全断面隧道掘进机TBM的选型设计与应用.doc

全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用的选型设计与应用2006 年第 2 期全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用 25全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用朱兴华,杨震(水利部陕西水利电力勘测设计研究院陕西西安 710001)摘要采用 TBM 掘进技术已成为未来隧洞建设总的发展趋势,TBM 选型不当,主机系统设计不当以及主机系统与后配套系统搭配不合理,都将会在隧洞的施工中影响 TBM 掘进机开挖隧洞的优越性,甚至严重影响工程施工工期.因此,选用合适的TBM 系统进行隧洞的施工有很重要的意义.关键词全断面隧道掘进机;主机系统;后配套系统;选型;设计全断面隧道掘进机(Full—faceTunnelBoringMachine)简称 TBM,自 20 世纪 50 年代以来就已经在施工行业大量使用,如今已是在国内外普遍采用的一种具有高科技水平的隧洞施工机械.当隧洞长度过长时,用常规钻爆法进行施工需要相当长的工期,TBM法则适合长隧洞施工的需要.国外实践证明:当隧洞长度与直径之比大于 600 时,采用TBM 进行对隧洞施工是经济的.TBM 广泛采用了监测,遥控,电子信息技术等对施工过程进行全面监控,使掘进全过程始终处于最佳状态,与常规钻爆法相比,其优越性主要体现在如下几个方面:①掘进速度快;②工作效率高,实现了 TBM 开挖,出碴,衬砌,回填,灌浆等工序的循环作业;③施工安全,TBM 施工作业始终在护盾的保护下有效地进行;④施工环境好,含尘空气由净化器除尘,无爆破烟尘;⑤成洞条件好,开挖面光滑平整,无超挖,对围岩基本无扰动.但是如果选型,设计不当,则会影响 TBM 掘进机开挖隧洞的优越性,严重的甚至会影响到工程施工工期.因此,选用合适的 TBM 掘进机对隧洞的施工有着极其重要的意义.1TBM 的类型与特点1.1 按围岩地质条件分(1)在岩层中开挖隧洞的 TBM.通常用这类 TBM 在稳定性良好,中一厚埋深,中一高强度的岩层中掘进长大隧洞,这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩.(2)在松软地层中掘进隧洞的 TBM.通常用这类 TBM 在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧洞.这类掘进机所面临的基本问题是空洞和开挖掌子面的稳定,当隧洞施工的主要目的是控制市区环境的地表沉降时,这一问题尤为突出.1.2 按开挖直径分(1)微型 TBM,直径在 25—300cm,其直径较小,工作空间狭小.(2)中型 TBM,直径在 300—800cm,在我国引大人秦工程就是利用此类的 TBM.(3)巨型 TBM,直径均大于 800cm,设备比较笨重,在荷兰生态绿心隧洞中有所应用.1.3 按护盾型式分(1)开敞式 TBM大部分开敞式无护盾包围,机头由机头架和大梁组成,机头架是支撑刀盘并给刀盘传递动力的构件,装有驱动刀盘的传动系统,大轴承,密封和稀油润滑装置,还包括有导向26 陕西水利水电技术总第 90 期壳体组件.支撑和推进机构由 4—6 只推进液压缸,一组或两组水平支撑机构和浮动支撑机构组成.水平支撑机构由左右水平液压缸和水平支撑板组成,浮动支撑机构由浮动支撑液压缸,鞍座和十字销机构组成.当TBM 掘进时,水平支撑板被水平支撑液压缸的推力撑紧在岩壁上,水平液压以水平支撑板为支点,把推力施加给导向壳体和刀盘,推动刀盘破岩掘进.通过液压系统的控制,可调节左右水平液压缸和浮动斜撑液压缸的伸长或缩短,通过调整缸体长度,使主机在掘进过程中按需要左右转弯,上下倾斜或纠正方向偏差及纠正机身沿周围切线方向偏转.(2)单护盾式 TBM单护盾式 TBM,除刀盘外机头部分全部由一钢制的护盾包围.护盾的基本作用是作为临时支护,并装有密封件防止设备进水.所以它适于在地质条件不好的软弱围岩中施工.(3)双护盾式 TBM双护盾式 TBM 除刀盘外全部被两个护盾包围,可分为前,中,后三部分护盾.前护盾包括支撑壳体,刀盘,刀盘驱动传动系统,以及 4 个撑紧前护盾的撑紧液压缸和管片安装装置.撑紧机构由撑紧弧板及撑紧液压缸均匀布置在中护盾周边,每个推进液压缸后端与后护盾铰接,前端与前护盾铰接.由于此机型有两个护盾,一个支撑靴,当地质条件好时,支撑靴伸出,承受 TBM 前进时的反力.此时,掘进和衬砌可以同时进行.地质条件差时,支撑靴缩回,形成一个护盾,由辅助推进液压缸顶在管片上前进.可用于良好地质及复杂地质条件下隧洞的开挖.2TBM 的选型与设计2.1TBM 的选型TBM 掘进机型式的选择主要根据地质条件,隧洞埋深和断面尺寸等因素,通过勘察洞线的地质条件来选择不同特点的掘进机.开敞式 TBM 具有以下特点:(1)通过大伙房 87km 输水长隧洞实践证明,开敞式 TBM 机型既适用于硬岩,也很适用于软岩地层;(2)机型转向控制灵活,长度/直径≤1,易精确调整方向;(3)能够及时对不良地层进行支护,时空效应好,不易塌方;(4)在 TBM 上加装锚杆机,混凝土喷射机,钢拱架安装机以及超前钻机,而且在确定刀间距,推力和扭矩的参数上以及撑靴的支撑力上,能适应软岩,硬岩的切削特性.单,双护盾式 TBM 的特点:灵敏度低,很难精确快速调整到位.由于后盾较长,不易及时支护,易塌方,如台湾平林隧洞.另外造价高,大约是开敞式 TBM的 1.3 倍.2.2TBM 掘进系统的设计TBM 掘进系统主要包括主机系统和后配套系统,两个系统的设计要互相匹配,才能最大限度的发挥 TBM 的挖掘效率,因此对TBM 系统的设计尤其重要.2.2.1TBM 主机系统(1)支撑系统支撑系统是 TBM 的固定部分.TBM 掘进时,它支撑着设备的重量并将推力和扭矩的反力通过撑靴传递给洞壁,撑靴借助球形铰自动均匀地支撑在洞壁上,避免引起集中荷载对洞壁的破坏.虽然支撑有 x 型,水平型和一对或两对支撑的区分,关键是要求每个撑靴能够独立操纵,以应付开挖洞壁不同部分时可能发生的不同形态,能对撑靴进行调整.每一对撑靴可单独移动,以适应钢拱架不同间距下的安装.每个支撑靴面积要足够大,所选择材料的摩擦系数不大于 0.4,支承力和推进力的比值在 4.0 左右,保证在最大接地比压下有足够的推进力,并能在软弱围岩条件下接地比压较小时,仍可提供足够大的支承反力.2006 年第 2 期全断面隧道掘进机 TBM 的选型设计与应用 27(2)刀盘刀盘直径应考虑工程成洞洞径,预留变形量,初期支护厚度以及二次模筑衬砌厚度.较大直径的滚刀要能够承受更大的推力,但由于轴承承受过大的推力会缩短使用寿命,由此会造成频繁的换刀,大大地增加了辅助时间,因此采用大直径盘型滚刀的实际意义不大.刀间距.盘型滚刀在刀盘上的布置,不同厂家有各自的设计经验,主要是考虑 fBM在切割不同硬度的岩石时贯人度不同.当岩石硬度较软时,贯人度大,过小的刀间距,会形成粉碎状岩渣,开挖效率降低,机械能耗浪费.当岩石硬度较高时,同样推力下贯人度小,过大的刀间距又会影响破岩效果.即使在同一隧洞中地质条件也不可能一致,为了获得广泛的适应性,需要参考经验数据,一般情况下,对非常坚硬的岩石,选定的刀间距大约是贯人度的 l0～20 倍.,刀盘的转速和点动.刀盘的转速受到传动系统的约束,也受到边刀轴承寿命的限制.研究表明,只要转速在合理的限值之内,刀盘每旋转一周的贯人度几乎与刀盘的转速无关.不管采取何种传动形式,都应要求大刀盘具有点动功能(注意:采用电驱动是做不到的,需采用其它辅助措施),以使刀盘旋转到指定位置,便于维修和更换刀具.此外,为解决特殊地质条件下刀盘的脱困,刀盘还需反向旋转,此时的反向扭矩要足够大.(3)驱动系统刀盘驱动方式有电动和液压两大类,电动又分为单速,双速和调频.在影响 TBM 贯人度的指标中,很大程度上取决于刀盘的转速和推力,刀盘采用无级调速方式可以有效地适应掘进中岩石不断的变化,最大限度地控制刀盘载荷处于最佳状态,即当围岩较硬时,需加快刀盘转速,增加推力,以提高瞬时贯人度,减少刀具地磨耗.当在软弱围岩中掘进时,因贯人度大,滚动阻力增大,需要提高扭矩,减慢刀盘转速.无级调速可以通过液压和变频两种方式达到.扭矩.刀盘所需要的动力取决于刀盘的转速和扭矩.TBM 掘进时刀盘实际扭矩受地质条件影响而变化,在硬岩中掘进时需要较大的推力,相应所需扭矩小.在软岩中掘进时,滚动阻力大,刀盘需提供足够的驱动扭矩.2.2.2 后配套系统,后配套系统就是装于主机后平台车上,为主机开挖提供支持的所有设备.它包括运输系统,施工通风,除尘和降温系统,支护系统以及激光导向系统等等.(1)运输系统目前国内外在 TBM 施工中普遍采用三种出渣方式:有轨运输,无轨运输和皮带机运输.,有轨运输一般指用机车牵引矿车(梭车或斗车)出渣,牵引机车有窄轨内燃机车,电瓶车及架线式电力机车等.电瓶车具有使用灵活,无污染等优点,但其电瓶使用寿命短,故障率高,用电效率低,运输成本高,牵引能力不足.架线式电力机车结构简单,工作可靠,维护方便,无污染,但需架线,对作业空间和人员通行有一定影响,且易产生火花,存在安全隐患.上述两种有轨运输,对于长隧洞工程不宜采用.窄轨内燃机车具有牵引力大,运输量大等特点,但污染严重.目前在国外工程施工中,为了减少空气污染,一般都装有尾气净化装置,国内尚无带有尾气净化装置的窄轨内燃机车.相对其他有轨运输方式,窄轨内燃机车运输将会使隧洞施工通风费用有所增加,但对于长大隧洞工程来讲仍是首选方案.无轨运输指用于装渣的装岩设备,如:后卸式装渣机,立爪式装渣机,铰接式轮胎装载机,短臂液压挖掘机等,和用于出渣的轮胎式运输机械,如:自卸汽车,装运机,轮胎式梭车等.由于无轨运输系统污染严重,通风费用陕西水利水电技术总第 90 期高,装载,回车,会车,避车等附加洞室工程量大,出渣能力有限,开挖长度大于 2km 时,不宜采用.皮带运输是指连续胶带机,其优点是出渣效率快,污染少,所需的通风费用低,出渣和材料运输两条线,施工干扰小;缺点是一旦出现故障,出渣系统将失去作用,因此检修,维护时间长.但随着近年动态分析技术,可控起动技术,自动张紧技术,中间驱动技术,高速托辊技术等新技术的应用,使皮带出渣系统具有的运距长,运量大,速度快,无污染,TBM 利用率高等特点显得尤为突出,因此对于长隧洞施工出渣运输系统也是重要的发展方向.从上述出渣方式看,适用于长隧洞施工的只有两种:一种是窄轨低污染的内燃机车牵引矿车的运输方式,另一种是连续皮带机运输方式.目前大吨位低污染内燃机在我国尚属空白,如山西引黄水工隧洞机车是意大利生产的,西康线秦岭铁路隧洞机车是德国SCHOMA 公司生产的.连续皮带机通过调研,从产品的性能,寿命,控制系统等方面均与国外产品有相当距离.因此出渣系统的主要设备(机车,连续皮带)均需从国外进口.(2)施工通风,除尘和降温系统①通风.采用 TBM 施工的通风,比钻爆法通常采用的巷道式通风更有把握,只要确定了标准,匹配设计合理,有一定的管理水平,就可以满足施工要求,而且效果非常突出.在标准设计中应具体核算施工人员,所有施工设备消耗的空气量,采用经验公式也可简单,准确地算出通风设计是否合理.在Q=DX0.5 式中,Q 为后配套上风管末端风量,o.5 掌子面附近风速.②除尘.在刀盘的正面装有喷水装置,可以降低刀具在切削中产生的粉尘,但真正的除尘效果是靠除尘器来实现的.由于刀盘后部具有护盾的屏蔽,通过除尘器形成的负压,将切削空间的粉尘吸入除尘器中.在TBM 施工中应选择湿式除尘器,因为隧洞中的湿度不利于干式除尘器使用.③降温.在深埋隧洞中,埋深的增加会使洞内气温增加.对散热降温部分,首先分析 TBM 施工中的主要热源,加上设备的散热,使洞内温度达到 40℃以上.这种环境不利于人员工作,因此可以通过系统中串入空气和冷水对石渣和机械部分进行降温,但它不能解决整个隧洞的降温,只能解决人员相对集中的局部地区的降温,使局部稳定在28℃左右.(3)支护系统使用掘进机施工时,应充分考虑到地质的变化因素,确保掘进机既具有快速掘进的能力,又具有在软弱地质条件下安全通过的能力.在特殊地质条件下,即使选用了双护盾掘进。