2017年整理開敞式TBM在鐵路長隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術

10/10開敞式TＢＭ在鐵路長隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術一、φ８.8mTBM施工的秦嶺隧道(一）秦嶺特長隧道ＴＢM施工秦嶺隧道位于安康鐵路線上,是我國最長單線鐵路隧道,全長18。46km，進出口高差約155m.是國外鐵路應用TBM施工的第三座長隧道(英法海峽隧道，瑞士費爾愛那鐵路隧道）。(1)地質條件橫穿秦嶺東西向構造帶，歷經多期構造運動、變質作用、巖漿活動和混合巖化作用，地質構造和地層巖性都很復雜.巖性以混合花崗巖、混合片麻巖等堅硬巖石為主,干抗壓強度78～325MＰａ.巖體完整，節(jié)理不多.斷層帶裂隙多、裂隙水發(fā)育.存在地熱、高地應力及巖爆等不良地質。（2)斷面設計隧道設計為圓形斷面,開挖直徑8。8m,成洞直徑7.7ｍ。(３）施工方法秦嶺Ｉ線隧道采用2臺敞開式全斷面TＢM（TB8８0E型)掘進、有軌運輸、全圓穿行式模板臺車進行二次模筑混凝土襯砌的施工方案。單工序作業(yè)，先開挖、后襯砌。（4）施工六大難題1)ＴＢM制造難(五大技術難點)：①大直徑；②大扭矩（5500kN·ｍ）;③大推力（2１00０kN）；④大功率（刀盤功率３440kW、總功率540０kVＡ）；⑤壽命長(主軸承＞10000h、密封圈〉12０00h)，備軸承１個，可開挖40ｋm壽命。直徑大（φ=８。8m），從制造到實用均承擔機械設備設計、制造風險和施工風險。國外成熟的TBM掘進機的直徑均在3～６m范圍，占生產總數(shù)的９５％左右，大于6m直徑的很少，真正用于鐵路隧道的更少,因為鐵路隧道控制掘進方向比其他用途的隧道要嚴得多。2）巖石硬度很大，主要在混合片麻巖和混合花崗巖中掘進。巖石抗壓強度大于1００ＭPa，最高達200ＭＰa以上，石英含量均在10～35％,節(jié)理少、整體強，有巖爆(1000m埋深）。所以刀具的磨耗也很嚴重,這個風險在國外也是少有的。由于選用開放式TＢM,通過軟巖地層也難，所以在穿越各軟弱地層、斷層時，會產生圍巖失穩(wěn)、涌水等地質災害，但通過兩座軟弱圍巖施工,證明是可行的。３)ＴBM施工系統(tǒng)性強、配套嚴密，首次使用TBM存在使用、維護等系統(tǒng)管理的問題.如何用好、管好、養(yǎng)好、修好、組裝好、調試好、配套好這條長２56m、重3000t龐然大物是關系成敗的關鍵。4)用高精度的定位系統(tǒng)和掘進過程中高精度快速調整方向的能力（±30ｍm）。5)施工中如何確定不同掘進參數(shù)以適應各種不同地質特點，實現(xiàn)安全、快速、經濟掘進。6)工期緊。不允許在施工中出現(xiàn)失敗和差錯，所以在進度上、質量上、安全上壓力很大。加之，開挖和襯砌不能也不允許平行作業(yè)，所以在整體道床襯砌施工中月突破超千米的記錄的同時,設備的投入也是非常大，成本相對增加不少。如何突破施工六大難點，是秦嶺隧道TＢM成功施工的關鍵。為此鐵道部立項,聯(lián)合多家科研、設計及施工單位共同攻關,開展TBM施工技術研究.以工程為背景,從規(guī)劃、設計、制造、運輸、拼裝、調試到施工完成拆卸(100個集裝箱)進行全過程的研究,重點對九項配套技術進行了研究。（二)主要施工進展介紹(1）研究了TBM施工前的場地布置，因這是關系到運輸系統(tǒng)能否快速出碴、進料及運輸大型仰拱砌塊的關鍵。(2）首先編制TＢM拼裝、步進方案與施組,確定安全和質量,于１99７年11月８日組裝完畢，199７年１2月完成步進工作面，開始TBM一次試機成功，并能保證掘進速度為1.８m/h,各項指標基本符合設計要求.（3)對混凝土預制管片廠及工藝流程的研究，尤其對混凝土配合比的實驗研究,對控溫、恒溫、養(yǎng)護進行了研究,建立了一套規(guī)則，確保管片不產生微裂縫，不受冬季溫差過大的影響。（4)在現(xiàn)場從1997年底試推進到199８年3月轉入正常施工推進,為研究TＢＭ推力、扭矩、貫入度三者與施工進度之間的關系,進行了狀態(tài)監(jiān)測，研究各性能參數(shù)隨圍巖類別、抗壓強度、裂隙狀況不同的變化規(guī)律，為合理選擇、優(yōu)化組合參數(shù)、實現(xiàn)快速掘進、降低能源消耗、刀具消耗提供依據(jù)。①利用PLC自動管理軟件，進行每1０秒對刀盤掘進速度、刀盤轉速、推力、扭矩、貫入度、功率得用率6個參數(shù)跟蹤記錄。②每20分種將記錄打印出業(yè)，進行分析,共采集６萬多個數(shù)據(jù)，其中有效數(shù)據(jù)有2萬多個，進行曲線擬合，建立相應回歸方程，提高施工。(5）在掘進過程中,對不同地層進行進度分析，從９7年12月試掘進,到9８年4、5月分別完成月掘進超過400ｍ,稱為高產期。6月份降到０.7９ｍ/ｈ、月掘進為24８m；7月份又降到１４0m／月左右，進入完整而堅硬的花崗巖之區(qū)段，最慢步進1.8m用5小時零2分鐘,稱為難產期,刀具消耗明顯增大?？偨Y：純掘進共１13５ｈ，耗損刀具4７0把,換刀停時累計達８14h,TＢM掘進利用率平均在０。４左右,耗水量２000t/ｄ，耗電量平均２5０0kW·ｈ/m,98年元月份高達４46９ｋＷ·h/m,4月份降到月進尺400m左右時，耗電２0６9ｋＷ·h/m。針對地質變化直接影響進度的難題,在現(xiàn)場對刀具的安裝、貫入度、推力進行研究調整，尤其對換刀組進行了分析，發(fā)現(xiàn)換刀時間過長，占總循環(huán)時間30％左右。(換刀時間從原來的90～１２0min，降到30ｍiｎ,大大提高了機械利用率)。原因是：刀體重157ｋg，要在高度不足１.3ｍ的鐵壁“貓耳洞”中工作,全洞溫度高達50℃以上，困難很大,尤其要清理刀體支座,基座找平、扭緊M２４×我們采取了墊緊鋼片、粘結、改善安裝環(huán)境等方法，把換刀時間從９0～1２０min縮短到30miｎ，大大提高了ＴBM機時利用率.（6）在整個掘進中,發(fā)現(xiàn)刀具的磨耗量大，刀圈壽命平均為139~158h就需更換,小于規(guī)定的１８0h,Ⅱ級硬巖刀圈平均壽命僅95．3ｈ，刀體本身有的軸承不好，刀體消耗量也大，3把刀圈就要更換刀體(1：3），原要求1:5,所以刀體、刀圈國產化的問題必須加快正式提出，于是和有關軸承廠、礦機廠等單位聯(lián)系，建立了刀具國產化小組。（圖）(7)在推進過程中發(fā)現(xiàn)該TBM存在主要問題是:?刀盤強度不夠焊縫開裂；?主軸承密封圈不良,造成液壓油和潤滑齒輪油混合，造成潤滑系統(tǒng)的潤滑油粘度減少一半，影響安全施工;?８個驅動刀盤的齒輪減速箱，其中4個漏水,漏水量130ｍ３／d，另外大小問題達130多個，說明該臺TBM在制造質量上有不少重大問題。（8）后配套運輸系統(tǒng)與ＴBM掘進配合好壞，是決定施工進度的主要內容之一，對機車、碴車、人車、仰拱塊車、混凝土噴料、注漿料及設備等進行了全面的研究，列出詳細的往返運行圖,并根據(jù)掘進長度得出三列碴車參加碴石運輸循環(huán)能滿足１－９km的掘進需要，并對每個環(huán)節(jié)進行了時間實測與整理。原研究設計希望軌道按四軌三線制鋪設，但由于車距不夠,鋪設了四軌二線，這給后部襯砌工序帶來了較大困難，增大了浮放道岔的長度數(shù)量和工作量，是本次工作中的不足。(９)在施工過程中對安全供電、節(jié)電做了調查和研究,按設計要求完善了安全供電和自控，洞外用25/10kＶ變電站結構緊湊,高壓系統(tǒng)監(jiān)控引入微機系統(tǒng)，能實現(xiàn)現(xiàn)場監(jiān)控操作，可實現(xiàn)在２.８s內快速排除故障。洞內用1０/0.4（０．66)kＶ移動式變電站，有繼電保護、過負載保護及檢漏保護裝置。在整個施工中沒出現(xiàn)任何問題，在10kV高壓接頭方面還需要進行國產化開發(fā),以降低造價。（１0)如何在山嶺隧道TＢM施工中做到準確的控制方向，減少誤差，我們在ＧＰＳ全球定位測量和提高洞內控制測量精度性能上做了大量工作，提出了洞內控制測量的具體要求與措施，和ＺED—26０激光導向系統(tǒng)配合，實現(xiàn)了橫向貫通誤差為１0mm，高程貫通誤差為4mm，縱向貫通誤差為1３ｍm，TＢM掘進偏差為30mm的很好成果，大大低于《測規(guī)》的要求。（11）在整個施工過程中,編寫了有關國內外TBM施工技術資料培訓教材與1０冊情報資料，并編寫了有關工法。收集、整理翻譯了有關國外大噸位內燃牽引機車的技術資料,由長沙鐵道學院負責并出版了這方面的專著。(三)、主要研究內容（9大技術難點、３1項關鍵技術)ＴBM施工組織技術（４項）（2）刀具耗損、施工進度與圍巖特性關系（3項）（３）ＴＢM刀具國產化研究(4項）（４）TＢM在不良地質段的施工技術（5項)（5）ＴBM施工中的測量控制技術（3項)（６）仰拱預制塊的制作及安裝工法（3項）(7）內層襯砌和整體道床快速施工(４項)（8)TBM施工的有軌快速運輸系統(tǒng)（3項)(9)ＴＢM施工通風及水電供應系統(tǒng)（２項）通過以上九項配套技術研究開發(fā)，31個關鍵技術的攻關，實現(xiàn)了TBM安全快速掘進的目標,創(chuàng)造了TBM日掘進4０。５m，月掘進528。1m的全國最高紀錄，平均月掘進為2８8m；創(chuàng)造了TBM日最高機時利用率７8％，月最高機時利用率58％，平均機時利用率４2％,達到了TBＭ綜合管理世界先進水平（4０％);在測量方面首次試用洞外GPS測量，高程為一等水準，洞內為一等光電測距和三等水準控制的先進技術，確保秦嶺隧道貫通誤差精度橫向１0mm，縱向1３mｍ，高程4mｍ的世界先進水平；利用ZED—2６0導向系統(tǒng)實現(xiàn)TBM掘進過程中偏差控制在±30mm；創(chuàng)造了襯砌快速施工3４m／d,彈性整體道床50ｍ/日的全國最高紀錄;實現(xiàn)了刀具國產化,節(jié)約刀具成本５0％；僅用２3天在隧道內實現(xiàn)拆卸刀盤、主軸承（φ＝5．2m)更換密封圈，成為這一技術領域的創(chuàng)舉；快速預制大噸位仰拱塊方面創(chuàng)造了17套鋼模每天周轉一次的最高紀錄等.二、φ8．8mTBM在磨溝嶺、桃花鋪鐵路隧道成功掘進的案例(1）裝有超前鉆機.（2)裝有錨桿鉆機。（３)可及時噴射混凝土.（４）鋼拱架安裝器.ＴB８８0E掘進機主要技術參數(shù)是否適合烏鞘嶺隧道地質掘進參數(shù)的分析。結論：?采用超前預報技術，應用TSP-2０2設備對ＴＢM前方不良地段進行預測及預加固技術;?ＴBＭ通過巖爆地段施工技術；

?ＴBM通過斷層破碎段施工技術在磨溝嶺和桃花鋪隧道成功運用證明：開敞式TＢM+軟巖支護后配套方案是成功的,能體現(xiàn)快速支護的特點。?TBM掘進時突發(fā)涌水處理技術。?ＴＢＭ撐腳處圍巖加固技術.?應用開敞式ＴBM和配屬能進行軟弱圍巖支護功能的后配套設備,在磨溝嶺和桃花鋪隧道突破了開敞式ＴBM能在軟弱圍巖條件下進行安全掘進的難題,并創(chuàng)造了日掘進、快支護4１。3m和月掘進、快支護574m快速的施工紀錄?！稖y量學》模擬試卷單項選擇題（每小題1分，共20分）單項選擇題（每小題1分，共20分）在下列每小題的四個備選答案中選出一個正確的答案，并將其字母標號填入題干的括號內。得分評卷人復查人1．經緯儀測量水平角時，正倒鏡瞄準同一方向所讀的水平方向值理論上應相差（A）.A180°B0°C90°D２70°

2．1:５000地形圖的比例尺精度是（Ｄ)。Ａ5mB0．1mmC5cmＤ50ｃm

３。以下不屬于基本測量工作范疇的一項是（Ｃ)。A高差測量B距離測量C導線測量D角度測量

4。已知某直線的坐標方位角為２20°,則其象限角為（D）。A２２0°B40°C南西５0°Ｄ南西４0°5.由一條線段的邊長、方位角和一點坐標計算另一點坐標的計算稱為(Ａ）.Ａ坐標正算Ｂ坐標反算C導線計算D水準計算6．閉合導線在X軸上的坐標增量閉合差（A)。A為一不等于0的常數(shù)Ｂ與導線形狀有關C總為０D由路線中兩點確定７．在地形圖中，表示測量控制點的符號屬于(D)。A比例符號B半依比例符號C地貌符號Ｄ非比例符號8．在未知點上設站對三個已知點進行測角交會的方法稱為（A)。A后方交會B前方交會C側方交會D無法確定9。兩井定向中不需要進行的一項工作是（C）。Ａ投點B地面連接C測量井筒中鋼絲長度D井下連接１0。絕對高程是地面點到(Ｃ）的鉛垂距離.A坐標原點B任意水準面Ｃ大地水準面D赤道面11.下列關于等高線的敘述是錯誤的是:(A）高程相等的點在同一等高線上等高線必定是閉合曲線,即使本幅圖沒閉合，則在相鄰的圖幅閉合等高線不能分叉、相交或合并等高線經過山脊與山脊線正交12。下面關于非比例符號中定位點位置的敘述錯誤的是（B）A.幾何圖形符號，定位點在符號圖形中心B．符號圖形中有一個點，則該點即為定位點Ｃ．寬底符號，符號定位點在符號底部中心D。底部為直角形符號，其符號定位點位于最右邊頂點處13.下面關于控制網的敘述錯誤的是(D)國家控制網從高級到低級布設國家控制網按精度可分為A、B、C、Ｄ、Ｅ五等國家控制網分為平面控制網和高程控制網直接為測圖目的建立的控制網，稱為圖根控制網14。下圖為某地形圖的一部分，各等高線高程如圖所視，A點位于線段MN上,點A到點M和點N的圖上水平距離為MＡ=3mｍ，NA=2mm,則A點高程為（A)AANM37363536。4m36.6m37.4m37。6m100°30130°30100°30130°30100°30DCBAA。B.Ｃ.Ｄ。16.三角高程測量要求對向觀測垂直角，計算往返高差,主要目的是（Ｄ）有效地抵償或消除球差和氣差的影響有效地抵償或消除儀器高和覘標高測量誤差的影響有效地抵償或消除垂直角讀數(shù)誤差的影響D．有效地抵償或消除讀盤分劃誤差的影響17．下面測量讀數(shù)的做法正確的是(C)用經緯儀測水平角，用橫絲照準目標讀數(shù)用水準儀測高差，用豎絲切準水準尺讀數(shù)水準測量時,每次讀數(shù)前都要使水準管氣泡居中經緯儀測豎直角時,盡量照準目標的底部1８。水準測量時對一端水準尺進行測量的正確操作步驟是（D).Ａ對中—－—-整平—-－－—瞄準－--－讀數(shù)A整平——-—瞄準－－-—讀數(shù)———-精平C粗平－－--精平———－瞄準-—-—讀數(shù)D粗平—瞄準－--－精平-—-—讀數(shù)19．礦井平面聯(lián)系測量的主要任務是（D）A實現(xiàn)井上下平面坐標系統(tǒng)的統(tǒng)一B實現(xiàn)井上下高程的統(tǒng)一C作為井下基本平面控制D提高井下導線測量的精度20.井口水準基點一般位于(Ａ).A地面工業(yè)廣場井筒附近B井下井筒附近C地面任意位置的水準點Ｄ井下任意位置的水準點填空題（每空2分，共20分）得分填空題（每空2分，共20分）評卷人復查人2１水準測量中，為了進行測站檢核，在一個測站要測量兩個高差值進行比較,通常采用的測量檢核方法是雙面尺法和.２2直線定向常用的標準方向有真子午線方向、＿___＿磁北方向_＿__＿___＿___和坐標縱線方向。23地形圖符號一般分為比例符號、_半依比例符號_______＿________＿和不依比例符號.2４井下巷道掘進過程中，為了保證巷道的方向和坡度，通常要進行中線和____________的標定工作.25測量誤差按其對測量結果的影響性質，可分為系統(tǒng)誤差和＿偶然誤差_＿_＿___＿__＿__＿。26地物注記的形式有文字注記、_＿_＿＿_和符號注記三種。27象限角的取值范圍是：０—９0。2８經緯儀安置通常包括整平和對中。29為了便于計算和分析，對大地水準面采用一個規(guī)則的數(shù)學曲面進行表示，這個數(shù)學曲面稱為參考托球面.３0光電測距儀按照測量時間的方式可以分為相位式測距儀和差分。名詞解釋（每小題5分，共20分）得分名詞解釋（每小題5分，共20分）評卷人復查人31。豎盤指標差豎盤分劃誤差32.水準測量利用水準儀測定兩點間的高差33．系統(tǒng)誤差由客觀原因造成的具有統(tǒng)計規(guī)律性的誤差34。視準軸儀器望遠鏡物鏡和目鏡中心的連線簡答題（每小題5分，共20分）得分簡答題（每小題5分，共20分）評卷人復查人35．簡述測回法測量水平角時一個測站上的工作步驟和角度計算方法。對中,整平，定向,測角.觀測角度值減去定向角度值3６。什么叫比例尺精度？它在實際測量工作中有何意義？圖上0.1毫米在實地的距離.可以影響地物取舍37．簡述用極坐標法在實地測設圖紙上某點平面位置的要素計算和測設過程。38。高斯投影具有哪些基本規(guī)律.計算題（每小題10分，共20分）得分計算題（每小題10分，共20分）評卷人復查人39．在１:2０0０圖幅坐標方格網上，量測出ab=2.0cm，ac=1。6ｃm,ａｄ=3．9cｍ，ae=5．2cｍ.試計算AB長度ＤAB及其坐標方位角αAＢ。aabdceBA1200140016001800４0。從圖上量得點M的坐標XM＝１4.２2m，YM=86。７1m;點A的坐標為XA=４２.３4m，YA＝８5.0０m.試計算M、A兩點的水平距離和坐標方位角.測量學標準答案與評分說明一、

單項選擇題（每題1分）1A;2D；3C；4D;５Ａ；６C;7D；8A；9C;１0C;11Ａ；12D;13B；14A；15B;16Ａ；1７C；18D;19A；2０A

二、

填空題(每空2分,共２0分)２1變更儀器高法２２磁北方向23半依比例符號(或線狀符號)24．腰線25．偶然誤差２6．數(shù)字注記2７大于等于0度且小于等于9０度(或[0°,9０°］）28對中29旋轉橢球體面３0脈沖式測距儀

三、

名詞解釋（每題5分,共20分）3１豎盤指標差:在垂直角測量中，當豎盤指標水準管氣泡居中時，指標并不恰好指向其正確位置9０度或270度,而是與正確位置相差一個小角度x,x即為豎盤指標差.3２水準測量：利用一條水平視線并借助于水準尺,測量地面兩點間的高差，進而由已知點的高程推算出未知點的高程的測量工作。３3系統(tǒng)誤差：在相同的觀測條件下，對某量進行了n次觀測，如果誤差出現(xiàn)的大小和符號均相同或按一定的規(guī)律變化，這種誤差稱為系統(tǒng)誤差.34視準軸:望遠鏡物鏡光心與十字絲中心(或交叉點)的連線。

四、

簡答題（每題5分,共20分）３5(１）在測站點O上安置經緯儀，對中，整平? ??(1分）（2）盤左瞄準A點，讀數(shù)ＬA,順時針旋轉照準部到B點，讀數(shù)LB，計算上半測回角度O１＝ＬＢ—ＬＡ； ?? ? ????? ? ??(2分）（3）旋轉望遠鏡和照準部，變?yōu)楸P右方向,瞄準B點讀數(shù)ＲB，逆時針旋轉到A點，讀數(shù)RＡ，計算下半測回角度O2＝RB－RA;? (3分）（４）比較O1和Ｏ2的差，若超過限差則不符合要求，需要重新測量，若小于限差,則取平均值為最終測量結果Ｏ=(O1+O２）/2 ???（５分)

36圖上0.１mm對應的實地距離叫做比例尺精度。? ? (3分)其作用主要在于：一是根據(jù)地形圖比例尺確定實地量測精度；二是根據(jù)地形圖上需要表示地物地貌的詳細程度，確定所選用地形圖的比例尺。 ?? （5分)

3７要素計算：從圖紙上量算待測設點的坐標，然后結合已有控制點計算該點與控制點連線之間的方位