岩石隧道掘进机施工

2020年3月9日星期一1岩石隧（巷）道掘进机施工中国最长的铁路隧道：乌鞘岭特长隧道，全长20.05公里，是兰新铁路兰武段（兰州西至武威南）新增二线铁路上的一座长隧道，06年8月23日上午实现双线开通。兰新铁路兰武段是中国铁路网“八纵八横”中重要“一横”——欧亚大陆桥通道的组成部分，也是内地连接新疆和甘肃河西地区的主要通道。2020年3月9日星期一2中国目前最长的公路隧道•秦岭终南山隧道：位于我国西部大通道内蒙古阿荣旗至广西北海国道上西安至柞水段，在青岔至营盘间穿越秦岭，全长18.4公里，技术标准为高速公路双洞四车道，行车速度为每小时80公里。终南山隧道2001年1月由国家发展计划委员会批准立项建设，设计工期为67个月，总投资约25亿元人民币。与已建成的我国第一长隧道——西安安康铁路秦岭隧道并行。•秦岭终南山特长公路隧道道路等级按高速公路设计。隧道横断面高5米、宽10.5米，双车道各宽3.75米。上、下行线两条隧道间每750米设紧急停车带一处、每500米设行车横通道一处、每250米设人行横通道一处。2007年1月20日建成通车。秦岭终南山公路隧道是我国自行设计施工的高速公路特长隧道，堪称世界第二、亚洲第一，是世界上第一个采用双洞单向行驶的特长隧道，双洞全长36.04公里，建设规模居世界第一。2020年3月9日星期一32020年3月9日星期一4中国目前第二长的铁路隧道•中国最长的铁路隧道：秦岭隧道，位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ线隧道全长18456米，居当时世界山岭隧道第6位、亚洲第2位。•秦岭隧道Ⅰ、Ⅱ线均为单线电气化铁路隧道，Ⅰ线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。•隧道于1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。2020年3月9日星期一51概述在岩石中开凿矿山巷道或交通隧道时，除采用常规的钻眼爆破法外，还可采用掘进机施工。掘进机：是指能够直接截割、破碎工作面岩石，同时完成装载、转运岩石，并可调动行走和进行喷雾除尘的功能，有的还具有支护功能，以机械方式破落煤、岩的隧（巷）道掘进综合机械。2020年3月9日星期一6掘进机按其结构特征和工作机构破岩方式的不同，可分为：全断面掘进机：主要适用于直径一般为2.5～10m的全岩隧（巷）道，岩石的单轴抗压强度可达50～350MPa；可一次截割出所需断面，且形状多为圆形，主要用于工程涵洞和隧道的岩石掘进。悬臂式掘进机：一般适用于单轴抗压强度小于60MPa的煤、半煤岩和软岩水平巷道，一次仅能截割断面的一部分，需要工作机构多次摆动才能掘出所需断面，断面可以是矩形、梯形、拱形等多种形式，在矿山、尤其是煤矿巷道掘进中使用普遍。掘进机分类：2020年3月9日星期一72全断面岩石隧道掘进机全断面岩石隧道掘进机：通常简称隧道掘进机（TunnelBoringMachine，缩写为TBM），是一种用于圆形断面隧（巷）道、采用滚压式切削盘在全断面范围内破碎岩石，集破岩、装岩、转载、支护于一体的大型综合掘进机械，现已成为国外较长隧道开挖普遍采用的方法。全断面岩石隧道掘进机利用圆形的刀盘破碎岩石，故又称刀盘式掘进机。刀盘的直径多为3～10m，3～5m的较适用于小型水利水电隧道工程和矿山巷道工程，5m以上适应于大型的隧道工程。国外生产的岩石掘进机直径较大，目前最大可达13.9m。2.1概述2020年3月9日星期一8TBM外形图基本功能有掘进、出渣、导向和支护，并配置有完成这些功能的机构。还配备有如运渣运料、支护、供电、供水、排水、通风等后配套系统，总长度较大，一般为150～300m。2020年3月9日星期一9掘进机的基本施工工艺：刀盘旋转破碎岩石，岩渣由刀盘上的铲斗运至掘进机的上方，靠自重下落至溜渣槽，进入机头内的运渣胶带机，然后由带式输送机转载到矿车内，利用电机车拉到洞外卸载。掘进机在推力的作用下向前推进，每掘够一个行程便根据情况对围岩进行支护。2020年3月9日星期一102.2全断面岩石掘进机的类型与结构按掘进的方式：全断面一次掘进式（又叫一次成洞）和分次扩孔掘进式（又叫两次成洞）。按掘进机是否带有护壳：敞开式和护盾式。掘进机的结构部件：机构和系统。机构：刀盘、护盾、支撑、推进、主轴、机架及附属设施设备等。系统：驱动、出渣、润滑、液压、供水、除尘、电气、定位导向、信息处理、地质预测、支护、吊运等。它们各具功能、相互连接、相辅相成，构成有机整体，完成开挖、出渣和成洞功能。2020年3月9日星期一112.2.1敞开式TBM敞开式TBM是一种用于中硬岩及硬岩隧道掘进的机械。由于围岩比较好，掘进机的顶护盾后，洞壁岩石可以裸露在外，故称敞开式。敞开式TBM主要由三大部分组成：切削盘，切削盘支承与主梁，支撑与推进。切削盘支承和主梁是掘进机的总骨架，二者联为一体，为所有其它部件提供安装位置；切削盘支承分顶部支承、侧支承、垂直前支承，每侧的支承用液压缸定位；主梁为箱形结构，内置出渣胶带机，两侧有液压、润滑、水气管路等。支撑分主支撑和后支撑，主支撑分单T型支撑和双X型支撑。2020年3月9日星期一12图3Robbinsφ8.0m型敞开式全断面掘进机1-顶部支承；2-顶部侧支承；3-主机架；4-推进油缸；5-主支撑架；6-TＢM主机架后部；7-通风管；8-皮带输送机；9-后支承带靴；10-主支撑靴；11-刀盘主驱动；12-左右侧支承；13-垂直前支承；14-刀盘；15-锚杆钻；16-探测孔凿岩机2020年3月9日星期一132.2.2护盾式TBM护盾式TBM按其护壳的数量分有单护盾、双护盾和三护盾三种，我国以双护盾掘进机为多。双护盾为伸缩式，以适应不同的地层，尤其适用于软岩且破碎、自稳性差或地质条件复杂的隧道。双护盾式掘进机没有主梁和后支撑，除了机头内的主推进油缸外，还有辅助油缸。辅助推进油缸只在水平支撑油缸不能撑紧洞壁进行掘进作业时使用，辅助油缸推进时作用在管片上。护盾式掘进机只有水平支撑没有X型支撑。2020年3月9日星期一14图5TB880Ｈ/TS-（φ8.8m）型护盾式全断面掘进机1-刀盘；2-石碴漏斗；3-刀盘驱动装置；4-支撑装置；5-盾尾密封；6-凿岩机；7-砌块安装器；8-砌块输送车；9-盾尾面；10-辅助推进液压缸；11-后盾；12-主推进液压缸；13-前盾；14-支撑油缸；15-带式输送机2020年3月9日星期一152.2.3扩孔式TBM当隧道断面过大时，会带来电能不足、运输困难、造价过高等问题。在隧道断面较大、采用其它全断面掘进机一次掘进技术经济效果不佳时就可采用扩孔式全断面掘进机。扩孔式全断面掘进机是先采用小直径TBM先行在隧道中心用导洞导通，再用扩孔机进行一次或两次扩孔。为保证掘进机支撑有足够的撑紧力，导洞的最小直径为3.3m，扩孔的孔径一般不超过导洞孔径的2.5倍。对于直径6m以上的隧道，除在松软破碎的围岩中作业的护盾式掘进机外，设备制造商比较主张先打φ4m左右的导洞，再用扩孔机扩孔。国外在1970年施工的一条隧道，先用直径3.5m的掘进机开挖，然后用扩挖机扩大到10.46m；另一隧道用的扩孔机直径为4.5m，扩孔直径10.8m。2020年3月9日星期一16（a）导洞掘进机；（b）Wirth扩孔机主机部分图6扩孔机施工方式图1-推进液压缸；2-支撑液压缸；3-前凯氏外机架；4-前凯氏内机架；5-护盾；6-切削盘；7-石渣槽；8-输送带；9-后凯氏内机架；10-后凯氏外机架；11-后支承；12-滚刀；13-护盾液压缸；14-前支承2020年3月9日星期一17•首先决定是否使用掘进机开挖•然后确定隧道的总体开挖方案•再进行掘进机设备选型：首先根据地质条件确定掘进机的类型；然后根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主要技术参数；最后根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。2.4全断面岩石隧道掘进机的选择2.4.1选择原则2020年3月9日星期一18•隧道的设计有单、双洞之分和断面大小之别。•根据掘进工作面的设置和推进方向，掘进方式有单头单向掘进、双向对头掘进、多向多头掘进等方案，对于矿山巷道，一般都是单巷单头掘进。•根据断面的大小，掘进方式有全断面掘进机一次掘进、分次扩孔掘进、机掘与钻爆混合掘进等方案。2.4.2隧道施工方案的选择2020年3月9日星期一19•隧道的长度和弯曲度在3km以上长度的隧道中使用才具有较好的技术经济效果；隧道长度大于6km时应尽量使用，长度大于10km且工程地质、水文地质条件较适宜时应优先考虑采用。全断面掘进机对隧道的曲线半径有一定要求，曲线半径一般要求在200m以上，隧道的拐弯半径必须大于或等于所选机型所要求的拐弯半径。•隧道断面的形状与大小全断面掘进机适用于圆形断面的隧（巷）道。断面大小基本上可决定掘进机机型的大小，每种机型都有一定的使用范围，选用时应考虑其最佳掘进断面积。如断面过大，采用全断面掘进机时，可考虑扩孔机掘进或者先用小直径全断面掘进机掘进再用钻爆法扩挖。2.4.3掘进机主机的选择2020年3月9日星期一20•岩石性质：掘进机对隧道的地层最为敏感，掘进机的具体类型要根据地质条件、施工环境、工期要求等因素确定。不同类型、型号的掘进机有其各自适用的最佳岩石单轴抗压强度范围值。一般情况下，在围岩为中硬以上且整体性较好的隧道中，宜选用敞开式掘进机；中等长度隧道且整条隧道地质情况相对较差的条件下使用单护盾式掘进机；双护盾式掘进机常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧道，对各种不良地质和岩石强度变化有较好适应性。2020年3月9日星期一21•刀盘直径：按掘进机的类型、成洞洞径、衬砌厚度等确定，可按下式计算：开敞式D=d+2（h1+h2+h3）护盾式D=D0+2（δ+h）式中：D—刀盘直径，m；d—工程要求的成洞洞径，m；h1—预留变形量（考虑掘进误差、围岩变形量、模注衬砌误差），m；h2—初期支护厚度，m；h3—二次衬砌厚度，m；D0—管片内径，m；δ—管片厚度，m；h—灌注的砾石平均厚度，m。2.4.4掘进机主要技术参数的选择2020年3月9日星期一22•刀盘转速：应根据围岩类别及刀盘直径等因素确定。刀盘转速的选择还与刀盘直径有关，计算公式为：n=60Vmax/πD式中：n—刀盘转速，r/min；Vmax—边刀回转最大线速度，m/s，一般控制在2.5m/s以内；D—刀盘直径，m。•刀盘转速与直径成反比，刀盘直径越大，转速越低。2.4.4掘进机主要技术参数的选择2020年3月9日星期一23•刀盘扭矩：根据围岩条件、掘进机类型、掘进机结构、掘进机直径确定。•刀盘驱动功率：根据刀盘扭矩、转速及传动效率确定。•掘进推力：必须根据各种推进阻力的总和及其所需要的富裕量确定。•掘进行程：宜选用长行程，护盾式掘进机的掘进行程必须根据管片环宽确定。合理选择掘进机行程对加快掘进速度、提高施工进度十分有利。选用合理长行程可减少换步次数，提高总体施工速度。减少停开机次数有利于延长掘进机寿命，当使用护盾式掘进机时，还可减少混凝土管片接缝数量，从而减少渗漏水的概率。•贯入度：也称切深，即刀盘每转动一周刀具切入岩石的深度。贯入度指标与岩石特性有关，如岩石类别、单轴抗压强度、裂隙发育、可钻性、耐磨度、孔隙率等。对掘进机本身而言，掘进速度=刀盘转速×贯入度，在相同的掘进速度情况下，刀盘转速高时的贯入度低，刀盘扭矩小，而此时推进力相对也较小。2020年3月9日星期一24•技术准备•设备、设施准备•材料准备•作业人员准备•施工场地布置•预备洞、出发洞隧道洞口一定长度内围岩一般不太好，掘进机的长度比较大，TBM正式工作前需要开挖一定深度的预备洞和出发洞。预备洞是指自洞口用钻爆法挖掘到围岩条件较好的洞段，用于机器撑靴的撑紧；出发洞是由预