双护盾TBM 隧洞掘进技术在引黄工程上应用与发展.pdf

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双护盾TBM 隧洞掘进技术在引黄工程上应用与发展

双护盾TBM 隧洞掘进技术 在山西省引黄工程中的应用与发展 薛继洪 意大利CMC 公司 二OO 一年九月六日 第一章 双护盾TBM 隧洞掘进技术的诞生 及其相关技术介绍 一.双护盾TBM 隧洞掘进技术的诞生 过去在软岩和松散岩层中所采用的TBM 掘进机必须带有护盾, 在护盾内或紧跟护盾进行围岩支护,通过支护体给TBM 掘进提供推 进力,就是所谓的软岩掘进机。 当围岩比较完整坚硬无须采用系统支护的情况下,所采用的 TBM 掘进机为硬岩掘进机,它的推进反作用力通过支撑掌直接作用 于围岩来实现。这种TBM 虽然刀头部位有护盾保护,但当遇到风化 严重、破碎、软弱岩层或断层带时,支撑掌往往失效,不能为机身推 进提供足够的反作用力。在这种情况下,必须对隧洞进行及时支护, 一般采用喷锚支护或钢支撑,有时还需要在刀头与支撑掌之间现浇砼 支护。即使这样进行支护,仍不能为TBM 支撑掌提供足够的反作用 力,有时还被支撑掌彻底破坏。而且,实践证明,采取这样的方法既 昂贵又费时。另外,当硬岩TBM 遇到上述情况时,人员和设备的安 全也会受到威胁。 以上的情况为隧洞建设者们提出了新的要求,即需要研制一种既 能适应松、软岩体又能掘进硬岩的掘进机以实现隧洞快速、安全、文 明施工。 1971 年原意大利SELI 公司总裁CARLO GRANDORI 先生应意 大利电力协会的邀请,为意大利南部穿越SILA 花岗岩地层的两条总 2 长8km,开挖直径为4.3m 的压力 隧洞的施工作建议方案。 该工程的地质情况非常复杂,SILA 花岗岩层为意大利最古老的 火成岩,历史上经历了若干次地质构造运动 ,风化、破碎、断裂发 育,岩层之间的剪切十分严重,且有糜棱岩和松散角砾岩存在。整个 上游隧洞和1.5km 下游隧洞的顶部与边墙覆盖层很薄,仅40~150m, 均处于岩层严重风化区。 基于该工程的地质特点和当时的 TBM 掘进技术水平,需要为该 隧洞工程的施工专门研制一种新型 TBM 掘进机,以适应其复杂的地 质条件,做到既能开挖抗压强度超过 1400kg/cm2 的硬岩,又能掘进 风化、破碎的软弱岩层,为此,这种新型TBM 应具有以下特点: 1. 一套独立的护盾及相关设备,实现砼预制管片在护盾内安装 就位,为松、软、破碎围岩提供连续、及时、有效支护,为洞内工作 人员和设备提供安全保障。 2. 一套有效的支撑机构,在围岩完整、坚硬的条件下,提供TBM 推进所需要反作用力。 3. 一套辅助推进系统,在松、弱、破碎岩层中当支撑掌系统失 效的情况下,靠已衬砌的预制管片向TBM 掘进提供反作用力。 4. 一套合适的推进机构,保证刀头开挖与预制管片安装能同时 进行,且互不干扰,即便在主支撑系统失效而采用辅助支撑系统推进 的情况下,也能达到这一目的。 这就是双护盾TBM 的基本设计思想。1973 年由 L.GRANDORI 先生与美国罗宾斯公司联合设计,罗宾斯公司制造的双护盾伸缩式样 3 机ROBBINS 144-151 型TBM 诞生了。 这台样机的主要结构包括前护盾、后护盾和连接前后护盾的伸缩 节。前护盾内有刀头、刀头支撑体、刀头驱动马达和变速箱。后护盾 内有主支撑系统和辅助推进系统。前护盾与后护盾之间的伸缩节由 12 个水平推进液压缸连接。 二. 预制管片衬砌技术 从 1973 年-1988 年,双护盾TBM 的结构在不断的改进中逐步得 到了完善。我们可以看到,双护盾TBM 与预制管片衬砌是紧密相连 的,只有采用了管片衬砌技术才能发挥双护盾TBM 在不稳定围岩条 件下的优势。因此管片衬砌技术与双护盾TBM 技术的有机结合,使 隧洞快速掘进技术上了一个新台阶。实际上,在应用第一台双护盾 TBM 的意大利 SILA 工程中,管片衬砌采用了传统的四边型管片加 锁定管片形成衬砌环,管片直接依靠

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