TB880E型隧道掘进机(TBM)施工工法.doc

中 铁 十 八 局 集 团 有 限 公 司tb880e型隧道掘进机(tbm)施工工法 中国铁建西康铁路秦岭隧道工程项目经理部tb880e型隧道掘进机(tbm)施工工法 (上)一、前言 目前，采用隧道掘进机开挖长大隧道是世界隧道施工工程的一种趋势。 在我国第一长隧道-秦岭隧道施工中，引进了wirth公司制造的tb880e型隧道掘进机，它集机、电、液一体并采用plc系统进行中央控制与监测，使其具有高度的自动化。 使用隧道掘进机修建隧道是我国铁路隧道施工的一次革命，它一改过去的钻爆法施工为工厂化的施工，无论是从保护围岩的自承能力方面看，还是从文明施工的角度看，无疑都是一大进步。 秦岭隧道i线施工中引进的2台tb880e型隧道掘进机分别用于进口段(由中铁隧道工程局施工)和出口段(由中铁第十八工程局施工)。由于本工法是中铁第十八工程局在秦岭隧道施工经验的基础上总结而成的，故在叙述过程中多处引用了该隧道施工中的一些情况。 另外，本工法是tb880型隧道掘进机(tbm)施工系列工法，它由11项子工法组成，包括tb880e型隧道掘进机(tmb)组装施工技术工法、掘进施工技术工法、给排水施工工法支护技术施工工法、出渣施工技术工法、通风除尘技术施工工法、刀具更换施工技术工法、维修养护施工技术工法、电气系统维修施工技术工法、拆卸施工技术工法、衬砌施工技术工法等。由于汇编篇幅所限，本文只发表tb880e型隧道掘进机(tmb)掘进、给排水、支护、出渣通风除尘施工技术等4项施工工法。读者如想进一步了解tb880e型隧道掘进机(tmb)的其他子系列工法，请与作者联系。 二、tb880e型隧道掘进机 tb880e型隧道掘进机集机械、液压、电气三大系统之总成，以plc(program logic control，即程序逻辑控制)为主控制系统，对tbm(隧道掘进机英文缩写为tbm，以下有些地方就称隧道掘进机为tbm)的各个系统进行监测和控制，实现集中化操作，在操作室内操作人员就可以实现对tbm的操作及对各种工作状态的监测，配合zed激光测量导向系统、wdas电脑数据采集系统，同时完成隧道施工的破岩、支护、喷锚、运输等作业，形成隧道施2122e厂化模式，具有快速、安全、高效、连续的特点。 (一)tbm构造 该设备是隧道施工的成套设备，刀盘直径88m，整机全长256m，从结构上分为主机、连接桥、后配套及附属设备(见图1)，各部分分别由相应的液压系统、电气系统、plc等控制完成相应的动作。 图1 tb880e型掘进机结构示意 1.主机。由刀盘、刀盘护盾、内外机架、后支承、通风管道、推进油缸、钢拱架安装器、tamrock钻机、1#皮带桥、驱动电机、离合器、变速箱、传动轴等部件组成，完成掘进机的掘进、换步、锚杆支护、钢拱架支护及出碴等作业，是该成套设备的核心。 2. 连接桥。由主桥、除尘系统、注浆系统、驾驶室、通风管路、2#皮带桥、仰拱吊机、材料吊机、材料升降平台、钢拱架运输小车等组成，连接主机与后配套，完成除尘、出碴及仰拱铺设、材料运输等作业。 3. 后配套。后配套由18节后配套桥、液压主泵站、电器控制柜、应急发电机、空压机、喷锚支护设备、3#皮带桥、机车停放平板、料车拖拉系统、供水系统、排水系统、通风系统、医疗室洗手间、休息室、维修工作间等组成，完成向主机供电供气以及喷锚支护、停放矿车、材料运输、出碴等作业。 4. 附属设备。有10kv电缆、2200软风管、150进水管和水阀、出碴运输设备、通风设备、翻车机，主要完成出碴、材料运输、通风及翻车作业。 (二)tbm适用范围 适用于中等硬度岩石的隧道施工。 (三)tbm施工劳动组织 tbm施工特点是各个环节的连续性。在施工过程中，与tbm施工相关的其他环节必须同步运转，其中任何一个环节的滞后都会导致tbm停工，这就要求施工组织必须严密。 tbm施工劳动组织见图2，部分工班人员组成见表1，其他工班人员组成见有关节。图2 tbm施工组织 1. tbm技术室全面负责设备的管理，贯彻执行国家、部、总公司、局和指挥部的设备管理规定，负责tbm配件委外加工，进口配件的管理，日常资料的收集、整理，指导设备维修养护工作，对上岗人员进行岗前培训、考核。洞内整备工班解决不了的难题，技术室负责攻关，组织有关人员进行会诊，直到问题彻底解决。 2. 掘进工班工班长由机械工程师或电气工程师担任。机械液压工程师主要负责观察tbm主机及附属设备的运转情况，发现问题若影响掘进或能产生严重后果的，应马上停机处理，若技术力量不足，则应马上通知相应的技术人员一并解决，不影响正常掘进作业的则做好记录，以便在整备时处理。机械液压工程师还要监督各类司机的操作情况，发现不正确的操作，必须及时予以纠正，杜绝事故隐患。电气工程师主要负责对tbm电气设备的观察、记录，对停电事故进行应急处理，缩短故障停机时间。表1 人员组成 3. 整备工班工班长由机械工程师担任。机械液压工程师主要负责掘进作业中遗留问题的处理及设备的日常养护，检查泵站油箱油位，对设备进行检测，检查结构件，脂润滑养护等。电气工程师主要负责遗留电气问题的处理以及对电气设备检测、养护工作。各专业工程师是“分工不分家”，经常联合作业共同处理一些问题，这样有利于查明故障的真实原因，有利于问题的快速处理。 三、掘进 (一) tbm掘进施工特点 1. 同时性。掘进机工作时，各个辅助设备系统都要同时运转，其中任何一个环节不协调或者某一辅助设备运转失灵，都将影响全系统的正常运转，迫使整套设备停止工作。 2. 连续性。掘进机施工各工序如破岩、出碴、运输都是连续不断的，任何一个环节失去连续性，必然影响其他工序的连续运行，全系统将立即停止。 3. 安全性。tbm上安装有不良地层支护和防灾环保等安全系统，使隧道施工安全有保障。 (二) 掘进工作原理 外机架上的撑靴撑紧洞壁，固定主机机架，在推力的作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面。随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴线运转，并绕自身轴线自转。岩面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。崩落在底板上的岩碴由均布在刀盘外缘的铲斗铲起卸人带式输送机内，运至机后卸载。推进液压缸伸长一个行程，刀盘及与刀盘固定连接的构件相应向前移动一个行程。以上动作结束之后，缩回撑靴，再收缩推进液压缸，外机架就沿内机架前移，机器恢复到原始状态，开始下一个行程作业。 (三) 施工工艺 1. 工艺流程。掘进施工主要分为预备洞开挖、tbm步进、岩石开挖等几部分，工艺流程见图3。图3 掘进施工工艺流程 2. 操作要点。 (1) 开挖预备洞。tb880e型掘进机掘进前其主机需通过撑紧装置固定，主机机架的固定是通过呈“x”型分布的外机架上的撑靴撑紧洞壁来实现的，因此在tbm掘进前需开挖预备洞以便固定主机机架。 预备洞的开挖采用常规的钻爆法施工，开挖、衬砌完毕后断面直径应控制在8.8-9.0m之间，长度不小于10m。洞壁衬砌面要光滑，其抗压指数要达到技术要求。 (2) tbm起动准备。待预备洞衬砌完毕，开始tbm起动前的准备工作。 接通洞口主变压器电源及洞口和tbm之间的隧道照明。 接通在后配套系统(4#及5#拖车)上变压器的一次侧主开关e001.1-q1m和e002.1-q1m。 按下列次序接通变压器输出的二次侧电源熔断器：400v+e04变压器1+2；400v+e02变压器1+2；690v+e01变压器1+2。 当400v供电系统接通时，机器和后配套系统的照明将自动接通。在主控台i板上的数字式电压表所显示二次侧电压必须在范围内。 监测供电线路的绝缘，绝缘值100/v时报警，50/v时自动断开相应的电路。 警告：在显示绝缘值25m3/h，并设电子计量。现场施工配合比为水泥：砂：碎石：水=12.371.520.45，sjg型高效减水剂掺量为水泥重量的1.2。 (3) 混凝土采用有轨运输。混凝土装入混凝土搅动运输罐车。在洞外场地编组需约10min，当隧道掘距5km以上时，混凝土罐车运输到掘进机喷混凝土系统并就位约30min，因此，混凝土生产后运输到掘进机上的时间应控制在50min以内。运输过程中应一直保持混凝土罐车转动搅拌，不得加水，喷射时混凝土坍落度应保持在14-18cm。 (4) 混凝土罐车就位后，打开出料口，转动罐车让混凝土流人湿喷机进料斗。在进料斗处设孔径12mm筛网，避免超径骨料进入机内。tbm配置的混凝土喷射机械手可在喷锚走行车的环形梁300范围内和纵向7m范围内灵活地进行湿喷混凝土作业。 (5) 启动机械喷射手时，先开风，后送料，待混凝土从喷嘴喷出后，再供速凝剂；停止时，先关闭速凝剂计量泵，之后停止供料，待喷嘴残留的少量混凝土及速凝剂完全吹净再停风。 (6) 湿喷机操作手配合机械喷射手操作。在喷射过程中，应保证料斗内有足够的混凝土，控制好泵送的频率和压力。一般情况下，将湿喷机频率调定为12r/min，油缸进油压力保持在60-100mpa之间，此时泵送速度为12m3/h，这样工作比较平稳且不会影响施工进度。 (7) 喷射自下而上，先墙后拱，分部分块按顺序进行，喷射时，喷射臂上喷嘴应基本上垂直于受喷面(经现场反复试验，喷嘴与受喷面的垂线成5-15夹角时，喷射回弹量小，喷射效果最好)。喷射过程中，应采取叠压前进方式，喷嘴沿螺旋形轨迹运动，使喷射出的混凝土束以一圈压半圈作横向移动，这样有利于提高湿喷混凝土的均匀性及密实度，减少回弹。 4. 不良地质段支护方式。 (1) 一般塌方地段(一般支护方式)。 隧道掘进后在刀盘护盾上方或护盾后出现崩塌或掉块的局部不稳定块体的处理方式是：加密锚杆(锚杆长3m、间距1m)，挂双层钢筋网，在锚杆端焊接22纵向联接钢筋，然后用tbm配备的机械手湿喷混凝土。此处理过程对tbm掘进无影响。 掘进后在刀盘或护盾上出现小型塌方的处理方式是：加密锚杆(锚杆长3m，间距0.8m)，挂双层钢筋网，利用刀盘护盾后面的钢拱架安装系统架设槽钢钢架。槽钢钢架用锚杆固定，端部焊牢，每段槽钢钢架至少要用3根锚杆锚固，锚固后lh每根锚杆拉拔力应达20kn，3d应达100kn以上。安装1榀槽钢钢架需停机约30min。 (2) 较大塌方地段(联合支护方式)。当隧道边墙发生较大塌方、围岩强度不足以承受撑靴压力时，掘进机将无法掘进，必须停机，采用喷锚+钢拱架+灌注混凝土的联合支护方式进行处理后再掘进。步骤是：架设作业平台；清理危石；利用喷射混凝土系统的人工喷头喷射混凝土，及时封闭危岩；打锚杆(22，长3m)，根据围岩地质状况由现场工程师具体布置锚杆锚固位置；挂钢筋网(8，25em25em)；用钢拱架安装设备安装钢拱架，为了便于铺设仰拱块，第1榀钢拱架位置需要测量定位，钢拱架间距为0.9m或0.9m的倍数。在钢拱架未顶到洞壁之前塞进厚3mm、宽1.0-1.2m钢板，然后用钢拱架安装系统顶紧钢拱架，将钢板与钢拱架焊接牢固，钢拱架纵向以22钢筋连接(环向间距1m)，再用超前喷头向塌方洞穴内灌注添加速凝剂的c30级细石混凝土。 确保安全后再进行掘进。 隧道开挖后在刀盘护盾上方或护盾后出现小型塌方时，必须停机，用上述的联合支护方式进行处理。拱部塌方与边墙塌方所用的联合支护方式不同的是，拱部塌方处理不用搭设作业平台。 (3) 岩爆地段。在长大隧道tbm施工中，在埋深大、地应力高的围岩段会发生岩爆。岩爆突发性强，严重危害着施工人员和机器设备的安全。为了减轻岩爆的强度和减少岩爆发生持续时间以确保人机安全，必须采取一定的防护措施；在开挖面发生岩爆后，应及时进行初期支护，以减少围岩暴露时间，避免岩爆再次发生。 防护措施。利用tbm前外机架的hl500s型单臂超前探测钻机，在隧道拱部的仰角0-10、水平方向84的范围内打超前应力释放孔。孔径51mm可达30m深，孔径102mm可达20m深，使隧道前方拱部围岩的高地应力提前释放，从而减轻岩爆的强度。 在隧道开挖后，利用刀盘护盾后面2台锚杆钻机在隧道两侧拱脚附近打应力释放孔，孔深2.5-3.0m、间距0.5-1.0m，使围岩中的地应力再次释放，从而进一步减轻岩爆的强度，减少岩爆的持续时间。 隧道开挖后，及时向洞壁岩面喷洒高压水，降温除尘，润湿岩面，提高围岩的塑性，这在一定程度上也可减轻岩爆的强度。 刀盘护盾后面安装防护栏和指形防护栅，长1.3m和1.6m 2种规格间隔布置，以保证锚杆、钢筋网、钢拱架等支护作业能及时、安全地进行，并确保tbm能正常运行。 隧道底部清碴和仰拱块铺设作业，应在岩爆停止后进行。 支护措施。对于中、小型岩爆采用一般支护方式进行支护(参照塌方段一般支护方式)。对于大型岩爆采用联合支护方式进行支护(参照塌方段联合支护方式)。岩爆地段湿喷混凝土加厚至8cm。由于地应力释放、重分布是一个较长过程，支护时要相应提高支护等级，保证施工安全。例如在轻微岩爆段采用整个拱部加密锚杆(间距1m)、挂双层钢筋网的支护方式。 (4) 断层地段小导管超前注浆。tbm掘进通过较大断层地段，如果等到塌方后再处理，处理起来是相当困难的。利用tbm前外机架上的超前钻机配合tbm自身配备的注浆设备，对隧道前方不良地质段的围岩进行超前预注浆加固能确保安全。小导管超前注浆的施工工艺如下： 钻孔。根据掌子面处围岩地质状况定出孔位，用前外机架上的钻机进行钻孔。为了防止围岩坍塌与注浆时漏浆，钻孔前要喷射一层厚l0cm混凝土封闭刀盘护盾后部的围岩。钻孔定位是通过刀盘护盾后的定位导向环来实现的。钻机开孔时速度宜低，钻深40cm后转入正常钻速。钻孔直径64mm，环向间距40cm，外插角10，注浆扩散半径取40cm。 安装小导管。超前小导管采用32mm、长l0rn的钢管，钢管前端加工成尖状，并在前端3m范围内钻8mm、间距20cm出浆孔。 注浆。注浆前将管口处的缝隙用棉纱塞紧。为了防止串浆和漏浆，必须先从两侧的钻孔向拱顶对称注浆。注浆压力为1-10mpa，应根据现场注浆试验调整。水泥和水玻璃浆液比为1：(0.6-1)；水泥浆浓度为1：(0.8-2.5)，水玻璃浓度35be。 (五) 机具设备(见表8)表8 初期支护需用的机具设备 (六) 劳动组织(见表9)表9 初期支护劳动组织 (七) 质量控制 执行铁路隧道工程质量评定验收规范 (tbj 10417-98)和铁路隧道施工规范 (tbj 204-96)等有关规定外，还应做到以下几点： 1. 发生较大塌方时，向拱架外侧的塌方洞穴内灌注混凝土一定要密实，无空洞。 2. 岩爆段应力释放孔应根据围岩应力方向、围岩收敛、现场岩爆位置等因素具体布置。 3. 钢拱架支护应在钢拱架调整就位后，随即喷混凝土达到设计厚度，并包裹钢拱架，确保钢拱架稳定。 4. 注浆钻孔时严格控制钻孔角度，钻孔误差小于1，注浆时应准确控制浆液配合比及注浆压力。 5. 加强围岩量测，并将分析结果及时反馈，作出相应对策。 6. 成立qc小组，实施支护全过程每个环节质量控制，保证支护质量。 (八) 安全措施 执行铁路隧道施工技术安全规则及有关隧道掘进机施工安全操作规程外，还应采取以下措施： 1. 对全体施工人员进行安全教育，树立安全第一的思想，不得盲目追求进度。 2. 隧道掘进机施工是一项机械化程度和技术含量高的技术，工人上岗前进行技术培训，专人操作机械。 3. 支护区内设经验丰富的专职安全员，具体负责安全工作。 4. 认真及时做好地质预报和围岩量测工作。 5. 岩爆区段施工人员应戴钢盔、穿防弹背心。 6. 塌方与岩爆段清理危石时，加强支护区域机械设备的防护，在主要部件上方设置防护支架，并在支架上方焊厚度10cm防护钢板。 (九) 效果 秦岭隧道出口段岩性主要为含绿色矿物的混合花岗岩和混合片麻岩，掘进中遇到塌方、岩爆、涌水、地热等地质灾害。 出口段tbm于1998年2月16日正式掘进，于1999年8月22日到达拆卸洞室，顺利通过了6条大断层，15条小断层，537m长的强岩爆段，未发生1起人员伤亡事故，保证了机械设备的安全。支护时间大大缩短。安装一榀钢拱架仅需1.5h。湿喷混凝土回弹量在5以下。 秦岭隧道i线出口段实施本工艺，节约资金200.3万元。湿喷施工技术1999年被中铁第十八工程局评为局科技进步三等奖。tb880e型隧道掘进机(tbm)施工工法 (下)六、出碴 (一) 有轨运输出碴特点 1. 在tbm掘进过程中，后配套轨道上一定停有碴车。 在tbm掘进过程中，破岩、喷锚支护、出碴运输、仰拱铺设、zed导向等各工序同时进行，从而要求主机及其附属设备同时运转，出碴系统也一样，为不影响其正常掘进，在胶带输送机良好的状态下，必须在tbm后配套轨道上始终停有碴车以备装碴。 2. tbm出碴运输系统不仅包括石碴的运输，还包括材料的运输，料车编组在同一列车。tbm在步进过程中，主机拖拉后配套拖车一起向前移动，而后配套拖车是在铺设有轨道的仰拱块上移动的，这就要求仰拱块及钢轨提前铺设；同时在掘进过程中所需喷锚支护材料如混凝土、钢拱架、钢筋网、锚杆等也需要运进洞内。 3. 洞外设有专门调度，负责与洞内联系，组织洞外调车编组。 (二) 工艺原理 1. 信息化。18#拖车上安装有通讯电缆卷筒，通讯电缆从洞外一直延伸到洞内机器上。操作室及修理间设有与洞外联系的电话；tbm机器上施工关键部位设有电话，与操作室联系；操作室备有4台监视器，能观察主机及出碴系统的运行情况，这样洞内的施工信息可通过电话及时传递给洞外调度，以便科学组织施工。 2. 快装、快卸。洞内石碴采用胶带运输系统运输，卸碴机能在1列碴车的范围内移动装碴，每列车的编组能满足tbm掘进1个循环的施工需要。洞外翻碴采用rowa公司的翻车机，1次可同时翻掉2节碴车，完成1列车的翻车时间大约12min。 3. 列车制动。每节碴车都有自己独立的一套制动气路系统，与机车气路系统连接起来，通过对机车的操纵实现全列车的制动或解除制动。碴车储气罐气压在0.57mpa以上，特殊情况下可通过碴车手动制动阀解除制动或实施制动。 由于碴车为断气刹，在制动管路破裂的情况下，会自动刹车。因此，在列车运行过程中，机车与碴车或碴车之间车钩拉杆断裂或其他原因引起脱钩，碴车制动管路断开，则全列车制动，避免发生溜车事故。 (三) 施工工艺 1. 工艺流程(见图10)。图10 出碴施工工艺流程 2. 秦岭隧道洞外调车场线路布置(见图11)。 (1) 布置原则。根据洞外场地的实际情况，在不影响翻碴的前提下尽可能方便材料车的装料、调运及编组，减少备料作业时间。 (2) 布置方法。首先选定翻车机室的位置，从而决定了翻车主线路的铺设位置；然后合理地布置仰拱预制厂、拌合站、修理间；最后铺设材料运输线路、列车停车线路及维修车辆线路等其他线路。3. 洞内反坡施工的道岔铺设。秦岭i线出口段从dk73+875(进出口分界点) -dk82+813.61(永久洞门)，长8938.61m。安康端洞口位于半径为500m的曲线地段，面向西安方向线路纵坡为：6上坡长113.61m，3上坡长3150m，3下坡长200m，9下坡长200m，11o下坡长5275m。 在距反坡点100m处即dk79+650，向洞口方向铺设2副道岔，将进车线与出车线联结起来。双机牵引的重载列车经过道岔后，助力机车与列车摘钩由道岔进入进车线驶入后配套。图11 秦岭隧道出口施工编组场