新型敞开式小直径TBM装备选型及应用

【目的】广州北江引水4#隧洞长10.2 km,开挖洞径4.5 m,TBM掘进过程中存在断层破碎带多、花岗岩单轴抗压强度高和TBM掘进效率低三大关键技术难题。【方法】为了解决以上难题,从地层适应性、空间利用率、造价和安全性等方面进行了TBM选型分析,并结合工程实例验证新型敞开式TBM应用效果。【结果】新型敞开式TBM优势包括:(1)新型敞开式TBM由护盾式主机和滑车结构组成,采用敞开式施工工法,护盾相较于常规双护盾TBM更短,最小转弯半径为75 m;(2)提出法向锚杆钻机方案,实现隧洞径向220°钻孔作业;(3)设置应急喷混系统,确保围岩脱离尾盾后尽早进行喷混;(4)刀盘镶嵌耐磨合金,合理减小刀具间距,提高掘进推力和破岩能力;(5)优化出渣系统、支护系统、铺轨、通风除尘等设备空间布置。【结论】结果表明:新型敞开式TBM平均月施工进尺400 m以上,穿越断层破碎带隧洞收敛变形控制在3 mm以内,硬岩段刀具磨损控制效果良好。通过与类似工程对比验证了新型敞开式TBM具备地层适应性强、施工效率高等优势。

我国TBM法隧道工程技术的发展、现状及展望

岩石隧道掘进机(TBM)在我国的应用与发展已经有近60年历史,了解我国TBM法隧道工程技术发展历程,有助于正确认识其现状,判明下一步的发展趋势。在详细回顾我国TBM法隧道工程5个发展阶段基础上,从10个方面全面分析我国TBM法隧道工程现状:规模上总体呈小幅波动、持续上升状态;分布区域上以西部地区为主,华东、西南、东北、华南占比依次下降;分布领域上以水利水电工程和市政工程为主(占90%);开挖直径以6~8 m直径系列为主(占70%);施工工法方面TBM法与钻爆法相结合、互为补充;TBM平均月进尺从数十米到千米大幅波动,以200~700 m/月为主(占75%),施工工期受平均月进尺和掘进长度的影响差异巨大,以1~4年为主(占70%);机型以敞开式和双护盾TBM为主(占90%);品牌以铁建重工、罗宾斯、中铁装备为主(占70%),新增市场大多被拥有自主知识产权的铁建重工和中铁装备设备占有(占90%以上);TBM零部件国产化比例越来越高,但部分关键部件仍然依赖进口;有TBM施工业绩的建筑企业近30家,中铁隧道局和中铁十八局以显著优势稳居第一梯队。进而提出我国TBM法隧道工程技术展望:1)从规模上将经历升—平—降—稳的波动发展过程,目前正处于上升期,从分布区域、分布领域上近期仍将以西部地区、水利水电工程和轨道交通工程为主;2)TBM法与钻爆法联合施工的方法将会长期存在,并且TBM法占比及单台TBM在同一工程中的施工长度均呈增长趋势;3)支护技术、支护系统将迎来重大创新;4)复杂地质TBM法隧道施工技术正在全面研发与实践,即将实现巨大突破;5)斜井TBM、竖井TBM、微型TBM、超大直径TBM、复合式(多模式)TBM、异形断面TBM等新型TBM已经开始研发应用,正在取得长足进步,技术成熟后将得以大力推广,TBM关键部件必将全面实现国产化;6)大数据技术、人工智能技术、5G技术将助力TBM施工管理更加科学、客观、全面,并最终实现智能化施工。

盾构/TBM施工煤矿长距离斜井的技术挑战与展望

采用盾构/TBM修建深埋长距离斜井是一个崭新的课题,对于缩短矿井建设周期,降低造价具有重要的意义。文章通过对传统矿山法与盾构/TBM法的技术参数与经济指标进行全面比较,分析了盾构/TBM技术在煤矿矿井建设中的应用前景,介绍了盾构/TBM施工斜井应用现状,在此基础上,着重从盾构/TBM的选型与适应性、斜井井壁结构设计、复杂环境中施工等方面分析了盾构/TBM施工煤矿长距离斜井所面临的挑战,综述了近期开展的相关技术研究与进展,主要包括:双模式盾构/TBM的研制、新型井壁结构体系的构建和复杂条件施工时的处置技术等。最后,讨论了尚存的问题以及相关问题研究的发展趋势。

TBM新型支护系统在大伙房输水隧洞施工中的应用

在隧洞断层破碎带施工时,TBM常规支护容易引发隧洞坍塌和围岩变形,影响TBM正常掘进。在辽宁大伙房输水隧洞TBM施工中,研制了TBM新型支护系统,该系统由钢筋排安装系统、高效钢拱架及钢筋网片安装机构、锚杆钻机以及喷混系统组成。采用TBM新型支护系统后,可以有效缩短支护作业时间,提高TBM支护作业效率和设备掘进效率,并且施工过程中无塌方,围岩无大变形,保证了施工安全。

一种新型的组合刀盘式硬岩隧道掘进机设计思路探讨

文章在已有隧道掘进机设计理论研究的基础上,提出了一种新型的组合刀盘式硬岩隧道掘进机设计思路,即采用强力多层同心圆切刀,把断面岩石旋转切割成厚5 cm的环状岩石薄片,借助安放在切割刀盘后面滚桶支架内的放射状切压刀盘的机械力,把环状岩石片打碎成厚5 cm、长15 cm的碎片,并通过切压刀盘后端滚桶支架内120°斜方卧斗挡板,机械提升碴石,把碴石用机械力倾倒到滚桶外传送带上,再用机械力源源不断地把碴石运出洞外。该设计思路在硬岩隧道掘进机的设计方面具有一定的借鉴意义。

我国掘进机研制现状、问题和展望

近年来,我国重大隧道工程相继开工,掘进机研发、设计和制造水平不断提高。通过分析国产掘进机的典型工程案例,总结我国掘进机自主设计、制造技术的现状:土压平衡盾构、泥水平衡盾构和岩石隧道掘进机3大机型技术已经成熟,马蹄形盾构、矩形盾构等异形断面掘进机关键技术达到国际领先水平,同时竖井掘进机产品开始应用。分析当前我国掘进机研发制造中存在的关键问题:1)设计软件均是国外产品,信息安全问题日益凸显;2)掘进机主轴承、减速机等基础零部件需要进口;3)创新产品市场突破难度大。结合当前技术水平和市场现状,认为智能化和多样化是今后掘进机研制的重点和趋势,提出多功能多模式掘进机、异形断面岩石掘进机、复合破岩TBM、部分断面TBM等新机型设计理念,期望能够推动我国掘进机技术革新。

敞开式TBM应对破碎地带的针对性设计

软弱围岩和断层破碎带是制约敞开式TBM施工进度和威胁施工安全的重要因素之一。针对由于开发断面露出而导致的停机支护难题,本文阐述敞开式TBM通过破碎地带方法步骤以及辅助措施,并针对现有支护手段的不足,设计一种卷扬机式新型钢拱架安装结构。实践证明,新型钢拱架安装器可完成钢拱架安装、钢网片安装以及喷混复合支护动作,为敞开式TBM应对破碎地带提供有利支持,同时解决了施工人员安全风险大及撑靴通过钢拱架换步难等问题,具有重大工程价值和应用前景。

TBM工程适应性研究与挑战及应对思路

隧道掘进机(TBM)以其快速、优质、安全的施工特点已被我国工程领域广泛认可,且正在不断扩大应用范围甚至迎来"井喷式"发展趋势。为拓展TBM应用领域和范围,从地质适应性、支护结构、构筑物结构强度与耐久性、掘进速度、综合成洞速度、成本6个方面分析各机型的工程适应性,研究TBM发展所面临的挑战并从设备、隧道设计和施工三方面提出了初步思路,以期为相关单位和工程提供参考,促进TBM施工健康发展。

隧道与地下工程建设理念及关键技术——记王梦恕院士的主要学术思想和科研成就

简要总结王梦恕院士在隧道与地下工程建设领域的主要学术思想和科研成就,主要包括:引进并创新了新奥法隧道施工技术,并在大瑶山铁路隧道工程中成功应用,进而形成了我国铁路隧道喷锚构筑法,突破了我国隧道建造技术瓶颈,在隧道发展史上具有里程碑的意义;创立了城市地铁浅埋暗挖施工方法,改变了地铁修建必须从地面"开膛破肚"的施工现状,有效的保护了建(构)筑物的安全,促进了城市地铁建设快速发展;在水下隧道建设方面,建立了隧道最小顶板厚度及水压力设计值确定方法,提出了水下隧道防排水体系以及施工关键技术,为我国首座海底隧道的修建提供了技术支撑;提出了TBM+钻爆法的隧道施工新模式,建立了配套施工技术,开发了我国第一台直径7.3 m的压缩混凝土盾构机,促进了盾构机的国产化;针对我国地质及环境的复杂性,提出了隧道与地下工程建设理念和基本原则。王梦恕院士的学术思想和科研贡献,对学科的发展产生了深远的影响,在推动我国隧道与地下工程科技发展方面作出了重大的历史性贡献。