后,重新加工的刀盘充分考虑了应对不良地质情况,对刀盘结构和伸出前盾切口长度进行了优化,将刀盘质量减少20t,伸出前盾切口长度减少约200mm

②单护盾TBM依靠主推油缸作用在管片上提供推进反力从而向前掘进。引洮供水7#隧洞项目TBM原刀盘设计为顺时针方向旋转(正转)出渣,可以进行逆时针旋转(反转)调整滚动值,但不能出渣。底管片采用混凝土承轨台+中心水沟的设计方式。TBM在出口段掘进过程中,由于刀盘只能沿顺时针方向旋转掘进,造成管片环沿逆时针方向滚动,为保证管片外观质量与结构安全,被迫降低推进速度从而降低扭矩并配合垫木板等措施进行调整,对施工进度影响较大,且运输轨线质量较差,严重制约了运输效率。TBM转场至进口后,将刀盘设计优化为正反转均可以掘进出渣,管片环旋转的难题通过刀盘正反转掘进进行调整,使TBM掘进速度大幅提高,且运输轨线质量改善后有轨运输效率大幅提高。

③引洮供水7#隧洞项目TBM在设计中考虑到供料和出渣的重/轻编组车快速转换的问题,在后配套拖车尾部设计了1200m长加利福尼亚会车平台(TBM掘进移动道岔),使后配套内编组接渣完成后轻编组能迅速到位,保证了掘进施工的连续性,在后续TBM快速施工中起到了重要作用。

3.3  配套设施

TBM本身具备快速掘进的能力,相关配套设施必须匹配快速掘进要求。

1)TBM供料及出渣。引洮供水7#隧洞项目TBM供料及出渣采用单线+会车平台有轨运输方式,1列编组可满足2个掘进循环的材料供应和出渣需要。在掘进高峰期单循环(1.6m)最快作业时间为25min,其中掘进时间为13min,管片安装时间为12min,有轨运输距离约11km。共采用4列编组(其中机头采用27t德国小马机车,车辆制动效果好,运输效率高),在6km处设固定会车平台1处,即高峰期编组50min必须到达TBM尾部加利福尼亚会车平台,做好重/轻编组车快速转换准备。由于底管片采用混凝土承轨台设计,在解决了管片滚动问题后轨线铺设质量好,编组列车在该种轨线条件下重车出洞平均速度能够达到15km/h,轻车进洞平均速度能够达到18km/h,完全可以满足掘进需要,1518km独头掘进的隧洞采用该种运输方案亦能满足。

2)洞外场地布置。洞外场地轨线布置、供料系统、翻渣系统的布置需充分考虑编组车辆在洞外快速翻渣和装料的问题。引洮供水7#隧洞项目洞外翻渣系统设置2台翻渣机,1次可同时翻转2台侧卸式渣车,一列编组10节渣车翻渣时间基本控制在20min内,在翻渣的同时进行进洞材料的装车,翻渣完成后即可进行编组并进洞,满足了洞内快速施工的需要。

3)其他配套设施。长距离TBM施工通风、供水、供电、排水等均需考虑快速掘进的需要。以施工通风为例:引洮供水7#隧洞项目采用一站式压入式通风方案,使用瑞士进口GIA4×75kW风机,直径1.6m的国产优质风管,通过在洞内11km处进行的通风检测表明,洞内回风风速满足规范要求,各有害气体含量均在规范要求以下,经实践证明该方案充分保障了洞内通风效果,为快速施工奠定了基本条件。

3.4  施工组织与管理

引水隧洞TBM施工是一个复杂的系统工程,需进行精心的施工组织与管理。

1)建立完善的项目管理体系,并在施工过程中严格执行,通过项目团队文化的建立与队伍建设,营造良好的工作氛围,建立开放的沟通渠道和协调机制。

2)通过优化的施工组织和有效的激励机制,规范管理过程,充分调动一线职工的工作积极性。

3)严格推行TBM及常规设备的按时维修保养工作。应根据TBM设备特性制定详细的维保制度和每日、周、月维保计划,刚性进行设备停机维保,及时研究和预判设备故障,提前处置问题。对于关键配件应建立预警机制,保证配件储备的准确性、适用性和充足性,为TBM快速掘进奠定坚实的基础。

4)高度重视进度与设备、进度与安全、进度与质量关系的协调平衡。

5)通过技能培训与考核提高施工人员的技术水平。

6)有效建立TBM掘进控制、测量导向、管片安装、工程地质变化、设备故障、安全与质量等内容的信息反馈与处置机制,确保在现场出现问题后能够进行快速处理。

4  结论与讨论

通过以上分析,认为TBM快速掘进所需具备的条件为:

1)适合TBM快速掘进的地质条件;

2)TBM设计和配置须与地质条件有良好的适应性;

3)配置与快速掘进匹配的配套设施;

4)精心的施工组织与管理。

编辑:阳斌

转自《隧道建设》

隧道网版权及免责声明:

凡本网注明“来源:隧道网”的所有作品,版权均属于隧道网,未经本网授权,不得转载、摘编或以其它方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的,须在授权范围内使用,并注明“来源:隧道网”。违反上述声明者,本网将保留追究其相关法律责任的权利。凡本网来源注明为非隧道网的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,该文章仅代表作者观点,并不代表本网赞同其观点或对其真实性负责,请读者自行核实相关内容,仅作参考。如因作品内容、版权和其它问题请与本网联系。

标签

相关文章

网友评论

发表评论

发表评论 (回复限1000字以内!)

加载更多...


隧道网手机版
隧道网微信公众号
╳ 关闭