TB880E型隧道掘进机(TBM)施工工法.doc

某某局 集 团 有 限 公 司TB880E型隧道掘进机(TBM)施工工法TB880E型隧道掘进机(TBM)施工工法 (上)一、前言    目前，采用隧道掘进机开挖长大隧道是世界隧道施工工程的一种趋势。    在我国第一长隧道-秦岭隧道施工中，引进了WIRTH公司制造的TB880E型隧道掘进机，它集机、电、液一体并采用PLC系统进行中央控制与监测，使其具有高度的自动化。    使用隧道掘进机修建隧道是我国铁路隧道施工的一次革命，它一改过去的钻爆法施工为工厂化的施工，无论是从保护围岩的自承能力方面看，还是从文明施工的角度看，无疑都是一大进步。    秦岭隧道I线施工中引进的2台TB880E型隧道掘进机分别用于进口段(由中铁隧道工程局施工)和出口段(由中铁第十八工程局施工)。由于本工法是中铁第十八工程局在秦岭隧道施工经验的基础上总结而成的，故在叙述过程中多处引用了该隧道施工中的一些情况。    另外，本工法是TB880型隧道掘进机(TBM)施工系列工法，它由11项子工法组成，包括TB880E型隧道掘进机(TMB)组装施工技术工法、掘进施工技术工法、给排水施工工法支护技术施工工法、出渣施工技术工法、通风除尘技术施工工法、刀具更换施工技术工法、维修养护施工技术工法、电气系统维修施工技术工法、拆卸施工技术工法、衬砌施工技术工法等。由于汇编篇幅所限，本文只发表TB880E型隧道掘进机(TMB)掘进、给排水、支护、出渣通风除尘施工技术等4项施工工法。读者如想进一步了解TB880E型隧道掘进机(TMB)的其他子系列工法，请与作者联系。    二、TB880E型隧道掘进机    TB880E型隧道掘进机集机械、液压、电气三大系统之总成，以PLC(Program Logic Control，即程序逻辑控制)为主控制系统，对TBM(隧道掘进机英文缩写为TBM，以下有些地方就称隧道掘进机为TBM)的各个系统进行监测和控制，实现集中化操作，在操作室内操作人员就可以实现对TBM的操作及对各种工作状态的监测，配合ZED激光测量导向系统、WDAS电脑数据采集系统，同时完成隧道施工的破岩、支护、喷锚、运输等作业，形成隧道施2122E厂化模式，具有快速、安全、高效、连续的特点。    (一)TBM构造    该设备是隧道施工的成套设备，刀盘直径88m，整机全长256m，从结构上分为主机、连接桥、后配套及附属设备(见图1)，各部分分别由相应的液压系统、电气系统、PLC等控制完成相应的动作。   图1  TB880E型掘进机结构示意     1.主机。由刀盘、刀盘护盾、内外机架、后支承、通风管道、推进油缸、钢拱架安装器、TAMROCK钻机、1#皮带桥、驱动电机、离合器、变速箱、传动轴等部件组成，完成掘进机的掘进、换步、锚杆支护、钢拱架支护及出碴等作业，是该成套设备的核心。    2. 连接桥。由主桥、除尘系统、注浆系统、驾驶室、通风管路、2#皮带桥、仰拱吊机、材料吊机、材料升降平台、钢拱架运输小车等组成，连接主机与后配套，完成除尘、出碴及仰拱铺设、材料运输等作业。    3. 后配套。后配套由18节后配套桥、液压主泵站、电器控制柜、应急发电机、空压机、喷锚支护设备、3#皮带桥、机车停放平板、料车拖拉系统、供水系统、排水系统、通风系统、医疗室洗手间、休息室、维修工作间等组成，完成向主机供电供气以及喷锚支护、停放矿车、材料运输、出碴等作业。    4. 附属设备。有10kV电缆、2200软风管、150进水管和水阀、出碴运输设备、通风设备、翻车机，主要完成出碴、材料运输、通风及翻车作业。    (二)TBM适用范围     适用于中等硬度岩石的隧道施工。    (三)TBM施工劳动组织    TBM施工特点是各个环节的连续性。在施工过程中，与TBM施工相关的其他环节必须同步运转，其中任何一个环节的滞后都会导致TBM停工，这就要求施工组织必须严密。    TBM施工劳动组织见图2，部分工班人员组成见表1，其他工班人员组成见有关节。图2  TBM施工组织     1. TBM技术室全面负责设备的管理，贯彻执行国家、部、总公司、局和指挥部的设备管理规定，负责TBM配件委外加工，进口配件的管理，日常资料的收集、整理，指导设备维修养护工作，对上岗人员进行岗前培训、考核。洞内整备工班解决不了的难题，技术室负责攻关，组织有关人员进行会诊，直到问题彻底解决。    2. 掘进工班工班长由机械工程师或电气工程师担任。机械液压工程师主要负责观察TBM主机及附属设备的运转情况，发现问题若影响掘进或能产生严重后果的，应马上停机处理，若技术力量不足，则应马上通知相应的技术人员一并解决，不影响正常掘进作业的则做好记录，以便在整备时处理。机械液压工程师还要监督各类司机的操作情况，发现不正确的操作，必须及时予以纠正，杜绝事故隐患。电气工程师主要负责对TBM电气设备的观察、记录，对停电事故进行应急处理，缩短故障停机时间。表1  人员组成    3. 整备工班工班长由机械工程师担任。机械液压工程师主要负责掘进作业中遗留问题的处理及设备的日常养护，检查泵站油箱油位，对设备进行检测，检查结构件，脂润滑养护等。电气工程师主要负责遗留电气问题的处理以及对电气设备检测、养护工作。各专业工程师是“分工不分家”，经常联合作业共同处理一些问题，这样有利于查明故障的真实原因，有利于问题的快速处理。    三、掘进    (一) TBM掘进施工特点    1. 同时性。掘进机工作时，各个辅助设备系统都要同时运转，其中任何一个环节不协调或者某一辅助设备运转失灵，都将影响全系统的正常运转，迫使整套设备停止工作。    2. 连续性。掘进机施工各工序如破岩、出碴、运输都是连续不断的，任何一个环节失去连续性，必然影响其他工序的连续运行，全系统将立即停止。    3. 安全性。TBM上安装有不良地层支护和防灾环保等安全系统，使隧道施工安全有保障。    (二) 掘进工作原理     外机架上的撑靴撑紧洞壁，固定主机机架，在推力的作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面。随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴线运转，并绕自身轴线自转。岩面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。崩落在底板上的岩碴由均布在刀盘外缘的铲斗铲起卸人带式输送机内，运至机后卸载。推进液压缸伸长一个行程，刀盘及与刀盘固定连接的构件相应向前移动一个行程。以上动作结束之后，缩回撑靴，再收缩推进液压缸，外机架就沿内机架前移，机器恢复到原始状态，开始下一个行程作业。    (三) 施工工艺    1. 工艺流程。掘进施工主要分为预备洞开挖、TBM步进、岩石开挖等几部分，工艺流程见图3。 图3  掘进施工工艺流程     2. 操作要点。    (1) 开挖预备洞。TB880E型掘进机掘进前其主机需通过撑紧装置固定，主机机架的固定是通过呈“X”型分布的外机架上的撑靴撑紧洞壁来实现的，因此在TBM掘进前需开挖预备洞以便固定主机机架。    预备洞的开挖采用常规的钻爆法施工，开挖、衬砌完毕后断面直径应控制在8.8-9.0m之间，长度不小于10m。洞壁衬砌面要光滑，其抗压指数要达到技术要求。    (2) TBM起动准备。待预备洞衬砌完毕，开始TBM起动前的准备工作。    接通洞口主变压器电源及洞口和TBM之间的隧道照明。    接通在后配套系统(4#及5#拖车)上变压器的一次侧主开关E001.1-Q1M和E002.1-Q1M。    按下列次序接通变压器输出的二次侧电源熔断器：400V+E04变压器1+2；400V+E02变压器1+2；690V+E01变压器1+2。    当400V供电系统接通时，机器和后配套系统的照明将自动接通。在主控台I板上的数字式电压表所显示二次侧电压必须在范围内。    监测供电线路的绝缘，绝缘值100/V时报警，<50/V时自动断开相应的电路。    警告：在显示绝缘值<100/V时，由作业现场的负责人决定是停机还是继续运行。    检查DI区的故障指示器，应没有任何紧急停机开关被操作，应没有任何故障显示，才能进入下步操作。如有，有关人员立即检查排除。    检查气体报警系统是否处于工作状态和气体浓度是否超限。    进行灯光试验，以检查所有指示元件的功能：按下灯光试验按钮，如果功能正常，所有指示灯应当发光，气体报警喇叭应当发声。    “推进”电位计设定在最小值。    检查润滑油油位，如有必要立即补油。    确保密封润滑系统的脂筒盛满油脂。    检查液压油油位，如有必要立即补油，检查所有油泵的截止阀应是打开的。    各处进行简单检查，确信机器状态良好，确信隧道供水接通。    (3) TBM步进。待准备工作进行完毕，具备TBM步进条件时，TBM开始步进。    步进机构采用垂直支承的形式，底部为平面设计，使掘进机在开阔地面上行进成为可能。    转动钥匙开关，接通控制电压。    起动液压动力站。液压动力站可成组起动，也可单独起动或停止。1#、2#液压动力站的电动机电流表必须显示空载电流(约60A)。    刀盘提升手柄向后拉将刀盘提起，外机架1步行机构相应被提离地面；后支承动作手柄向后拉，使后支承步行机构撑紧地面，相应外机架2亦被提离地面，前移外机架开始换步。    调向，以使掘进机沿隧道设计轴线步进。    落下刀盘提起底护盾使其脱离地面，同时提起后支承使步行机构悬空，这时前、后外机架步行机构为主机提供支承力，为刀盘推进提供反作用力，以实现掘进机的步进。    (4) TBM掘进前的起动。待掘进机前外机架步进至预备洞室，刀盘接近掌子面时，拆除前外机架步行机构并前移外机架至预备洞室。其他步行机构随隧道延伸依次拆除。    掘进前起动相关系统：    起动通风系统。    刀盘的驱动可根据地质情况和任务需要选择以下两种操作方式：电驱动，以2.7rpm或5.4rpm顺时针(cw)方向旋转；液压驱动，以0-1rpm顺时针(cw)或逆时针(ccw)方向旋转。    正常的操作是电驱动掘进。为了防止电力供应不足，可在电动机直接起动或软起动之间选择。以上各驱动方式分别由不同按钮控制，操作人员应视情况正确选择。    起动刀盘驱动系统。通过拔下+E01位置处配电柜内的熔断器，可以选择8台驱动电机任一台驱动。若1#电机未被选择，那么1#电机传动系统中安装的滑动检测装置必须重新安装在另一台驱动电机传动系统上。    起动油润滑系统和冷却水系统。    (5) TBM掘进。    按住撑靴撑紧按钮，直到撑靴接触洞壁。撑靴的撑紧压力可在数字仪表上观察到。只要约25MPa的最小撑紧压力没有达到，发光按钮将闪烁，达25MPa以上发光按钮不再闪烁，稳定发光。视岩石情况选择不同撑紧压力(25-30MPa)。    如果撑紧压力降至低于容许值(约25MPa)，发光按钮(撑紧按钮)将开始闪烁，这时操作者必须按下相应的按钮重新撑紧，直到达到足够压力，指示灯恢复稳定发光。若操作者未重新撑紧，或因为地质条件差，必需的压力达不到，或者撑靴缸伸出到极限位置，这时刀盘推进和刀盘驱动都将停止，只有问题解决后才可重新掘进。    掘进前，必须起动夹紧油缸，使刀盘护盾与齿轮箱外壳夹紧。掘进期间，相应的夹紧油缸组由压力监控装置保护以免过载(护盾歪斜等)，万一过载，会停止推进，遇这种情况