开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术-王院士

施工资料

开敞式TBM在铁路长隧道

特硬岩、软岩地层的施工技术

王梦恕

北京交通大学隧道及地下工程试验研究中心 北京100044

摘要: 本文主要论述了开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术，并与当前国内外同类研究、同类技术进行了综合比较。重点研究了施工过程中的主要技术难点和关键技术，其中:TBM施工组织技术、刀具耗损、施工进度与围岩特性关系、TBM刀具国产化研究、TBM在不良地质段的施工技术、TBM施工中的测量控制技术、仰拱预制块的制作及安装工法、内层衬砌和整体道床快速施工、TBM施工的有轨快速运输系统、TBM施工通风及水电供应系统等的研究达到或超过了国际水平；具有很高的研究和学术价值。 关键词: TBM ,铁路隧道,施工,特硬岩，软岩，关键技术

一、Φ8.8mTBM施工的秦岭特长隧道的工程概况

秦岭隧道(见图1)位于安康铁路线上，是我国最长的单线铁路隧道，全长18.46km，进出口高差约155m，也是国内外铁路应用TBM施工的第三座长隧道（第一座是英法海峡隧道，第二座是瑞士费尔爱那铁路隧道）。 (1)地质条件：

秦岭隧道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78～325MPa。岩体完整,节理不多。断层带裂隙多、裂隙水发育。存在地热、高地应力及岩爆等不良地质。

图 1 秦岭地区卫星图片 图2 TB880E型TBM掘进机

(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,见图2)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。

二、施工中存在的六大难题

（1）TBM制造难（五大技术难点）

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①大直径（φ＝8.8m）；②大扭矩（5500kN·m）；③大推力（21000kN）；④大功率（刀盘功率3440kW、总功率5400kVA）；⑤寿命长（主轴承＞10000h、密封圈＞12000h ），备轴 承1个，可开挖40km寿命。从制造到实用,均承担机械设备设计、制造风险和施工风险。国外成熟的TBM掘进机的直径均在3～6m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10～35%，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。

（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的庞然大物,是关系到工程施工成败的关键。

（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

在施工中不允许出现失败和差错，所以在进度上、质量上、安全上压力很大。加之，开挖和衬砌过程中,不能也不允许平行作业，所以在整体道床衬砌施工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。

三、主要研究内容（9大技术难点、31项关键技术）

施工过程中包括的主要技术难点和关键技术有:(1) TBM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）。下面就分别逐一地阐述如下:

(1) TBM施工组织技术研究

从规划、设计、制造、运输、拼装、调试到施工完成拆卸全过程进行研究，共提出了九项主要配套技术。根据TBM施工的协调性、连续性和密集性特点,研究出了一套TBM的设备管理(其中包括运输管理)；配件管理(维修保养是TBM成功掘进的保证，对重要部件如:主轴承、刀具、除尘风机等，须定期检修)；TBM拼装调试管理(TBM施工中维修保养管理)；TBM拆卸维修管理等五种施工组织管理程序，这是正常施工的前提条件和要件。

(2) 刀具损耗、施工进度与围岩性质的关系研究

掘进速度一般随扭矩的增加而增加，但对特硬且裂隙不发育的围岩的曲线增长量较小，软岩的曲线增长较大，中硬岩呈直线增长。掘进速度一般随推力的增加而有减少趋势，尤其

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对软而裂隙多的围岩更明显。所以TBM操作时，应注意下几个方面的内容：应减少增大推力的做法。掘进速度随贯入度的增加而有明显增大，这是影响进度的重要参数。开挖硬岩的性能较差。贯入度大多 < 4mm，掘进速度也 < 20mm/min，功率利用率<50%。对于Ⅱ、Ⅲ级硬岩，因抗压强度较高，盘刀切入困难，切槽深度随推力增加而增加，但所需 …… 此处隐藏：5040字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……