开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术.doc

开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术
一、φ8.8mTBM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78~325MPa。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）：①大直径；②大扭矩（5500kN·m）；③大推力（21000kN）；④大功率（刀盘功率3440kW、总功率5400kVA）；⑤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（φ＝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掘进机的直径均在3~6m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10~35%，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。
①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。
②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2500kW·h/m，98年元月份高达44