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1、TBM采用大直径滚刀掘进的优越性水利水电技术第37卷2006年第10期TBM采用大直径滚刀掘进的优越性杜士斌(辽宁水利土木工程咨询有限公司,辽宁沈阳110003)【摘要】扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况.研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率.采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向.【关键词】大伙房水库输水工程;大直径滚刀;贯入度;掘进速度;刀具(磨)损耗中图分类号:U45+TV
2、672文献标识码:B文章编号:10000860(2006)10004003AdvantagesoftunnelingbyTBMwithlargediameterdisccutterDUShibin(LiaoningWaterResourcesandCivilEngineeringConsultationCo.,Ltd.,Shenyang110003,Liaoning,China)Abstract:ThestudyontherateoftunnelingadvanceandthecutterwearingconditionoftheTBMforhardrocktunnelingfromNorwa
3、yisbrieflydescribedhereinwiththeintroductiononitsapplicationwithlargediameterdisccuttertothewaterconveyanceprojectofDahuofangReservoir.Boththestudyandthepracticeshowthattheadvantagesofthetunnelingwithlargediameterdisccutterarehigheradvancingthrust,strongerrockbreakingcapacity,quickertunnelingadvance
4、rateetc.,bywhichtheutilizationratiooftheTBMisincreasedalongwiththeloweredwearingofthecutter,thedecreasedconstructioncost,theprolongedworkinglifeofthecutterandthereducedcutterchangingfrequency.TheactualcasedemonstratesthattheapplicationoflargediameterdisccuttertoTBMisthedevelopmenttrendoftheTBMfortun
5、nelinginhardrockwithlargecrosssection.Keywords:DahuofangWaterConveyanceProject;largediameterdisccutter;penetrationrate;tunnelingadvancerate;wearing1引言大伙房水库输水隧洞长85.3km,开挖洞径8.00m,是目前世界在建的同等规模最长的隧洞.隧洞施工采用以TBM为主,钻爆法为辅的联合施工方案.根据具体条件,选择与地质条件相适应的3台开敞式硬岩隧洞掘进机(TBM),分别采用逆坡掘进和顺坡掘进,洞外组装直接进洞和洞内组装方式J.单机掘进长度按20km左
6、右控制J.为了确保TBM单机掘进长度,在TBM施工段中问设置了施工支洞J.在3台TBM中,除TBM2采用432Bill(17英寸)滚刀外,另两台TBM1和TBM3则在国内首次采用483Bill(19英寸)大直径滚刀.2TBM施工段工程地质条件4018.59km.上覆岩体厚度52560m.各TBM施工段围岩岩性见表1.表1各TBM施工段围岩岩性占TBM施工段长度百分数/%岩性混合角砾正常石英混合岩凝灰岩砂砾岩安山岩花岗岩熔岩斑岩砂岩TBM142.712.47.837.1TB79.72.8l1.00.95.5TBM337.61.950.010.5各TBM施工段围岩均以,级为主.各级围岩所占比例见表
7、2.收稿日期:2006-0612三个TBM施工段的长度分别为2O.75,2O.31,作者简介:杜士斌(194o一),男,教授级高级工程师,总监理工程师.WaterResourcesandHydropowerEngineenngVo1.37No.10表2各级围岩所占比例占TBM施工段长度百分数/%围岩级别bVTBM140.2536.8119.373.280.29TBM238.7322.831.216.70.56TBM39.6815.8162.8911.350.27除此之外,三个TBM施工段岩石的单轴抗压强度均在19119MPa之间,呈微风化至新鲜状态.洞线穿越断层均系小断层.节理裂隙以轻度发育至
8、中等发育为主,节理间距一般30100em.岩体完整性属完整一较完整.除个别构造发育部位有集中涌水外,洞室开挖过程中多呈渗水至滴水状态.地下水常年流量<1m/(min?km).混合岩部位可能产生轻微岩爆.岩体整体稳定性较好.上述地质条件表明,设计的TBM施工段适合于采用开敞式TBM进行隧洞工程的施工;其中TBM3施工段的,V级围岩所占比例要高于TBM1和TBM2.3影响TBM掘进速度的机械参数刀盘每转动一圈贯入岩体的深度称之为基本贯入度.TBM掘进过程中平均每小时掘进的长度称之为净贯入度.A.Bruland的研究表明,影响TBM掘进速度的因素包括两个方面,即洞线的工程地质条件(已如上述)和
9、TBM设备的机械参数.TBM掘进速度V(m/月)的表达式为V=U?Te?/m/100(1)式中,为TBM利用率(%);T为月有效工作小时数(h/月);,为平均净贯入度(m/h).平均净贯入度,与基本贯入度的关系为,=?R?(60/1000)(2)式中,如为基本贯入度(mm/r);尺为刀盘每分钟转数(r/min).基本贯入度随滚刀推力的提高而增大.详见图1.滚刀直径大,所提供的推力也大,其关系见图2.上述的研究表明,对于大断面硬岩TBM而言,采用大直径的滚刀,可以提供更大的推力,进而可以提高其破岩能力,实现TBM的快速掘进.4两种直径滚刀机械参数和掘进速度的比较4.1两种滚刀机械参数的比较大伙房
10、水库输水工程的三个TBM施工段,其中TBM2标段的承包商,是一支具有两座大断面开敞式硬水利水电技术第37卷2006年第10期12.010.08.0gg6.04.020杜士斌/TBM采用大直径滚刀掘进的优越性051.O1.52O25等效破碎系数图1基本贯入度与滚刀推力的关系图2滚刀直径与其所提供推力的关系岩TBM施工经验的施工队伍.该标段采用TB750/920E型TBM,其滚刀直径432mm(17英寸).TBM1和TBM3两标段的承包商,则均属首次从事大断面开敞式硬岩TBM的施工.这两家承包商分别采用MB264310型和MB264311型TBM,其滚刀直径均为483rain(19英寸).两种直径
11、滚刀主要机械参数见表3.表3两种直径滚刀主要机械参数比较滚刀直径最大刀具荷载滚刀数量正滚刀间距平均净贯入度/mm/kN/把/m?h一43225060754.34833I1.251825.46.3表3表明,TBM的设计完全符合上述研究的规律;即对于大断面硬岩TBM而言,采用大直径的滚刀,其数量少,间距大,提供的推力也大,因而其破岩能力强,贯入度高.41杜士斌TBM采用大直径滚刀掘进的优越性4.2两种滚刀掘进速度的比较大伙房水库输水工程的TBM2标段自2004年12月15日完成TBM的洞内组装调试,开始试掘进.TBM1标段于2005年7月19日完成TBM的洞内组装调试,开始试掘进.TBM3标段于2
12、005年7月21日完成TBM的洞外组装调试,开始试掘进.统计资料均截止到2006年5月20日.现将各标段的掘进速度连同以往类似工程的比较列于表4.表4各TBM标段与以往类似工程掘进速度比较洞径滚刀直径13最高进尺月平均进尺月最高进尺工程名称/m/mm/in/m/in秦岭隧道南口8.843235.2310.O6509.0秦岭隧道北口8.843240.5313.75532.0桃花铺隧道_6J8.8432_301.0551.8磨沟岭隧道8.843241.3319.1573.9TBM28.O43242.0478.3印5.3TBM18.O48347.1544.O932.4TBM38.O48363.552
13、0.51111.O通过表4可以看出:就采用432Inm直径的滚刀而言,TBM2标段的掘进速度,无论是平均进尺还是最高进尺,都比以往类似工程发挥得好,说明其施工经验更加成熟.而采用大直径滚刀的另外两家承包商,尽管缺乏TBM施工经验,但其TBM的掘进速度,无论是平均进尺还是最高进尺,都明显地要比小直径滚刀掘进得更快.抛开地质条件和管理水平因素的影响之外,主要是由大直径滚刀的机械性能决定的.5两种直径滚刀刀具损耗的比较TBM的掘进是以一定的推力,通过滚刀刀圈对岩石的切削实现的.因此在TBM掘进过程中,主要造成滚刀刀圈的磨损.A.Bruland的研究表明,滚刀的直径越大,刀圈允许磨损的体积越大,因而其
14、寿命(以小时数表示)越长,见图3.483mm滚刀刀圈的寿命大体比432mm长25%.另据业内人士估计,432mm直径滚刀单位立方米岩石的刀具损耗费用,约为483mm的两倍以上.采用大直径的滚刀,既可以降低刀具的损耗,进而降低工程成本,又可以延长刀圈的寿命,减少掘进过程中换刀的频次,从而提高TBM的利用率.背装式安装,拆卸滚刀的实现,为采用大直径的滚刀提供了方便,创造了条件.14.12.1)(】80怅604.202O4O6O8O1OO滚刀寿命指数CLI图3滚刀直径与刀圈寿命6结语研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:(1)大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;(2)降低刀具损耗,
15、进而降低工程成本;(3)延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率.采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向.参考文献:1魏永庆,杜士斌.大断面超长输水隧洞的施工特点J.水利水电技术,2006,(3).2h丽华,杜业彦,杜士斌.超长隧洞TBM单机掘进长度的确定J.水利建设与管理,2005,(3).3姚志国,杜士斌,杨金宝.超长隧洞TBM施工段设置中间施工支洞的必要性J.水利水电技术,2006,(4).4AmundBruland.HardrocktunnelboringadvancerateandcutterwearR.Norway:DepartmentofBuildingandConstructionEngineering,NTNU,1998.5张照煌,李福田.全断面隧道掘进机施工技术M.北京:中国水利水电出版社,2006.6中国铁道建筑总公司.隧道掘进机施工技术M.北京:机械工业出版社.2005.(责任编辑欧阳越)推避依法行政实现依法治水水利水电技术第37卷2006年第1O期
