敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施.pdf

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敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施1 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施2 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施3 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施4 敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施5
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———文章编号:10094539(2018)04009905・隧道/地下工程・敞开式TBM在软弱围岩中掘进反力保障措施景琦(中铁十八局集团有限公司天津300222)摘要:敞开式TBM掘进时推力和扭矩均通过撑紧洞壁的撑靴抵消,在软弱围岩条件下,经常会出现撑靴打滑、无法撑紧洞壁等现象,不能为TBM掘进提供可靠的反力,严重影响TBM掘进效率及成洞质量。结合工程实践,系统研究敞开式TBM在软弱围岩地质条件下掘进反力保障技术,确保撑靴撑紧洞壁时具有合理的接地比压,开发了局部沙袋填充、整体沙袋支垫、枕木支垫、喷射混凝土回填、现浇混凝土回填、注浆加固等措施,具有良好的应用效果。关键词:掘进反力沙袋填充枕木支垫注浆加固浇筑混凝土中图分类号:U455.4文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2018.04.024SafeguardMeasuresofBoringForceofOpen-typeTBMinWeakSurroundingRockJingQi(ChinaRailway‘18BureauGroupCo.Ltd.,Tianjin300222,China)Abstract:Whentheopen-typeTBMisboring,thethrustandtorquewillbecounteractedbythegripperswhichholdtightthewall.Frequently,thegrippersayeunabletoholdtightthewallduetoslipping,which’calltsupplyenoughreactionforceforTBMboring,itseriouslyaffectstheefficiencyofTBMconstructionandthequalityoftunnellinginweaksurroundingrocks.Combinedwiththeengineeringpractice,thepapersystematicallystudiedtheboringforceprotectiontechnologyofopen-typeTBMinweaksurroundingrocks,thegroundpressurewasensuredreasonablywhenthegripperswereholdingtightthewall.Aseriesoftechnicalmeasuresweredeveloped,suchaslocalsandbagsfilling,overMlsandbagssupporting,sleeperssupporting,backfillingofshotcreteandon-siteconcrete,andgroutingreinforcement.Theabovemeasureshaveachievedgoodapplicationresults.Keywords:boringforce;gripper;fillingsandbag;sleepersupport;groutingreinforcement;pouringconcrete1引言TBM在我国从原来同时施工的一两台,发展到—今天正在掘进和已经开工的约5060台,并且仍在大力推广,即将迎来更广阔的应用空间uJ,例如某工程在勘探试验洞应用2台、主洞应用18台敞开式TBM;辽宁某工程同时应用了8台敞开式TBM;吉林省中部城市引松供水工程应用了3台敞开式TBM;山西省中部引黄工程采用了4台双护盾TBM;青岛地铁已经贯通和已经开工的线路共采用10余台双护盾TBM;重庆地铁、深圳地铁等工程也在采用TBM施工。——收稿日期:20180208作者简介:景琦(1969一),男,高级工程师,主要从事技术管理方面的铁道建笥蠹秦。RA『LwAyC0~s了-尺LJC丁『o~丁£-cHNOLoGy随着TBM应用的不断推广,施工过程中遇到的地质难题也不断增加,不良地质条件下的TBM施工方面的研究较多,文献[2]研究了高压富水段TBM—连续下坡掘进施工技术;文献[35]介绍了ISP、HSP、BEAM超前地质预报系统的组成、工作原理及—应用;文献[68]研究了高地应力岩爆地质条件下TBM施工措施以及特殊的钻爆法扩挖导洞+TBM—法扩挖施工技术;文献[910]总结了TBM进入软弱破碎围岩的判别方法、遇到的主要问题以及应对措施;文献[11]主要针对断层破碎带、塑性围岩、煤系地层、富水岩层、高地应力等地层条件,探讨了双护盾掘进机在各种不良地质条件下的施工方法;文献[12]研究了TBM在不良地质段的施工技术。但2018104)99万方数据・隧道/地下工程・针对敞开式TBM掘进反力保障技术方面的系统研究较少,同时近年来施工过程中遇到的类似问题却较为普遍。为此,结合工程实践,专题研究TBM在软弱围岩工况下掘进反力不足的表现形式与危害、保障措施,可供后续工程参考和借鉴。2敞开式TBM掘进受力分析“”敞开式TBM有两种结构形式,分别为双x形支撑凯式结构和单水平支撑主梁式结构。2.1“”双X形支撑TBM“”双X形支撑敞开式TBM如图1所示。“”TBM主机上前后布置2套呈x形布置的撑靴,分别安装于前后外机架(外凯,OuterKelly)上,“”对称布置,每一组x形支撑配置8个撑靴,但每个撑靴的面积相对较小。该机型配置16个撑靴、32根撑靴油缸、8根推进油缸,结构复杂,故障点多,目前已经被淘汰。2.2单水平支撑TBM水平支撑卞梁式TBM女n图2所示,“”图1双X形支撑TBM图2水平支撑主梁式TBM缸伸出,使撑靴顶紧隧道洞壁产生摩擦力,提供推进油缸掘进反力,并承受主机与连接桥的部分重量。掘进反力直接通过推进油缸、撑靴传递给隧道洞壁。刀盘扭矩从大齿圈传输到主驱动单元,然后从主驱动单元到机头架。机头架和主大梁是连接在一起的,扭矩通过安装在主大梁上的鞍架支撑传输到撑靴鞍架,然后,扭矩通过扭矩油缸再从撑靴鞍架传输到撑靴油缸,最后再到撑靴和隧道侧壁,见图3。l一主梁:2-推进油缸:3-撑靴、4一撑靴油缸:5-鞍架图3TBM掘进受力分析示意TBM破岩过程中,推力传递路径为:撑靴_主梁_机头架斗主轴承_刀盘_滚刀一掌子面;扭矩传递路径为:撑靴一鞍架_主梁_机头架_主轴承_+刀盘一滚刀一掌子面。推力和扭矩的反力最终由撑靴传递给洞壁。同时,底护盾作为前端支点、撑靴作为后端支点,确保TBM主机稳定,通过撑靴组件调整和保持TBM掘进方向与姿态。由此可见,撑靴维持正常工作状态方可实现掘进施工。TBM配置1套水平布置的撑靴,2个撑靴分布撑靴于主梁的左右两侧,水平伸出,每个撑靴的面积相对较大。该机型配置2个撑靴、2根撑靴油缸(大直径TBM配置4根撑靴油缸)、4根推进油缸,结构简单,几乎统治了敞开式TBM的市场。1-撑靴2-撑靴油缸,3-主梁:4-扭矩油缸5一鞍架2.3受力分析图4撑靴组件与鞍架TBM掘进时,刀盘在推进系统作用下以设定的推力顶推掌子面,安装在刀盘上的滚刀获得相应的3撑靴结构与特点推力,刀圈刃部楔人岩体,当压强超过岩体抗压强3.1“’’双X形支撑TBM撑靴度时就会形成裂纹,相邻滚刀导致的岩体裂纹贯双x形支撑(见图5),即TBM配置2套呈x通,石渣剥落,多台电机共同驱动刀盘旋转,带动众形布置的撑靴,分别安装于前后外机架上,对称布多滚刀形成在掌子面以刀盘中心为圆心的同心圆置,每一组x形支撑都安装有8个撑靴,每个撑靴回转,连续破岩。的面积相对较小,用以撑紧洞壁为掘进提供反力。以最常用的水平支撑主梁式TBM为例分析掘掘进过程中两套支撑系统将主机部分全部托起,进时力的传递和相互作用。在掘进过程中,撑靴油则刀盘、主轴承等处于悬臂状态,掘进过程中产生100铁道建篦技术RA儿WAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGy2018(04J万方数据・隧道/地下工程・的振动相对较大。遇到不良地质条件时,可针对围岩软硬不均的情况.分别设定撑靴的油缸压力,如果坍塌部位刚好位于撑靴位置,则可以选用部分撑靴撑紧洞壁,继续掘进。该种结构复杂,一旦出现故障,维修难度大。“”图5双X形支撑TBM撑靴3.2水平支撑主梁式TBM撑靴水平支撑,即TBM配置1套水平布置的撑靴,2个撑靴分布于主梁的左右两侧,水平伸出,每个撑靴的面积相对较大。掘进过程中水平撑靴与刀盘护盾共同支撑主机。由于撑靴与洞壁接触面积较大,在撑靴位置遇到较小坍塌时可直接通过。撑靴油缸数量少,左右侧各有1根油缸,所以缸径很大。因只有一对水平浮动支撑,结构简单,换步快,有利于提高掘进速度;转弯半径小,转向一灵活(见图6)。图6水平支撑主梁式撑靴为焊接钢结构TBM撑靴件,合适的撑靴面积能够满足不同围岩条件下的掘进能力。撑靴表面开槽以避免损坏钢拱架,同时安装若干耐磨钉以增大撑靴与洞壁的摩擦力。撑靴与撑靴油缸采用球铰连接。这种球面结构使撑靴能够适应各个方向允许角度的摆动,以适应TBM姿态和不规则的洞壁。为避免摆动过大,同时具备主动调整功能,撑靴液压缸外部设有平衡液压缸,以保证换步过程中撑靴的稳定。紧压力,掘进过程中根据地质条件变化以及掘进参数表现及时调整掘进参数,以实现最佳掘进状态。有时会调整推力,当推力较大时,随着TBM掘进振动对洞壁的影响,容易导致撑靴撑紧力不足而打滑。此时,虽然推进油缸在伸长,但刀盘却无法前进,撑靴向后滑移,TBM不能正常掘进,甚至由于不均匀滑移导致TBM撑紧推进系统故障。软弱破碎围岩条件,以及完整坚硬围岩条件下,都可能发生撑靴打滑现象。,+4.3坍塌加剧TBM掘进过程中,撑靴撑紧洞壁,软弱及破碎围岩条件下,撑紧力如果大于围岩的整体抗压强度,则会导致围岩被压溃而更加破碎,当撑靴撑紧力减小或者离开洞壁时,加剧围岩坍塌。同时,掘进振动会导致撑靴持续扰动所接触的围岩,也会加剧围岩破坏与坍塌。4.4撑靴陷入岩体破碎及软弱围岩条件下,掘进过程中为保证推力,撑靴撑紧压力相对于围岩可能会偏大,造成撑靴陷入岩体,从而必须调小撑靴撑紧力及掘进推力,甚至停止掘进,如图7所示。图7撑靴陷入岩gt/混凝土回填结构4.5方向偏差TBM通过不良地质段时,由于刀盘、护盾、撑靴周边围岩松散,甚至出现坍塌,很容易导致掘进方向偏差。4掘进反力不足之表现形式与危害5掘进反力不足之应对措施4.1掘进推力不足TBM掘进反力所带来的不利影响,在施工实践TBM控制系统的PLC程序设定了撑靴压力和推中从设备配置以及现场施工两个方面探索并实施进压力的匹配关系,自动控制以防意外。当撑靴反力了一系列解决措施,取得了显著成效。不足时,正常情况下只能按照程序允许的限值控制掘5.1增大靴板面积。减小最大接地比压进推力,则导致TBM掘进推力不足,破岩效率会受到为提高'IBM适应不同围岩的能力,尽可能扩大较大影响,特别是撑靴部位围岩相对破碎、掌子面围撑靴与洞壁的接触面积,在保证足够支撑力的同时岩相对完整且坚硬时会严重影响掘进速度。使得接地比压足够小,同时采用推力与撑紧力比例4.2撑靴打滑控制技术,避免撑靴在不良地质条件下压溃洞壁,掘进时,通常是在TBM换步完成后设定撑靴撑保证TBM的连续掘进。目前要求敞开式TBM撑靴铁道建兢技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018nD4J101万方数据・隧道/地下工程・最大接地比压不大于3—MPa,大多可以达到2.52.8MPa。由于敞开式TBM需要具备拼装钢拱架并且适应钢拱架间距的功能,如果撑靴可以同时跨越多榀“”钢拱架,则其面积理论上可以无限增大。实际设计制造TBM以及施工过程中并非如此,即便是撑靴跨越2榀钢拱架,撑靴上就要预留2个开槽,不仅会大大占用撑靴空间,同时也为后续掘进施工带来更多的影响。钢拱架拼装间距控制、钢拱架拼装垂直度控制都很难保持在撑靴所能适应的调整范围内。如果强制要求必须达到TBM撑靴所能适应的高标准,则洞内作业效率会显著降低,会直接严重影响TBM掘进速度。因此,现阶段敞开式TBM撑靴绝大多数都是按照单槽设计制造的。5.2浮动撑靴。均匀受力敞开式TBM撑靴设计为浮动式,撑靴和撑靴油缸之间为铰接结构,通过球头球窝连接,靴板与开挖直径是完全匹配的,当撑靴撑紧洞壁时,撑靴可绕球头摆动,因而即便撑靴的初始状态欠佳也能均匀贴合于洞壁,避免在遭遇围岩局部破碎带时出现尖峰应力情况。撑靴自洞壁收回时,完全依靠其重力无法保证撑靴回位至正常状态,经常发生偏斜现象,容易引起油缸密封损伤等故障,因此目前的TBM均配置了撑靴回位油缸,强制回位。回位油缸分为内置式和外置式两种结构形式。外置式撑靴回位油缸见图8。5.3传感监控。防止打滑合理配置传感器,通过PLC程序监控撑靴状态可有效防止撑靴打滑。利用推进行程传感器、推进油缸位移传感器、TBM导向系统共同实时监控TBM掘进行程与推进行程,当二者不一致时立即在主控室操作面板上予以提示甚图8外置式撑靴回位油缸至报警,以便及时采取应对措施。实时监控撑靴行程传感器,避免撑靴伸出至最大行程导致油压增加而作用于洞壁的压力无法同步增加。102铁道建筑技术5.4临时支垫。控制掘进撑靴区域的洞壁出现塌腔时,会导致撑靴无法完全与洞壁贴合,会严重影响撑靴撑紧力、推力以及掘进方向,给TBM施工带来严重制约。通常情况下,可以采用沙袋填充、支垫枕木等措施,虽然其密实度和承载能力偏弱,如果控制掘进参数还是能够勉强掘进的,见图9。20世纪90年代至2000年前后,该措施采用较多,但沙袋填充及枕木支垫后,洞壁并不牢固,整体性很差,撑靴撑紧压力必须严格控制,过大或者过小均会导致停工,并且换步后会导致洞壁坍塌加剧。5.5少量坍塌。喷混填充撑靴部位围岩坍塌规模不大,特别是塌腔深度较小时,通常利用TBM配置的应急喷混系统在撑靴和护盾之间区域的洞壁上喷射混凝土回填塌腔,然后继续掘进。由于喷射混凝土具有很好的时效性,因而广泛应用于撑靴部位较浅塌腔回填,见图10。鼯哆理L图9临时支垫图10喷混填充撑靴部位塌腔喷射混凝土回填,容易造成主机区域污染严重,操作不当还可能损伤推进油缸等精密部件,因此对施工操作、施工管理提出了更高要求。5.6大型坍塌。现浇混凝土当撑靴部位围岩严重坍塌时,喷射混凝土通常难以满足施工要求,大多采用现浇混凝土回填,虽然回填效率偏低,但回填效果很好,因而被广泛采用,见图11。影响现浇混凝土回填效率的关键因素是封堵模板的安装与拆卸,需要根据现场实际工况条件以及掘进施工人员自身特点择优选择,有的认为木板重量轻、操作便捷,有的认为钢板封堵效果好,有的研制了适应性更强的快速拆装、循环使用的组合模板。5.7软弱围岩,注浆加固敞开式TBM在软弱围岩地质条件下掘进施工时,撑靴部位处于起拱线以上,围岩本来就容易坍塌,如果不合理采取措施,可能加剧坍塌,更可能由RAlLWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018104l万方数据・隧道/地下工程・于围岩破碎且抗压强度低而导致撑靴陷入岩体。有时即便采取现浇混凝土或喷射混凝土回填,由于背后围岩抗压强度低而塌陷、混凝土破碎,严重影响TBM掘进施工。对于此种极端地质条件,需要在喷射混凝土或现浇混凝土回填后注浆加固,见图12,图11现浇混凝土回填撑靴部位图12撑靴部位围岩注浆加固5.8双X形撑靴。部分支撑配置双X形撑靴的TBM,由于结构的特殊性,在不良地质洞段掘进时,探索了与之适应的特殊处理措施。(1)一般小范围、小规模的软弱围岩洞段,可通过调整掘进参数来保证通过,稍严重的洞段可以采取锁定部分撑靴液压油路、控制极少数撑靴脱离洞壁的方式通过,此时撑靴与洞壁的总接触面积要减小,同样需要相应调整掘进推力与掘进速度,以确保TBM顺利通过。(2)拱墙处发生较大坍塌时,虽然前方掘进后在刀盘后部及时采取架设钢拱架、挂网、喷锚等支护措施,但仍然可能造成TBM某一侧的撑靴无法支撑,即使锁定相应部位的部分撑靴油缸,也难以通过,可将受影响部位的撑靴油缸全部锁定,采用单外机架方式掘进。此时由三组撑靴稳定支撑机架,由于三点支撑时,坍塌侧撑靴是悬空的,另一侧撑靴会对机架产生推力,从而使刀盘有向一侧运动的趋势(如果悬空的是前撑靴,则会使刀盘有向坍塌侧运动的趋势;如果悬空的是后撑靴,则会使刀盘有向非坍塌侧运动的趋势)。在一个行程开始时如不注意此问题,那么很可能在行程结束后,掘进方向会发生较大偏差。针对此种情况,要求在换步调向时,对机器的方向适当调整,或者在保证撑紧的前提下在非坍塌侧撑靴油缸中相应锁闭几个油缸,减少对机架的推力,从而保证机器掘进的方向。6结束语敞开式TBM撑靴支撑力是正常掘进施工的重要保障,撑靴反力不足会导致推力不足、撑靴打滑、坍塌加剧、掘进方向偏差、撑靴陷入岩体等。从设备设计制造角度可以增大撑靴靴板面积、合理的传感器与PLC程序控制掘进推力与撑靴撑紧力的逻辑关系;从现场施工角度可采取临时支垫、喷混回填、现浇混凝土、注浆加固等措施。TBM正在我国大力推广,越来越多的工程将采用TBM施工,不可避免地会遇到越来越多的恶劣地质条件。关于撑靴为TBM掘进提供可靠反力的研究还需要继续深入,希望本文的探讨能够起到抛砖引玉的效果,激励更多的专业人员重视该课题研究,为我国TBM事业发展做出更大贡献。参考文献[1]齐梦学.硬岩掘进机(TBM)在我国隧道施工市场的推—广应用[J].隧道建设,2014(11):10191023.[2]王明华.煤矿斜井高压富水TBM掘进技术研究[J].—铁道建筑技术,2015(5):6364.[3]吕二超.ISP地质预报系统在引汉济渭工程岭北'IBM—施工中的应用[J].铁道建筑技术,2016(6):5255.[4]叶智彰.HSP声波反射法地质超前预报在西秦岭特长隧道'IBM施工中的应用[J].铁道建筑技术,2011(7):—9498.[5]高振宅.BEAM地质超前预报系统在锦屏引水隧洞'IBM施工中的应用[J].铁道建筑技术,2009(11):65—67.[6]王森昌.锦屏引水洞高地应力地质条件下TBM施工对—策[J].铁道建筑技术,201l(4):2833.[7]景琦.极强岩爆洞段TBM导洞扩挖法施工技术研究—与应用[J].铁道建筑技术,2016(6):2731.[8]罗汝洲.高地应力岩爆对TBM施工的影响及对策—[J].铁道建筑技术,2009(9):103105.[9]王在仁.敞开式全断面隧道掘进机开挖软弱破碎围岩隧道的施工方法[J].铁道建筑技术,2004(6):25—29.[10]沙明元,王在仁.敞开式全断面隧道掘进机通过软弱破碎围岩的施工方法[J].现代隧道技术,2003(6):50—57.[11]齐梦学.双护盾掘进机在不良地质洞段的施工方法探—讨[J].现代隧道技术,2007(4):915.[12]邓勇,齐梦学.硬岩掘进机施工技术及工程实践[M].—天津:天津大学出版社,2010:7580.铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2018(041103万方数据
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