研究
ResearchandDesign与设计隧道掘进机(TBM)选型探讨
毛卫洪
(铁道部工程质量安全监督总站乌鲁木齐监督站,乌鲁木齐830011)
摘要:我国山岭隧道的长度不断增加,数十公里的隧道不断投入到施工阶段,然而由于埋深大、施工支洞布置困难、环境保护要求高等因素影响,越来越多的硬岩掘进机(TBM)得以应用。TBM对地质条件的适应性不及钻爆法灵活,但适宜的地质条件下可以取得很高的施工进度,它可分为开敞式、单护盾、双护盾等不同类型。不同的TBM有不同的特点,不同的工程有不同的要求,TBM选型主要根据工程地质和水文地质条件、隧道设计要求、施工进度要求、支护与衬砌形式等综合分析后确定。工程条件与TBM完美结合才能促进隧道工程顺利施工,达到安全、质量、工期、效益目标。关键词:隧道掘进机(TBM);选型;再制造TBM
中图分类号:U455.31文献标识码:A文章编号:1672-3953(2011)05-0015-04
从20世纪50年代开始,国外隧道掘进机研发制造与应用取得了突破,真正走向了实用并在实际施工过程中得到长足发展,目前已经成为一种成熟的隧道施工设备并发展为一项重要的隧道施工技术和方法。欧美国家隧道施工首选TBM法,不仅仅是长大隧道,即使长度为3~4km甚至更短也会优先选用TBM施工。
隧道掘进机分类方法众多,根据围岩条件可以分为硬岩掘进机和软土掘进机,国内通常将硬岩掘进机简称为TBM,而把软土掘进机称为盾构机。
国内TBM事业起步较早、发展较慢,从秦岭铁路隧道开始掀开了国内TBM施工的新篇章,并促进了我国TBM技术在铁路隧道以及水利水电工程隧洞施工领域的推广与应用,如在已经完工的辽宁大伙房输水工程隧洞和正在施工的锦屏二级电站隧洞、兰渝铁路西秦岭隧道、引洮供水工程、引红济石工程,以及重庆地铁(采用开敞式以及复合式单护盾TBM施工,区别于其他城市地铁采用盾构机施工)等项目中应用;辽西北供水工程计划采用9台TBM施工,目前正在进行第一批5台TBM招标采购工作;陕西引汉济渭工程秦岭隧洞拟采用2台TBM、吉林中部城市供水工程计划采用2~3台TBM施工;其它铁路、水利水电、能源等领域工程项目TBM的计划也在论证筹备中。
收稿日期:2011-07-25
作者简介:毛卫洪(1973),男,工程师,2007年毕业于石家庄铁道学院土木工程专业,主要从事隧道与铁道工程监督管理工作jdz22677@163.com
TBM施工具有钻爆法无法比拟的优势,但任何型式的TBM都不是万能的,对地质条件的适应性远不及钻爆法灵活,在某些地质条件下,TBM掘进速度大大受阻甚至依靠自身力量无法顺利通过,必须采取钻爆法的某些措施予以辅助,比如大断层只
能人工处理,又如围岩大幅收敛,也是设备本身无法应对的。
1TBM的选型
[1-3]
TBM可分为开敞式、单护盾、双护盾等。根据对工程特征的研究,经TBM法与钻爆法的综合对比分析,确定长大隧道采用TBM法施工后,就要确定选择哪一类TBM。主要根据工程地质和水文地质条件、隧道设计要求、施工进度要求、支护与衬砌形式等综合分析后确定。1.1
TBM选型原则
掘进机施工的关键首先是TBM正确选型,掘进机的选型需要解决两个问题:首先是选择合适的掘进机类型,其次是确定合理的掘进机主要技术参数。选型原则:安全性、可靠性、先进性、经济性相统一;满足隧道外径、长度、埋深和地质条件、沿线地形以及洞口条件等环境条件;满足安全、质量、工期、造价及环保要求;后配套设备与主机配套,生产能力与主机掘进速度相匹配,工作状态相适应,且能耗小、效率高,同时应具有施工安全、结构简单、布置合理和易于维护保养的特点。
1.2影响TBM选型的关键因素
影响TBM选型的关键因素包括技术和成本两
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研究与设计隧道掘进机(TBM)选型探讨毛卫洪个方面:
(1)从技术角度分析,地质条件是TBM选型的基础,不仅要考虑围岩的完整性、硬度、岩性、成分等,稳定围岩的比例不是TBM选型的唯一标准,很多情况下必须考虑围岩收敛变形的因素,需要探明该隧道施工过程中可能发生的最大变形量以及变形速度,结合TBM预计在该洞段的掘进速度共同确定。如果围岩从盾尾出露之前的变形量超过了开挖轮廓与盾尾之间的间距、并且这种现象预计较多,则不论围岩完整性如何均不建议选择该类型的TBM;目前任何型式的TBM,超前支护的能力都不够强大,一旦围岩地质条件很差需要超前加固,都会占用大量时间且效果不一定很理想;隧道开挖后需要的支护和衬砌类型,也会影响到TBM型式选择;同步衬砌施工技术的发展和应用,刚刚起步,已经得以成功应用,在某种程度上缩短了开敞式TBM与双护盾TBM在同等地质条件下综合成洞进度的差别。
(2)成本方面,不仅仅对比设备采购成本,更多需要关注施工成本,包括施工材料、施工设备成本,劳动力成本、工期对施工成本的影响等方面,需全面对比分析。
对技术和成本两方面分别论证综合分析后,可以提出TBM选型结论。1.3
TBM选型中需要重点考虑的问题
(1)隧道断面形状与大小,直接影响到TBM型
(7)隧道围岩条件、掘进长度、工期要求决定了TBM平均掘进速度、最大掘进速度的设计。
2隧道掘进机的适用条件
以前,大多认为开敞式TBM适合于绝大多数
围岩完整性较好的隧道,单护盾TBM适用于软弱围岩所占比例较大的隧道,双护盾TBM介于二者之间,既可在完整性较好的洞段创造高产、又能应对软弱围岩。然而近年来的一些工程实例,扭转了部分人的看法,甚至认为护盾式TBM不适合在中国应用。笔者通过对多项工程的分析研究,并与国际TBM制造商多次探讨后认为,三种类型的TBM形成互补可以应对所有的围岩条件或者抛弃护盾式TBM在中国的应用这两种说法都比较偏激。影响TBM施工成功与否的关键在于地质条件,并且某些极端地质条件下目前任何TBM都无法应对,必须采取人工方式辅助处理。
硬岩掘进机最早研发的是开敞式,双护盾TBM不是为了适应开敞式不能适应的地质条件,而是随着经济的发展,在欧美人工费大幅上涨、对人员的保护要求越来越高、研发出预制混凝土管片的环境下,制造商开发了双护盾TBM,以达到减少作业人员、提高综合成洞速度、降低施工成本的目的。2.1
开敞式TBM适用条件
开敞式TBM适用于围岩整体较完整,有较好
式以及刀盘直径,护盾、撑靴、主梁(或内外机架)等的结构与尺寸,后配套布置形式、出碴及施工材料运输方式等。
(2)围岩岩性与自稳能力决定了TBM型式选择;围岩岩性、抗压强度、石英含量等决定刀盘设计结构、刀盘选材、刀盘开口率、刀具布置、刀具规格、刀具数量、驱动功率等;围岩裂隙、节理、断层、破碎带、支护类型及参数等决定了TBM支护方式的选择以及支护设备选型、数量、布置方式等。
(3)隧道坡度、曲线半径等因素,影响到主机、连接桥及后配套结构设计。
(4)隧道掘进长度决定了TBM供电方式的选择、关键部件寿命计算。(5)隧道埋深、地应力、围岩收敛性决定了TBM扩挖量的设计。
(6)隧道沿线是否穿越煤系底层、围岩瓦斯含量等决定了TBM电气系统是否要求防爆。
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的自稳能力,遇到局部围岩失稳,可以利用TBM所附带的初期支护设备加强支护或者实施超前加固;
掘进过程中具有相应的条件,必要时可以采用更为灵活的人工方式处理相应的不良地质条件。永久性衬砌待全线贯通后施作或者采用新兴的同步衬砌施工技术。
开敞式TBM设备造价相对较低,适宜的围岩条件下可实现快速掘进;主机部位空间较大,初期支护与超前支护手段灵活;应对围岩收敛变形能力较强,盾体较短不易被卡,并且脱困相对容易。
其缺点是长距离围岩失稳时清碴及初期支护工作量大,对跟班作业的地质工程师要求较高,隧洞衬砌结构无法像拼装管片一样同时完成、需要二次衬砌,适宜地质条件下综合成洞进度较双护盾慢。2.2
双护盾TBM适用条件
适宜的围岩条件下,双护盾TBM可以边掘进边拼装管片,综合成洞进度快;对于局部围岩失稳,162011第5期
研究与设计隧道掘进机(TBM)选型探讨毛卫洪由于在尾盾内拼装管片,可以避免坍塌。
双护盾TBM造价相对较高,不论何种围岩条件都以拼装管片作为最终衬砌结构,无需二次衬砌,适宜的地质条件下综合成洞进度快;但双护盾TBM对围岩地质条件的适应性较差,特别是应对围岩收敛变形能力差、容易导致卡机以及管片损伤,隧洞施工综合成本相对较高。如果围岩收敛,双护盾TBM盾壳被卡,有些情况下可以采取一定的措施予以避免,但所能承受的变形量极其有限;发生较大变形时,不论护盾直径是如何设计,都无法抵抗围岩变形,很多时候需要依靠大幅度加大开挖量来消除,但双护盾TBM的扩挖幅度也难以大幅度增加,往往采取快速掘进、再后续处理的方式,或者超前支护(实施困难,只能尽力而为),严重时只能施工旁洞进入前方人工处理。2.3
单护盾TBM适用条件
单护盾TBM掘进和拼装管片只能顺次施工,无法边掘进边拼装管片,主要适用于复杂地质条件的隧道,人员及设备完全在护盾的保护下工作,安全性好,设备造价较双护盾低。当隧道以软弱围岩为主,抗压强度较低时,适用于单护盾TBM,当然,围岩完整性较好时也能创造出比围岩大范围失稳条件下更快的进度;单护盾TBM盾体短,与双护盾相比能较快通过围岩收敛变形洞段,但仍然不及开敞式TBM应对围岩变形能力强。
TBM再制造应用于新工程,必须根据后续隧道工程的工程地质与水文地质条件、开挖断面设计、支护方式与支护强度、工期与进度等方面的要求,在原设计方案的基础上进行有针对性的设计调整,以适应新工程施工。
再制造TBM的实际使用寿命,显然无法与全新设备达到同一水平,但仍具有较高的价值,可在计划掘进长度不大的隧道施工中推广应用;对于10km或者15km以上的隧道,建议还是采用全新TBM。具体多长的隧道可以采用再制造TBM,难以制定统一的标准,需要根据工程地质条件、进度要求、原有TBM状态等因素综合分析。
对于再制造TBM的设备性能与质量,必须予以高度重视,以满足新工程施工安全、质量、进度等方面的需要,否则,制造周期缩短带来的工期效益、成本节约带来的经济效益都无从谈起。
4结束语
关于隧道掘进机选型,需要根据人们对各类型
TBM适应性的认识而不断深入探讨和研究,同时TBM设计制造技术也不断更新进步,更加先进的支护手段以及超前地质预报措施不断得以应用;目前除了传统的三种类型外,又有DSU、ACT两种兼具开敞式与护盾式特征的TBM类型已经研发制造或者在研发过程中。希望新技术、新设备能够拓宽TBM的适用范围,国内再制造TBM在条件适当的情况下应用更为广泛,为工程施工单位提供更多的选择空间,实现施工安全、工程质量、施工速度、经济效益目标。
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3新旧TBM的选择[4]
经粗略调查,全世界再制造TBM的应用比例
为60%~75%,不同的制造商或者施工单位给出的答复存在一定差异;考虑到部分TBM制造商再制
造TBM的销售量较上述企业少;而又存在着部分长期从事TBM施工的企业一直以来大量采用旧机,经重新设计和再制造后应用于新的工程。由此,扩展到整个国际TBM施工市场,再制造TBM的应用,按照台次统计能够占到市场份额的70%左右。
资料显示,一台TBM可以经过多次重新设计和再制造,应用于多项工程施工。
TBM通常是针对某项工程量体裁衣专门设计制造的,并非通用的量产设备,由于很少、甚至不会出现前后两项工程条件完全吻合的情况,因而旧
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论坛自然灾害对公路军事运输保障的影响及其对策吴峥等
参考文献
效的运力防护,防止因次生灾害、人员疲劳、车辆故障等引发运输事故,防止人员烧伤、溺亡、冻伤等,削弱运输保障能力。
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3结束语
抵御自然灾害的公路运输保障指挥,必须以预
案为先,以平时准备为基础,研制并配备必备的装备器材,练就过硬的紧急情况下运输组织指挥和车队在复杂环境条件下执行任务的能力,这样才能及时、有效地应对各种自然灾害中的运输保障需要。
TheEffectsofNaturalDisastersontheHighwayMilitaryTransportationSupportandOurCounter-Measures
WuZheng,YangHaiming,WangBo
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(1.AutomobileManagementInstitute,Bengbu233011,China;2.ArtilleryCommandInstitute,Xuanhua075100,China;
3.LogisticDepartmentoftheHainanProvincialMilitaryRegion,Haikou570236,China)
Abstract:Naturaldisastersfrequentlyhappeninourcountryinrecentyears.Thearmyalwaysactsasanimportantrescuepow-erwheneverthedisasteroccurs.Inordertoaccomplishtherescuetransportationsupporttasksbetter,thecharacteristicsofthecommonnaturaldisastersandtheeffectsofthemonthetransportationsupportareanalyzedfirstinthepaper.Thensomemaintasksthatneedtobefulfilledineitherthewarreadinessstage,thepreparatorystageortheexecutivestage,whenthearmycarriesouttherescuetasks,areputforwardinthepaper.Thecompletionofthesetaskscanensurethequicknessandhigheff-iciencyofthedisasterreliefworkandalsoreducethedamagetothelowest.Keywords:naturaldisaster;militarytransportationsupport;highway
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AnExplorationintotheChoiceoftheRightTypeofTunnel-BoringMachines(TBM)
MaoWeihong
(TheUrumqiMonitoringStationoftheGeneralEngineeringQualityandSafetyMonitoringStationoftheRailwayMinistry,Urumqi830011,China)
Abstract:Asmountainoustunnelsinourcountryincreasinglygetlongerandlonger,moreandmoretunnelsaslongastensofkilometersareeitherbeingbuiltorplannedtobebuilt.Sincethesetunnelsaremostlydeeply-buried,thearrangementoftheirbranchshaftsisverydifficult,andtheyareusuallyverydemandinginenvironmentalprotection,moreandmorehard-rocktun-ne-lboringmachines(TBM)areusedfortheconstructionofthem.TheadaptabilityofTBMtothegeologicalconditionsislessthanthatoftheboring-and-blastingmethod,butgreaterconstructionprogressmaybeachievedwithTBMinsuitablegeologicalconditions.TBMmaybeoftheopentype,thesingle-shieldtypeorthedua-lshieldtype.DifferenttypesofTBMhavedifferentcharacteristicswhiledifferentprojectshavedifferentrequirements.Thus,thechoiceoftherighttypeofTBMforaspecificprojectshouldbemademainlyuponthebasisofacomprehensiveanalysisoftheengineeringgeologicalandhydrologiccond-itionsoftheproject,thedesignrequirementsofthetunnel,therequirementsforconstructionprogress,theformsofsupportingandlining,etc.OnlytheperfectcombinationofarighttypeofTBMwiththespecificgeologicalconditionscanpromotethesmoothandsuccessfulprogressoftheconstructionofthetunnelproject,achievingthetargetsofsafety,goodquality,construc-tiondurationandeconomiceffects.
Keywords:tunne-lboringmachine(TBM);choiceofthetype;re-makingTBM
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