开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术

1、开敞式 TBM 在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术一、 8.8mTBM 施工的秦岭隧道(一) 秦岭特长隧道 TBM 施工秦岭隧道位于安康铁路线上，是我国最长单线铁路隧道，全长18.46km ，进出口高差约 155m 。是国外铁路应用 TBM 施工的第三座长隧道(英法海峡隧道，瑞士费尔爱那铁路 隧道)。(1)地质条件 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78325MPa 。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。(2)断面设

2、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）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。（4）施工六大难题1）TBM 制造难（五大技术难点） ：大直径；大扭矩（5500kNm）；大推力（21000kN ）； 大功率（刀盘功率 3440kW 、总功率 5400kV A）；寿命长（主轴承 10000h、密封圈 12000h ），备轴承 1 个，可开挖 40km 寿命。直径大（ 8.8m），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

3、外 成熟的 TBM 掘进机的直径均在 36m 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 1035% ，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。由于选用开放式 TBM ，通过软岩地层也难，所以在穿越各软弱地层、断层时，会产生 围岩失稳、涌水等地质灾害，但通过两座软弱围岩施工，证明是可行的。3）TBM 施工系统性强、 配

4、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 庞然大物 是关系成败的关键。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。不允许在施工中出现失败和差错，所以在进度上、质量上、安全上压力很大。加之，开挖和衬砌不能也不允许平行作业， 所以在整体道床衬砌施工中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。如何突破施工六大难点， 是秦岭隧道 TBM 成功施工的关键

5、。 为此铁道部立项， 联合 多家科研、设计及施工单位共同攻关，开展 TBM 施工技术研究。以工程为背景，从规划、设计、制造、运输、拼装、调试到施工完成拆卸（ 100 个集 装箱）进行全过程的研究，重点对九项配套技术进行了研究。（二）主要施工进展介绍（1）研究了 TBM 施工前的场地布置， 因这是关系到运输系统能否快速出碴、 进料及运输大型 仰拱砌块的关键。（2）首先编制 TBM 拼装、步进方案与施组， 确定安全和质量， 于 1997年 11月 8日组装完毕， 1997 年 12 月完成步进工作面，开始 TBM 一次试机成功，并能保证掘进速度为1.8m/h，各项指标基本符合设计要求。（3）对混凝

6、土预制管片厂及工艺流程的研究，尤其对混凝土配合比的实验研究，对控温、恒 温、养护进行了研究， 建立了一套规则， 确保管片不产生微裂缝， 不受冬季温差过大的影响。（4）在现场从 1997年底试推进到 1998年 3月转入正常施工推进，为研究 TBM 推力、扭矩、 贯入度三者与施工进度之间的关系， 进行了状态监测， 研究各性能参数随围岩类别、 抗压强 度、裂隙状况不同的变化规律， 为合理选择、 优化组合参数、 实现快速掘进、 降低能源消耗、 刀具消耗提供依据。 利用 PLC 自动管理软件，进行每 10 秒对刀盘掘进速度、刀盘转速、推力、扭矩、贯 入度、功率得用率 6 个参数跟踪记录。 每 20 分

7、种将记录打印出业，进行分析，共采集6 万多个数据，其中有效数据有 2 万多个，进行曲线拟合，建立相应回归方程，提高施工。（5）在掘进过程中，对不同地层进行进度分析，从97年 12月试掘进，到 98年 4、5月分别完成月掘进超过 400m，称为高产期。6 月份降到 0.79m/h、月掘进为 248m； 7 月份又降到 140m/月左右，进入完整而坚硬的 花岗岩之区段，最慢步进 1.8m 用 5 小时零 2 分钟，称为难产期，刀具消耗明显增大。总结：纯掘进共 1135h，耗损刀具 470 把，换刀停时累计达 814h ，TBM 掘进利用率平 均在 0.4 左右，耗水量 2000t/d，耗电量平均

8、2500kWh/m，98 年元月份高达 4469kW h/m ， 4 月份降到月进尺 400m 左右时，耗电 2069kWh/m 。针对地质变化直接影响进度的难题， 在现场对刀具的安装、 贯入度、 推力进行研究调整， 尤其对换刀组进行了分析，发现换刀时间过长，占总循环时间30左右。(换刀时间从原来的 90120min ，降到 30min ，大大提高了机械利用率) 。原因是：刀体重 157kg，要在高度不足 1.3m 的铁壁 “猫耳洞 ”中工作，全洞温度高达 50 以上，困难很大，尤其要清理刀体支座，基座找平、扭紧M24 230 四个固定螺栓难度更大。我们采取了垫紧钢片、粘结、改善安装环境等方法

9、，把换刀时间从 90120min 缩短到 30min, 大大提高了 TBM 机时利用率。(6) 在整个掘进中，发现刀具的磨耗量大，刀圈寿命平均为139158h 就需更换，小于规定的180h，级硬岩刀圈平均寿命仅 95.3h，刀体本身有的轴承不好，刀体消耗量也大，3 把刀圈就要更换刀体 (1:3) ，原要求 1:5，所以刀体、刀圈国产化的问题必须加快正式提出，于是 和有关轴承厂、矿机厂等单位联系，建立了刀具国产化小组。(图 )(7) 在推进过程中发现该 TBM 存在主要问题是 :? 刀盘强度不够焊缝开裂；? 主轴承密封圈不良， 造成液压油和润滑齿轮油混合， 造成润滑系统的润滑油粘度减少一半， 影

10、响安全施工；? 8个驱动刀盘的齿轮减速箱，其中 4个漏水，漏水量 130m3/d，另外大小问题达 130 多个， 说明该台 TBM 在制造质量上有不少重大问题。(8) 后配套运输系统与 TBM 掘进配合好坏， 是决定施工进度的主要内容之一， 对机车、 碴车、 人车、 仰拱块车、 混凝土喷料、 注浆料及设备等进行了全面的研究， 列出详细的往返运行图 , 并根据掘进长度得出三列碴车参加碴石运输循环能满足 1-9km 的掘进需要，并对每个环节 进行了时间实测与整理。原研究设计希望轨道按四轨三线制铺设， 但由于车距不够， 铺设了四轨二线， 这给后部 衬砌工序带来了较大困难，增大了浮放道岔的长度数量和工

11、作量，是本次工作中的不足。(9) 在施工过程中对安全供电、节电做了调查和研究，按设计要求完善了安全供电和自控， 洞外用 25/10kV 变电站结构紧凑， 高压系统监控引入微机系统， 能实现现场监控操作， 可实 现在 2.8s 内快速排除故障。洞内用 10/0.4(0.66)kV 移动式变电站，有继电保护、过负载保护 及检漏保护装置。在整个施工中没出现任何问题，在 10kV 高压接头方面还需要进行国产化 开发，以降低造价。(10) 如何在山岭隧道 TBM 施工中做到准确的控制方向，减少误差，我们在 GPS 全球定位测 量和提高洞内控制测量精度性能上做了大量工作，提出了洞内控制测量的具体要求与措施

12、， 和 ZED 260 激光导向系统配合，实现了横向贯通误差为10mm，高程贯通误差为 4mm，纵向贯通误差为 13mm， TBM 掘进偏差为 30mm 的很好成果，大大低于测规的要求。(11) 在整个施工过程中， 编写了有关国内外 TBM 施工技术资料培训教材与 10 册情报资料， 并编写了有关工法。 收集、 整理翻译了有关国外大吨位内燃牵引机车的技术资料， 由长沙铁 道学院负责并出版了这方面的专著。(三) 、主要研究内容( 9大技术难点、 31 项关键技术)( 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

13、）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）通过以上九项配套技术研究开发，31 个关键技术的攻关， 实现了 TBM 安全快速掘进的目标， 创造了 TBM 日掘进 40.5m，月掘进 528.1m 的全国最高纪录， 平均月掘进为 288m ； 创造了 TBM 日最高机时利用率 78%，月最高机时利用率 58%，平均机时利用率 42%，达到 了 TBM 综合管理世界先进水平（ 40% ）；在测

14、量方面首次试用洞外 GPS 测量，高程为一等 水准，洞内为一等光电测距和三等水准控制的先进技术，确保秦岭隧道贯通误差精度横向 10mm，纵向 13mm，高程 4mm 的世界先进水平；利用 ZED 260 导向系统实现 TBM 掘进 过程中偏差控制在 30mm ；创造了衬砌快速施工 34m/d，弹性整体道床 50m/日的全国最高 纪录；实现了刀具国产化，节约刀具成本50%；仅用 23 天在隧道内实现拆卸刀盘、主轴承（ 5.2m）更换密封圈，成为这一技术领域的创举；快速预制大吨位仰拱块方面创造了 17 套钢模每天周转一次的最高纪录等 。二、 8.8mTBM 在磨沟岭、桃花铺铁路隧道成功掘进的案例（

15、 1）装有超前钻机。（ 2）装有锚杆钻机。（3）可及时喷射混凝土。（4）钢拱架安装器。TB880E 掘进机主要技术参数是否适合乌鞘岭隧道地质掘进参数的分析。 结论：? 采用超前预报技术，应用 TSP 202 设备对 TBM 前方不良地段进行预测及预加固技术；? TBM 通过岩爆地段施工技术；? TBM 通过断层破碎段施工技术在磨沟岭和桃花铺隧道成功运用证明： 开敞式 TBM+ 软岩支护后配套方案是成功的，能体现快速支护的特点。? TBM 掘进时突发涌水处理技术。? TBM 撑脚处围岩加固技术。? 应用开敞式 TBM 和配属能进行软弱围岩支护功能的后配套设备， 在磨沟岭和桃花铺隧 道突破了开敞式

16、 TBM 能在软弱围岩条件下进行安全掘进的难题，并创造了日掘进、快支护 41.3m 和月掘进、快支护 574m 快速的施工纪录。测量学模拟试卷得分评卷人复查人一、单项选择题（每小题 1 分，共 20 分） 在下列每小题的四个备选答案中选出一个正确的答 案，并将其字母标号填入题干的括号内。1经纬仪测量水平角时，正倒镜瞄准同一方向所读的水平方向值理论上应相差（A 180B 0C 90 D 270A ）。2. 1：5000 地形图的比例尺精度是（ D ）。 A 5 mB 0.1 mm C 5 cmD 50 cm3. 以下不属于基本测量工作范畴的一项是（C）。A 高差测量 B 距离测量 C 导线测量

17、D 角度测量4. 已知某直线的坐标方位角为A 220B 40 220，则其象限角为（ D ）。C 南西 50 D 南西 405. 由一条线段的边长、方位角和一点坐标计算另一点坐标的计算称为（ A ）。 A 坐标正算 B 坐标反算 C 导线计算 D 水准计算6. 闭合导线在 X 轴上的坐标增量闭合差（ A ）。A 为一不等于 0 的常数 B 与导线形状有关C 总为 0 D 由路线中两点确定7. 在地形图中，表示测量控制点的符号属于（ D ）。A 比例符号 B 半依比例符号 C 地貌符号 D 非比例符号8. 在未知点上设站对三个已知点进行测角交会的方法称为（ A ）。A 后方交会 B 前方交会 C

18、 侧方交会 D 无法确定9. 两井定向中 不需要进行 的一项工作是（ C ）。A 投点 B 地面连接 C 测量井筒中钢丝长度 D 井下连接10. 绝对高程是地面点到（ C A 坐标原点 B 任意水准面的铅垂距离。C 大地水准面D 赤道面11下列关于等高线的叙述是 错误 的是：（ A ）A 高程相等的点在同一 等高 线上 B等高线必定是闭合曲线，即使本幅图没闭合，则在相邻的图幅闭合 C等高线不能分叉、相交或合并测量学试卷 第 5 页（共 7 页）37A 75 3030 15如图所示支导线，BC 45 3030 D 25 2930 的坐标方位角 CD 为（B 15 3030D 等高线经过山脊与山脊

19、线正交12下面关于非比例符号中定位点位置的叙述错误 的是（ B ）A几何图形符号，定位点在符号图形中心B符号图形中有一个点，则该点即为定位点C宽底符号，符号定位点在符号底部中心D底部为直角形符号，其符号定位点位于最右边顶点处 13下面关于控制网的叙述 错误 的是（ D ）A 国家控制网从高级到低级布设B国家控制网按精度可分为 A、B、C、D、E 五等 C国家控制网分为平面控制网和高程控制网 D 直接为测图目的建立的控制网，称为图根控制网14下图为某地形图的一部分，各等高线高程如图所视，A 点位于线段 MN 上，点 A 到点M 和点 N 的图上水平距离为 MA=3mm ， NA=2mm ，则 A

20、 点高程为（ A ）A36.4mB36.6mC37.4mD37.6m16三角高程测量要求对向观测垂直角，计算往返高差，主要目的是（A 有效地抵偿或消除球差和气差的影响B有效地抵偿或消除仪器高和觇标高测量误差的影响C有效地抵偿或消除垂直角读数误差的影响D有效地抵偿或消除读盘分划误差的影响17下面测量读数的做法正确的是（C ）A 用经纬仪测水平角，用横丝照准目标读数测量学试卷 第 6 页（共 7 页）B用水准仪测高差，用竖丝切准水准尺读数C水准测量时，每次读数前都要使水准管气泡居中D 经纬仪测竖直角时，尽量照准目标的底部18水准测量时对一端水准尺进行测量的正确操作步骤是（D ）。A 对中整平瞄准

21、读数C 粗平精平瞄准 读数A 整平 瞄准读数 精平D 粗平瞄准 精平读数19矿井平面联系测量的主要任务是（A 实现井上下平面坐标系统的统一C 作为井下基本平面控制D ）B 实现井上下高程的统一D 提高井下导线测量的精度20 井口水准基点一般位于（A 地面工业广场井筒附近C 地面任意位置的水准点A ）。B 井下井筒附近D 井下任意位置的水准点得分评卷人复查人、填空题（每空 2 分，共 20分）21 水准测量中，为了进行测站检核，在一个测站要测量两个高差值进行比较，通常采用的 测量检核方法是双面尺法和 。22 直线定向常用的标准方向有真子午线方向、 磁北方向 和坐标纵线方向。23 地形图符号一般分

22、为比例符号、 _半依比例符号 和不依比例符号。24 井下巷道掘进过程中，为了保证巷道的方向和坡度，通常要进行中线和 的标定工作。25 测量误差按其对测量结果的影响性质，可分为系统误差和_偶然误差 。26 地物注记的形式有文字注记、 和符号注记三种。27 象限角的取值范围是： 0-90 。28 经纬仪安置通常包括整平和 对中 。29 为了便于计算和分析， 对大地水准面采用一个规则的数学曲面进行表示， 这个数学曲面 称为 参考托球面测量学试卷 第 7 页（共 7 页）差分30 光电测距仪按照测量时间的方式可以分为相位式测距仪和得分评卷人复查人31竖盘指标差竖盘分划误差、名词解释（每小题 5 分，共

23、 20分）32水准测量利用水准仪测定两点间的高差33系统误差由客观原因造成的具有统计规律性的误差34视准轴仪器望远镜物镜和目镜中心的连线得分评卷人复查人四、简答题（每小题 5 分，共 20分）35简述测回法测量水平角时一个测站上的工作步骤和角度计算方法。对中，整平，定向，测角。观测角度值减去定向角度值测量学试卷 第 8 页（共 7 页）36什么叫比例尺精度？它在实际测量工作中有何意义？图上 0.1 毫米在实地的距离。可以影响地物取舍37简述用极坐标法在实地测设图纸上某点平面位置的要素计算和测设过程。38高斯投影具有哪些基本规律。测量学试卷 第 9 页（共 7 页）得分评卷人复查人五、计算题（每

24、小题 10 分，共 20 分）39在 1： 2000 图幅坐标方格网上，量测出 ab = 2.0cm, ac = 1.6cm, ad = 3.9cm, ae = 5.2cm。试计算 AB 长度 DAB 及其坐标方位角 AB。40从图上量得点 M 的坐标 X M=14.22m, YM =86.71m ；点 A 的坐标为 XA=42.34m, Y A =85.00m 。试计算 M 、A 两点的水平距离和坐标方位角。测量学试卷 第 10 页（共 7 页）测量学 标准答案与评分说明一、一、 单项选择题（每题 1 分）1 A； 2 D； 3 C； 4 D； 5 A； 6 C； 7 D； 8 A； 9 C

25、； 10 C；11 A；12 D；13 B；14 A； 15 B；16 A；17 C；18 D； 19 A；20 A二、二、 填空题 （每空 2 分，共 20 分）21 变更仪器高法22 磁北方向23 半依比例符号（或线状符号）24腰线25偶然误差26数字注记27 大于等于 0度且小于等于 90度（或0 , 90 ）28 对中29 旋转椭球体面30 脉冲式测距仪三、三、 名词解释（每题 5 分，共 20 分）31 竖盘指标差：在垂直角测量中，当竖盘指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向其正 确位置 90 度或 270 度，而是与正确位置相差一个小角度 x, x 即为竖盘指标差。32 水准测量：

26、 利用一条水平视线并借助于水准尺， 测量地面两点间的高差， 进而由已知点 的高程推算出未知点的高程的测量工作。33 系统误差： 在相同的观测条件下， 对某量进行了 n 次观测， 如果误差出现的大小和符号 均相同或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。34 视准轴：望远镜物镜光心与十字丝中心（或交叉点）的连线。四、四、 简答题（每题 5 分，共 20分）35（1）在测站点 O上安置经纬仪，对中，整平（1 分）（2）盘左瞄准 A 点，读数 LA，顺时针旋转照准部到 B 点，读数 L B，计算上半测回 角度 O1=L B-LA ；（2 分）（ 3）旋转望远镜和照准部，变为盘右方向，瞄准B 点读数 RB，逆时针旋转到 A 点，读数 RA，计算下半测回角度 O2=RB-RA ；（ 3 分）（4）比较 O1和 O2的差，若超过限差则不符合要求，需要重新测量，若小于限差，则 取平均值为最终测量结果O = （O1+O2）/2（ 5 分）36图上 0.1mm 对