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)断面设计隧道设计为圆
2、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 5400kVA） ；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。国外成熟的 TBM 掘
3、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、配套严密，首次使用 TBM 存在使用、维护等
4、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。为此铁道部立项，联合多家科研、设计及施工单位共同攻
5、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
6、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
7、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 2500kWh/m，98 年元月份高达4469kWh/m，4 月份降到月进尺 40
8、0m 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 M24230 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，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
9、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
10、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
11、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，和 ZED260 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。
12、(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）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
13、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 ZED26
14、0 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 （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 TSP202 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 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。
