西秦岭隧道TBM掘进步进施工技术

1、第31卷第6期2011年12月Vol. 31 No. 6Dec. 2011陲道忆谊Tunnel Construction西秦岭隧道TBM掘进步进施工技术李南川(中挟隧道集团二处冇限公司，河北三河065201)摘要：为解决二次步进中TBM就位、安装儿进设备中遇到的一系列技术堆题.以兰淪铁路四仝岭隧道TBM施丨为例，通过采用 TBM在钻爆加大断面内模拟正常掘进、材料运输乍编组优化、仰拱安装机改造等丁股解决了 TBM步进设备(潛行支撐架)位置确 定、步进材料供应、仰拱拼装效率低等难題呗利、高效地实现了 TBI二次步进作业。关徳词：西秦岭亚逍：TBM施工；步进技术中图分类号：U 455.4文献标志码：

2、B文章编号：1672-741X(2011)06-0749-06TBM Stepping Technology: Case Study on West Qinling TunnelLI Nanclnian(The 2nd Engineering Co。 Ltd. of China Railway Tunnel Group. Sanlie 065201 Hebei China)Abstract: There arc a sc-ries of technical problems in TBM positioning and stepping device installing in TBM sec

3、ondar) 屮in呂 in the construction of West Qinling tunnel on IxinzhoiHliongqing railway The normal boring is siinulattl by means of TB1 in tunnel section rnlarge<l by drilling and blasting methcxL the organization of tile material delivery trains is optimized and the invert segment installing machin

4、e is modified. In the end * the determination of the position of lhe sliding su(iporting frame« the supply of the construction materials and the invert segment insLilling efficiency are guaranteed ,which ensures the efficiency of TBM secondary stepping.Key words： VI est Qinling tunnel; tunnrlin

5、g by TBM; wh屮ing trclmology© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第31卷第6期2011年12月Vol. 31 No. 6Dec. 2011© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第31卷第6期2011年12月Vol. 31 No. 6Dec. 2011收辐日期：2011-10-12;修回日

6、期：201110-28作者简介：李南川(I984-).男.云南水富人.2007年毕业于巫庆交通大学机械设计制造及fl动化专业.本科.助理丁稈师.理从帘TBI施丁符理1一作.()引言西秦岭恃长隧道全长28 236 m，其中左线掘进总 氏度为12 934叭为国内铁路界最长的TBM施丁隧 道。TBM掘进施T包含TBM组装、步进、始发掘进、 正常掘进、贯通掘进等丁庁西秦岭隧道的施T则 包禽3个步进段(包括TBM掘进最终贯通以后将步进 至TBM拆卸洞)和2个掘进段作业。而TBM第2个 步进段所需设备在洞内安装难度大作业空间小等技 术难题都将是施工难点.文献2介绍了 TBM步进 速度对丁程建设进度的彩响：

7、文献3通过介绍油缸 推进、弧形滑道步进与电机報动、整体托架步进这几种 步进方法的技术特点、控制取点和详细的施T.方法并 对各自的优缺点进行比対提出IBM经过钻爆施.段 的步进方案:文献4以西秦岭隧道为丁程实例从施 丁进度、弧而质址、经济效益等方面进行方案比选呆 终选择了 TBM弧形步进滑槽的快速施工方法：文献5分析了 TBM步进对隧道施T.T期的影响；文献6阐述了仰拱块供应对TBV1步进的影响，并提出提 高仰拱块生产效率的一系列先进施T技术；文献7 以兰渝铁路西秦岭隧道为例介绍了 TBM步进模式以 及狭小场地内TBM快速组装、调试技术.TBM隧道 内二次步进在国内尚无先例步进设备运输以及隧道

8、内安装是施丁难点。本文以兰渝铁路西秦岭陡道为 例分析TBM隧道内二次步进施T及技术难题并阐 述提高TBM步进效率的施工方法。1工程概况兰渝浹路西秦岭隧道丁程XQ152标位丁新建狹 路兰渝线中段地处甘肃省陇南市武都区境内.西秦 岭特长隧道全长 28.236 km( DIK395 + 116 -D1K423 + 352).为左右线分设的2条巾一线陡道隧道战大埋深约 1400 m.隧道界限时速200 km客货共线设计.本隧道采用钻爆法与TBM掘进联合施丁其中隧 道出口在围岩好的地段分2段采川"10.23 m TBM掘 进施工：第 1 段长 5 594 in( DIK421 +239 - D

9、IK415 + 645)，第 2 段氏 7 340山(DIK410 + 930 D1L4O3 +590), It余地段均采用钻爆法施丁。本隧道施T T.期非常紧 张,线下工程总工期为61.5月。为使工程能按时顺利 竣T.,TBM的步进与掘进都是项的关健性TJfo© 1994-2012 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第6期于南川：曲命岭陡逍TBM掘进步进施丁技术7532 TB1步进原理及施工工序2.1 TBM步进原理由于TBM主机与弧形钢板的摩擦因数小于弧形 钢板与混凝土

10、面的摩擦因数，当推进油缸时,TBM主 机会在弧形钢板上向前滑行滑行支挫架与撑靴在导 向筒上向前滑行C步进推进油缸与推进油缸同时伸长 1.8山后举升油缸举升TBM主机，后支撑支腿伸长至 下部岩壁举升滑行支架，步进推进油缸收缩牵引弧形 钢板前行1.8 m,推进油缸收缩牵引撑靴和滑行支撑 架前行1.8m后收缩举升油缸和后支挫支腿完成I 个步进循环。1) 刀盘与钢板的摩擦力几 T(1)式中：几为滑动摩撩力；H为滑动縻撩力因数冇润滑 时为0. 1 -0.12.无润滑时取0. 15： N为接触面的正压 力,TBM主机质呈为8001,重力加速度为10g/m将数值代入式(1) 得：F, =0.12 x8001

11、 x 10g/m2 =960kN.2) 钢板与混凝十J也面之间的摩擦力=V =M( 800 +pn)(2)式中：F2为静摩擦力；“为摩擦力因数.取0.2-0. 3； N为接触而的正压力.TB M主机质址为800(.重力加 速度为10g/m2; n为钢板的尺寸,7 688.5 mm x6 038 mm x 70 nun; p为钢板的密度取7. 85 g/cm5。将各值代入式(2) 得：F2 =0.3 X 800 + ( 7. 85 g/cin1 X 7 688. 5 linn x6 038 nun x70 iniii) . t x 1 Og/in2 = 2 476 kN.由式(1)和式(2)可知

12、:钢板与混凝土地面的摩擦 力大T TBM主机与弧形钢板的摩擦力故能够满足步 进时提供的反推力的要求。2.2 TBM步进施工工序施丁准备一弧形滑道施T.弧形钢板就位-TBM 组装调试一滑行支撑架安装一步进推进油缸与弧形钢 板连接一步进推进油缸、主机推进油缸伸尺推进TBM 前逬1.8 m-举升油缸举升TBM主机、后支撑支腿伸 长一步进推进油缸收缩牵引弧形钢板前进I 8 m、主 机推进油缸收缩牵滑行支撑架前进1.8 m-举升油缸 收缩、后支撑支腿收缩一下一个换步循环-3 TBM步进机构安装3.1弧形钢板主机下弧形钢板采用70 mm厚钢板加T尺寸为7 688.5 nun x6 038 min x70

13、mm(长 X 宽 X 厚)以半径 5 115 mm弯成弧形。32滑行支撑架安装IBM步进时撑靴都已收回，在撑靴下安装1个滑 行支撐架用于支TBM主机及支撐靴-滑行支捋:架 在TBM组装时一起安装完成，当TBM步进时滑行支 架向前滑行.滑行支撑架安装如图1所示。图1滑行支撑架安装Fig. 1 IvMlallatiot) of sliding mipporting frame3.3举升油缸安装在护盾两侧对应的位還焊接举升受力钢板如图 2所示。3.4步进推逬油缸安装步进推进油缸共4组，每侧2组.步进推进油缸 前部与护盾连接后侧与弧形钢板连接步进推进油缸 推力2 000kN,行程1.8 具体见图3。图

14、3步进推进油缸安装Fi吕.3 Installation of sWppiug ihnud cyliiuler4 I BM步进准备作完成后TBM步进开始。TBM主机通过 2组4根TB1步进推进油缸(2 000 kN x4 Jr程1.8 in)伸长推进TBM主机向前行进.TBM步进推进油缸伸长的同时主机推进油缸一同伸长具体如图4所示。图4步进推进油缸伸长将主机向前推移1.8mFig. 4 TBM moving forwanl for 1.8 in <lue to exte!u»ioti of stepping thnist cylinder步进推进油缸伸展1.8 m后用设在TBM主

15、机 护盾下方的2组举升油缸（每组3根1 500 kN油缸） 把主机进行举升，举升油缸将TBM护盾提升3 4 cm具体如图5所示后支撑伸长至下部岩壁举升滑行支架。 弧形钢板图5举升油缸将主机抬起Fig. 5 Lifting of TBM by lifting cylinderTBM主机被举升后，通过TBM步进推进油缸 （2000kN x4Jr程1.8m）收缩带动弧形钢板前行，同 时主机推进油缸收缩后配套牵引油缸伸长带动滑行 支撑架前行.步进油缸收缩完成后举升油缸和后支 撑支腿收缩把TB1主机放省在弧形钢板上及滑行支 架放置在下部混凝土而上，完成一个步进循环具体如 图6所示.举升油缸图6举升油缸与

16、步进推进油缸复位Fig 6 Keposition of lifting cylinder an<l stepping tlmist cylinder5 TBM掘进后再步进中技术难题的解决5. 1 TBM滑行支撑架位苣确定兰渝铁路西秦岭隧道TBM掘进施丁第1阶段贲 通点里程为DIK415 +645 .由于TBM掘进断面为圆 形，而TBM步进所需安装的结构件中的滑行支撐架必 须放皆在混醸土平面上。滑行支撑架安装示意图如图 7所示。(b)图7滑行支撑架安装示意图Fi* 7 Sk<Hch of iiu<lallali(>i> of >li<ling bii|)

17、|M>rling fnimc5.1.1施丁方案为使滑行支撑架能够顺利进行安装提出2个讨 论方案。1）方案1将滑行支撐架的安装位置至第1阶段 贯通点处的禺岩进行开挖使之能满足滑行支撐架的 安装及步进要求。2）方案2将TBI继续向前移动，直至将滑行支 撑架的安装位置（水平支撑靴）移动至第1阶段贯通 点位TBM在贯通以后，还可以继续向前掘进，当 撐靴移动到贯通点位遗时Hl于撑靴油缸行程的关系. 撑靴已经不能再抵达岩壁此时TBM则不能继续向前 移动。当TBM到达这个位置时依然没仃足够的空间 进行滑行支撐架的安装。5.1.2方案比选若采用方案1 则盂要进行开挖的隧道纵向距离 约为4.6 m（撐靴的

18、宽度2.6 m +滑行支撐架超出撐靴 后的长度3.8m-撑靴换步前移距离1.8 m）,也就是 说采用方案I就需要在隧道两侧起拱线位世往下部 分进行人T.开挖开挖的距离至少4.6m开挖方址约 为36m此方案程hi太大，且施T.堆度大。若采用方案2.则需要将TRM向前移动至少4. 6 因此.考虑依旧使用撑靴将TBM桥架部分抬起. 模拟正常掘进的方法使TB1向前移动。经过多方而不虑以及可行性分析,最终采用方案 2进行施工5.1.3方案2施.方法1）将TBM止常掘进“至撑靴抵达贯通点位首。2）将后支落地,支挫起TBM的质址。3）收何撑靴油缸使撑靴离开岩面后进行正常换 步，向前移动撑靴1.8 ni.4）

19、将撑靴油缸对称伸出，控制伸出量，当油缸行 程还剩15 cm时，停止伸出.5）在撑靴支撑范貝内铺设大址方木方木沿隧道 纵向进行铺设铺设时尽址靈紧。6）方木铺设完毕后，开始伸岀撐靴油缸当撐靴油 缸压力上升至8 MIJa左右时,改用高压伸出.然后观察 撑靴油缸的行程及压力变化。若压力达到28 11%同时 油缸行稈仍有余址H.稳定不变后则开始进行第7）步。 若有一项不符合，则收回撑靴油缸,重新由4）开始。7）将刀盘转速调至1 r/min左右（刀盘转速调整 是为了减小启动丿J盘时撑靴受到扭矩避免造成撐靴 下滑）启动皮带机（转动刀盘的必耍条件）转动刀盘 （若不进行此项操作TB1髙压推进无法实现.则不能 推

20、动TBM前进）宀8）侍刀盘駅动迫机电流稳怎且刀盘转速稳定后， 观察挫靴油缸压力及行程情况若无异常则进行9）, 若有异常与6）相同处理。9）缓缓收起后支撑.若无异常，将推进油缸的流 址控制调整为30%左右伸出推进油缶.使TBM向前 移动。若有异常立即落下后支撐停止前进观察箱 况后再进行施工。经过3个循环的模拟掘进TB1顺利抵达指定位 置。此方案在施匸中用时14h为TBM步进构件安装 提供了空间与时间保障。5.2弧形钢板的焊接拼装弧形钢板是TBM步进不町或缺的敢要结构件之 一。在第1次步进结束时，由于其外形体枳太大，不能 运出陡道外不得不被分割成几个小块。在第1阶段 贯通前为节省时间和拼装堆度将大

21、部分运至斜井钻 爆段进行提前拼装焊接。此次焊接任务梏度要求高， 焊接质曲要求高且焊接址大是TBM二次步进顺利进 行的关键丁序。项冃部抽调电悍椿英进行焊接质嵌 上严格把关历时10 <1侧满完成焊接任务.嚴终通过 T TBM步进的严峻右验5.3滑动支撑架的运输及安装兰渝铁路西秦岭隧道所使用的TBM直径为10.23m. 步进所需滑动支據架体枳大、质fft大安装空间狭小 使得该结构件的运输以及安装堆度都非常大。为不影响隧道内其他工序的止常施l：,TBM步进 所需结构件的运输时间、运输顺序都必须经过反复研 究，由分管运输的调度室进行全线协调冠点督促使 得这些超宽、超高、超取结构件按从下到1：、从前

22、到后 的顺序运输进入TB1,依次进行安装，保质保比地完 成滑动支捋架的运输及安装6 TBM步进技术的改进及效果6. 1 TBM二次步进仰拱块运输方案调整由于二次步进的最小运输距离为7 800 m（刚开始 步进时）随TBM不断向前步进运输距离逐渐加 大加之项冃部所配建的运输设备是按照正常掘进考 虑，只配备T 12台仰拱块运输车,TBM步进速度远高 丁正常掘进速度；因此，仰拱块的运输问题成了制约 TBM正常步进的关键因素为使TBM能够加快步进 速度经讨名次试龄.现将原有的6台运输喷浆料的平 板乍加入运输编组毎台内燃机车挂设4台仰拱块运 输乍之外再增加2台喷浆料运输平板车这样每列机 车将町以运输6块

23、仰拱块共3列。机车到达TB.M后 卸掉2块仰拱块将空平板车脱钩放笛在TBM后配套 拖乍后而的另一条轨道再卸掉2块仰拱块f至将6 块全部卸完机车将6台空平板车带H；隧道外继续装 车。实践中，此方案每班（12 h）将多运输仰拱块18 块，由此将使得TBM步进距离提高32 m,大大提高 TBM的步进效率，为实现项目阶段性目标打下坚实 的基础。6.2仰拱安装机实现水平90。旋转TBM所配置的仰拱安装机最初设计并没有将仰 拱块水平旋转90。的功能。安装仰拱块时需要人工将 仰拱块在运输平板乍上水平旋转90。后（如图8所示） 才能使用仰拱安装机进行吊运拼装既增加r I作虽 同时也降低了丁作效率;加之操作空间

24、狭小.稍右不慎 就可能造成人员被仰拱块挤压受伤.经讨论研究决 定设备原有功能不变的悄况下増加仰拱安装机吊 装设备水平旋转90。的功能。此项功能实现肩.减小了 施TT作址安全、快捷TL操作简取如图9所示。在实 际施V.中此方案的实施使得仰拱块拼装效率有效提 高,进而提奇了 TBM整体掘进施工能力。图X人工旋转仰拱块Fig 8 Invert segment tuniing by hand()(b)图9仰拱安装机改造后吊装仰拱块Eig. 9Invert se目iteiil lifting by modified invert segment installinginachine6.3 TBM步进用举

25、升油缸座改适TBM步进用举升油缸座原始设计如图10所示, 该组成部分A和B是没右连接的2个单独部分，当举 升油缸泄压时TBM自重将举升油缸压回,TBM向前 步进时，焊接于A部分的2根轴C带动固定于B部分 的2个套筒D,从而使得B部分也随TBM同步前进。 此设计方案在第1次步进时11 T举升油缸内存在压 力以及混凝土弧形槽有误差而导致B部分与地面摩 擦力较大使此菽座的部分焊缝出现裂纹甚至脱落，严 重影响了 TBM正常步进。图10改适前的举升油缸基座Fig；. 10 Lifting cylinder foundation belore inodiGcation在二次步进开始前决定对该菇朋进行改造。

26、采 川M砌台车上使用的小油缸來连接A和B部分，实现 步逬时将B部分整体提起，离开地而.改造后的基 飓，在步进时成功实现预定冃标从此该棊座没有发 生一次故障成功降低了 TBA1步进故障率，为TBM早 H步进至学子而提供坚实基础。改造厉的基座如图 11所示.图丨1改适后的举升油缸基座Fig. 11 Modified lifting Cylinder foundation7结论与讨论TBM贯通后都需要继续前进才能进行下一道T. 用比如二次步进前步进设备的安装通过模拟止常掘 i/t. TBM在钻爆加大断面隧道内前进，为步进设备 （滑行支撐架）在隧道内安装提供足够的空间成功解 决了步进设备在隧道内安装的

27、难题。通过对步进设备 的改造提髙了 TBM步进效率。TBM步进设备体枳 庞大安装与拆卸都相当闲堆.且绝大部分连接都采用 焊接在不影响使用的悄况下可以考虑采用小件拼装、 螺栓连接TBM上部分设备的布置在实际施T中还 存在不便之处可以根据施丁需要进一步优化在不 同地质悄况与环境下TB1施丁会有不同的技术难点, 研丸并解决TBM施T中的技术难点必将是一项长期 的T作.参考文献(KtfenMices):1 戟润军.杨水强西秦岭陡逍连续皮带机出融下的I同步衬 砌施T组织管理隧道建设.201131 ( 4) :494 -499.(DAI Runjtm, YANG Yongqiaiig. (2on»

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