TBM掘进机（共6篇）
TBM掘进机 篇1
中国铁建十一局集团承建的内蒙古神东补连塔煤矿TBM掘进机(隧道掘进机)实现顺利始发。TBM的应用,不仅将为国内煤矿快速、高效建井提供核心技术支撑,还将彻底革新传统的煤矿作业模式,填补我国煤矿斜井TBM施工技术领域的空白。大直径TBM由主机、设备桥、后配套3大部分组成,全长165m,重达1 560t,开挖直径7.6m,由中国铁建重工集团和神华神东公司联合研发生产。采用该设备开挖煤矿隧道,具有安全系数高、速度快、经济环保、成洞质量好、占地少等特点,同时具备大流量通风除尘、排水量大、长距离重载物料运输、有害气体防治等特点。
TBM掘进机 篇2
目前, 开敞式TBM掘进的同时, 施作初期支护, 通常情况下, 隧道全部贯通或者分阶段贯通后, 再施工现浇混凝土衬砌结构, 二者顺次作业, 导致围岩开挖并初期支护后存在一个相对较长的裸露期, 与新奥法隧道施工要求及时封闭围岩、完成二次衬砌结构的指导思想不符, 施工安全与质量的可靠性大大降低, 并且施工总工期较长。TBM掘进与二次衬砌同步施工, 是解决问题最好的办法。
吐库二线铁路中天山隧道位于新疆天山山脉中段, 全长22 452 m, TBM施工段长13 423 m, 开挖断面8.8 m, 设计坡度11‰。由于工期紧、任务重, 按传统的各工序顺序作业无法按期完工。因此, 提出了附属洞室跟进开挖、二次衬砌与TBM掘进施工同步进行的施工方案。通过台车设计方面的改进, 着力解决在TBM掘进施工的同时进行二次衬砌施工的相互干扰、影响, 特别是在交通运输及施工组织问题上的制约, 使与TBM掘进同步进行的附属洞室和二次衬砌施工顺利、快速、同步进行, 缓解工期压力, 并在中天山隧道取得了成功。
二、施工总体方案
附属洞室开挖爆破滞后TBM一定距离、矮边墙及防水板施工滞后洞室开挖一定距离、二次衬砌滞后矮边墙一定距离、与掘进施工平行作业。二次衬砌采用2部16 m液压衬砌台车组合作业。辅助洞室开挖尽可能在第一部台车与TBM之间完成, 矮边墙施工、防水板铺设超前衬砌作业。砼在洞外拌制, 以有轨方式运送到灌注地点。
三、衬砌台车选型、设计
二次衬砌的防水板铺设、砼生产、运输、浇筑、捣固等都是常规施工内容, 与其他工程并无本质的区别。中天山隧道的特殊之处, 在于有轨交通运输条件下二次衬砌与TBM掘进同步施工, 如何减少或避免二者的相互干扰制约;而台车设计方案是解决制约问题的关键。
1.传统台车设计的缺陷
秦岭和桃花铺隧道, 均采用了掘进贯通后衬砌的办法, 台车设计虽考虑了运输问题, 但采用的是浮放道岔系统, 台车区域只能单线通行, 浮放道岔移动不便、易损坏、故障率极高, 加上浮放道岔进一步加大了运输线路的坡度, 给运输带来了极大的困难;而且也没有考虑TBM掘进所需的风水电、照明、通讯等问题, 无法保证前方的掘进, 在中天山不可行。
2.台车方案比选
(1) 模板台车走行轨为仰拱块上外轨, 台车下设浮放道岔 (道岔上设单线) , 方案1二衬施工平面布置见图1。
(2) 模板台车走行另设临时轨, 布置在先期施工的矮边墙上, 确保台车下满足双线通车净空要求, 方案2见图2。
(3) 两个方案优缺点对比。方案1优点, 走行可直接利用既有轨线, 台车的设计、制作相对比较简单。缺点是整个二衬施工期间台车下方只能单轨通行。浮放道岔上行车速度慢, 容易跳道, 且维护极为困难。浮放道岔极大地增加了线路坡度, 给运输造成很大困难浮放道岔在移动及固定期间完全不能通行, 影响时间约3 h, 对前面TBM掘进材料、石碴运输影响大。
方案2优点, 二衬期间除灌注时间外, 台车下方双线均可通行。取消了浮放道岔这一套复杂系统, 减小了线路故障率, 对前方TBM掘进运输影响小。缺点是走行不可直接利用既有轨线, 而需要单独设置临时轨道。台车走行用的矮边墙需提前施作。台车的设计、制作边界要求高, 相对比较复杂, 对台车下部结构的刚度、强度要求高。
比较结果, 在TBM掘进期间同步进行二次衬砌施工, 在能满足二衬进度指标要求的前提下, 主要考虑减少二衬施工对前方TBM掘进材料、石砟运输的交通影响, 方案2在这一点上的优势非常明显, 故在能够有效解决台车下部结构刚度、强度设计的条件下, 推荐采用方案2。因此, 确定方案2的设计思路。并在此基础上, 确定台车的总体设计。
3.新型台车设计特点
(1) 充分考虑了台车内净空。掘进期间同步衬砌, 首先考虑如何保证掘进施工的正常进行, 即如何保证掘进所需材料和石砟的运输。采取的措施为:放弃了浮放道岔系统, 改为固定渡线道岔;衬砌施工前, 先施作两侧小边墙, 其上铺设临时钢轨供台车走行, 其轨距为4.9 m;优化台车台架设计, 使台车下方净空达到4.3 m×3.1 m, 满足了台车下方双线通行的要求。列车与台架之间最小安全距离>0.2 m。
(2) 台车设计紧凑化。同步衬砌期间, 要保证掘进所需的风、水、电的供应。而中天山隧道采用的是长距离独头通风, 风筒顺利穿越台车尤为关键。本台车合理利用内部空间, 在台车上层预留了风筒穿行空间, 将台车操作系统、通信系统布置在走行机构上方, 不占用有效空间, 解决了风筒穿越台车问题。为避免软风管破损, 在台车上设计专用托架, 其内表面光滑平顺, 并在台车前后两端设置风筒引导装置。
充分利用空间, 将供水管铺设在仰拱块中心水沟内, 高压电缆、通讯与照明线在矮边墙与运输轨道的空隙中通过, 并在台车位置采用高强度PVC管保护。
(3) 增设混凝土布料系统。传统的台车采用人工倒管方案, 灌注作业强度高、费时费力而且占用空间较大。本台车设计了混凝土布料系统, 利用混凝土分配器、混凝土三通流量控制阀实现混凝土在台车上的分配, 实现窗口灌注不倒管、左右两侧同步对称灌注, 最大程度地减小了侧向力、输送管倒用次数减少, 作业强度显著减轻、节省工作时间且不影响任何有效空间。
(4) 抗浮装置采用内置式设计。灌注作业时台车上浮是一个不争的事实, 抗浮装置的设计能有效解决上浮问题。传统的台车抗浮装置多采用油缸加千斤顶的模式, 设计在台车的前后两端, 施工时直接接触已经完工的衬砌混凝土表面, 灌注时容易出现冲顶现象, 造成砌体开裂。这部台车采用了内置式抗浮丝杠设计, 灌注时抗浮丝杠支撑到衬砌台车顶模内的开挖岩面上, 不接触衬砌好的混凝土面, 有效解决了冲顶问题。
(5) 模板支撑丝杠采用伸缩设计。模板支撑丝杠对于台车来说是必不可少的, 所有模板均要靠丝杠支撑在台车主框架上。传统的台车设计, 多采用拆装式丝杠, 作业强度大、拆装极为麻烦。这部台车采用了伸缩丝杠方案, 即丝杠的无杆腔取消了传统的螺纹, 设计为内光面, 在无杆腔外部加设端头螺母, 模板定位后采用端头螺母和丝杆缩紧丝杠;拆除模板时, 将端头螺母松开, 丝杆收缩至无杆腔内, 实现模板收缩。这样一来, 工作强度大大减轻, 工作进度加快。
(6) 利用台车框架消除横向力。传统有轨运输隧道的衬砌台车, 设计时一般在底模位置设置大量横撑丝杠, 丝杠一端支撑在底模上, 另一端支撑在轨道上, 轨道中间再用大量辅助丝杠支撑, 形成闭环式支撑消除横向力, 不仅繁琐而且工作量极大。本台车采用大主梁框架方案消除横向力, 即台车的主纵梁采用加强断面设计, 可以有效承载灌注时产生的横向力, 然后利用大断面横向主梁消除左右对称传递的横向力。从而取消了横撑丝杠和辅助丝杠。
4.衬砌台车主要技术参数
综合考虑本工程的工期安排、施工特点, 结合以往施工经验, 确定了台车的总体参数。台车模板长度16 m;台车模板钢板厚度10 mm;台车数量2台;台车结构刚度要求, 单部台车衬砌长度≥8000 m且不得产生影响二衬质量的变形。加工精度, 模板半径误差≤3 mm, 模板间接缝零错台, 两端模板半径误差≤1 mm
四、二次衬砌施工组织
考虑爆破对TBM的影响, 在TBM掘进达到1 km时, 开始附属洞室和横通道的开挖作业;洞室开挖达到420 m后, 开始矮边墙施工;矮边墙施工完毕达到28 d强度后, 开始防水板铺设;防水板铺设完毕后, 开始台车衬砌作业。砼在洞外拌制, 以有轨方式运送到灌注地点。洞室开挖、矮边墙施工、泵送混凝土作业一般在运输线路的同一侧进行, 以减少车辆行驶中的变线次数。
1.附属洞室采用人工钻孔、控制爆破的办法施工
渡线道岔铺设在横通道口的TBM掘进方向30 m处, 开挖2副道岔间横通道和辅助洞室时, 该区段改为单线通车, 另一条线作为爆破出砟线路。待该区段衬砌完成后将道岔前移循环利用。
在开挖区域配置空压机, 接引手风枪进行钻孔作业, 随后进行多次控制爆破;爆破后放置一列出碴矿车, 配置一台小型挖掘机装碴辅以人工清底, 机车牵引至洞外卸碴。优化爆破方案, 采用控制爆破技术, 减小爆轰波。采用防护挂甲对爆破面进行防护, 并加强对通风软管、高压电缆、照明与通讯线路、供水管路等的防护, 实现在TBM正常掘进时爆破;TBM后方设立刚性防护排架, 减小冲击波对TBM掘进机的影响。通过控制爆破及柔性防护挂甲和钢性防护排架的综合使用, 实现爆破和掘进同步施工。
2.矮边墙施工
根据隧道设计, 道床两侧的侧沟电缆槽外墙为永久性建筑部分, 因此把它作为衬砌台车的临时走行轨道基础 (即:矮边墙) 。二次衬砌时, 先施做矮边墙作为衬砌台车走行轨的基础, 解决了衬砌台车占用运输轨道的缺陷 (秦岭、桃花铺隧道衬砌台车行走的是运输轨的两根外轨) 。采用2组定型钢模板施工, 在台车灌注期间立矮边墙模板、台车拆模立模的时间完成矮边墙灌注, 2组模板轮流使用, 循环作业。
3.土工布、防水板施工
采用一台自制的门架式台车施工。该台车与衬砌台车结构相似, 利用衬砌台车走行轨、电机驱动行走, 净空满足运输要求, 上部中间位置穿越风筒。在矮边墙施作并达到强度要求后, 防水板台车行进至铺设位置开始作业, 并超前衬砌施工一定距离。施工工艺与普通隧道相同。
4.二次衬砌施工
防水板铺设完毕后, 第一台衬砌台车行进至起始衬砌位置开始衬砌施工。衬砌一段距离后, 第二台衬砌台车开始进洞施工。2部台车采用跳跃模式作业。混凝土在洞外拌制, 以有轨运输方式运送到灌注地点。混凝土灌注采用泵送。边墙灌注借助布料系统分配混凝土流量。当灌注拱顶位置时, 将输料管自混凝土分配器拆下并固定在拱顶灌筑口上, 将拱顶灌满。
五、实施的效果及推广前景
TBM掘进机 篇3
一、监测目的
为准确掌握TB880E主轴承系统的设备运行状态, 需对TB880E相关参数作连续监测, 摸索重要部件的磨损规律, 由此判断异常迹象的发生时段或预测即将出现的故障, 以便作出正确决策, 及时预防或维修。
二、监测方案
1. 主轴承监测方案
根据大轴承监测难点及振动监测影响因素, 考虑施工现场的实际条件, 确定选用6个监测项目。
(1) 对润滑系统实施监测, 确保良好的润滑。用温度监测润滑油冷却状况, 对滤清器的堵塞程度实施电子监测, 用油位指示器监测润滑油量。定期进行油质分析, 严密监测油品粘度、清洁度、综合污染指数、水分, 确保油质良好。
(2) 通过油液磨损分析, 监测轴承磨损状况。用油液清洁度分析和油品理化指标的现场分析, 实施初级磨损监测, 用直读式铁谱分析、分析式铁谱分析和光谱分析, 实施磨损状况监测。
(3) 通过振动信号监测轴承元件的损坏。
(4) 定期检测轴承的轴向间隙, 判定轴承磨损程度。
(5) 用工业内窥镜, 定期观测轴承内部各元件的磨损情况。
(6) 通过内置的电涡流传感器和地面站, 定期监测轴承滚子、滚道的损伤。
2. 主轴承密封监测方案
(1) 日常维护工班, 目视迷宫式密封处液体流动状况, 检查密封材料是否混入。
(2) 通过油质分析, 监测灰尘、水侵入状况, 定期进行油质分析, 密切监测油中灰尘和水的含量, 间接监测密封状况。
(3) 每半月取油样委外作光谱分析, 监测油中Si, Al含量。
三、监测周期
每日观察油质情况, 发现异常, 立即深入分析。每旬进行现场油质分析 (包括清洁度分析和理化指标分析) , 实行按质换油, 确保润滑油状态良好。
每半月取油样送哈密进行光谱分析、直读铁谱分析和分析式铁谱分析。根据需要, 对主轴承实施在线振动监测。定期进行内窥镜观测和电涡流检测。
四、诊断标准
为了对监测设备的状态作出判断, 判断是否存在故障及故障的程度如何, 必须对表征设备状态的测量值与规定值进行比较。常用的有2种判断标准, 即绝对判断标准、相对判断标准。
1. 绝对判断标准
要求在设备的同一部位或按一定的要求测得的表征设备状态的值, 与某种相应的判断标准相比较, 以评定设备的状态。
(1) TB880E技术资料上注明标定工况下运转性能参数的各种标称值、极限值。油润滑泵流量180 L/min, 工作压力0.5~0.7 MPa。正常情况下福斯CLP460工作温度T<70℃, 警戒工作温度70℃≤T<90℃, 如果T≥90℃, 则必须检测其各项物理指标后确定是否换油。Graco脂泵正常工作压力0.5~0.7 MPa, 脂分配阀处压力<20 MPa
(2) TB880E主轴承主要使用的油品。液压油B20 (ISO VG68) , 齿轮油CLP460 (ISO VG460) , 主轴承密封脂Rhenus LZW25, 机架润滑脂Rhenus EP2。
2. 相对判断标准
采用这种判断标准时, 要求对设备的同一部位 (同一工况) 同一种量值进行测定, 将设备正常工作情况的值定为初始值, 按时间先后将实测值与初始值进行比较来判断设备状态。
在TB880E设备投入施工之初, 对同一设备的同一台测点部位, 进行设定工况条件下的运转性能参数 (振动、冲击、压力、温度、速度、流量等) 、油品理化指标参数以及铁谱、光谱、污染度、黏度、水分等诸多参数采集, 以此作为初始测定值, 经过不同阶段相同测试条件下的多次采集, 将几次结果根据设备磨损的规律进行相关分析比较, 可以推断出该部位运转状况的变化情况, 故障的进展和严重程度。
再如TB880E的主轴承轴向间隙测量, 从TBM组装完毕的试掘进之初, 以轴承轴向间隙测定值定为初始值, 作为轴承磨损的基准, 当轴向间隙累计增加到1.7 mm时, 轴承就应更换或修复。根据掘进施工的不同阶段, 定期对主轴承的轴向间隙进行测量, 就能准确把握轴承的磨损状态。
五、诊断方法
1. 油样分析方法
(1) 铁谱分析3线值方法。一台设备完整的运行过程, 包括磨合阶段、正常磨损阶段和急剧磨损阶段, 设备处于正常磨损阶段时, 铁谱分析数值随时间的变化处于平缓阶段, 通过分析大量样本的计算平均, 可得出设备运转正常的磨损基线值, 从而定出3条控制线来把握设备的磨损状态。3条控制线包括正常线、警告线和危险线, 是设备所处磨损状态的判断依据。
设Y为设备运转正常时特征参量的测试值 (Y可以分别为DL、Ds、Q、WPC、PLP、Is等参量) , n为已知设备连续运转正常的油样监测次数, V1为正常线, V2为警告线, V3为危险线。
式中S———标准差, 用于作为样本方差σ2的估计量。
据此可作出控制线图, 见图1。
当本次检测的特征参数Y>V3线时, 磨损状态处于危险区域, 磨损量的增长速度很高, 机械将发生故障失效。当V2<Y<V3时, 磨损状态处于警告区域, 此时设备的磨损处于异常状态。由异常磨损达到失效需要经历一个过程, 在这一过程中磨粒的Y值将以较快速率增大, 虽然发生了不正常磨损, 但还不致于立即发生故障失效。因此, 称V2为警告线。可据此立即采取措施, 避免状况的恶化。当V1<Y<V2时, 是发展为异常磨损的前兆, 有必要引起注意, 应加强对设备的监测, 一旦发现问题可及早想办法。当Y<V1时, 磨损状态处于正常区域, 设备能够安全可靠地工作。
在计算基线和控制线时, 不可能将所有正常磨损状态下的Y值都计算在内, 只需取一部分最新的Y值进行计算, 对于TBM某台设备而言, 即使在正常磨损状态下Y值也有可能偏高, 若将偶然引起的异常因素计算到基线中, 势必会使基线高于正常水平, 使正常区域扩大, 达不到预测的目的。而设备不同时期的历次监测正常值, 经过统计平均, 可以使这种影响减少;实际操作时, 可以将明显偏高的Y按照坏值检验办法略去, 一旦有了基线, 就可以将某一次检测值与3条线相比较, 就能判断这台设备的状态优劣。
(2) 光谱分析3线值法。由光谱分析的特点知道, 磨损元素的浓度值随着机械运转时数的增加, 在坐标图中呈现增长的趋势。所以光谱的3条控制线也会以一定的斜率出现在坐标图上。故称为光谱分析随时间变化的3线值法 (图2) 。
计算方法与铁谱分析3线值法相类似, 只不过基线是依据数理统计方法中的线性回归方法, 对样本点进行拟合而成的, 这里的样本点同样取自同一机械的光谱特征参量数值。
计算方法:
基准值P=a+bx
式中a、b为拟合系数 (Xi、Yi) 是由设备实测的元素浓度值经过变换得到的回归 (拟合) 系数a、b可由最小二乘法求得:V1=0.8 (P+2S) ;V2=P+2S;V3=P+3S;S是标准差, 算法同前。
(3) 趋势分析法。趋势分析法是建立在统计法基础上的, 首先用统计法绘出光谱分析与铁谱分析的3线值图3, 再将待分析机械连续n次检测的数据标在3线值图中, 并回归成一直线, 通过此直线与各线交点对应的时间, 即可说明待分析设备进入某一磨损状态的期限, 达到预测的目的 (图4) 。
2. 电涡流测试
德国HOESCH公司提供电涡流传感器线圈预置在主轴承内。其中保持滚道线圈信号输出接口阻抗无穷大, 证明已损坏。支持滚道信号输出接口阻抗6Ω, 尚可使用、电涡流地面站、便携式电脑。电涡流传感器信号输出接口位于主轴承组件连接螺栓之间的Ⅰ、Ⅳ象限分界线上。
3. 内窥镜观测
TB880E型隧道掘进机的主轴承配置有工业内窥镜检测系统, 采用德国WOLF公司产品, 在主轴承正上方打开了推力滚子两个窥视孔, 可以观测齿圈和支持滚道、以及滚子和保持架的情况。
4. 轴承轴向间隙测量
测量工具为磁座式百分表, 精度0.01 mm。首先调整刀盘位置, 以确保在整个测量过程中刀具滚子都在其切割轨道上, 在主轴承内密封系统, 即刀盘左下固定方位, 通过转动刀盘, 在不同刀具孔径向辐射方向分3次、累计10个位置进行测量。磁座百分表固定在稳定不动的刀盘局部平面结构上, 然后紧贴可移动的密封圈来测量, 刻度计在刀盘紧贴掌子面由于诸多原因, 测试压力分别为18 MPa、12 MPa、80 MPa后调零, 然后卸压读数, 每次测量后刻度计均需回零。
六、油品取样应遵循的规定
(1) 取样工具。专用抽油器、透明塑料管、专用油样瓶、化纤手巾 (擦拭外露油管表面积尘和取油口脏污, 绝对禁止使用带毛的棉纱) ;为防止不规范取油造成的多重污染, 凡取油使用的油样瓶、透明塑料油管, 均为一次性无污染用品, 取油前塑料袋封装严密, 取油后不得重复使用。
(2) 取油时机。为使所取油样能够代表运转部件润滑的真实状况, 必须热机取样, 不得在机械长时间停机时抽取油样, 必须使机械充分运转、达到正常运转油温, 使油箱中油液充分混合、油中各种磨粒完全呈悬浮状态时, 才能适时抽取。对于TBM各油箱, 应区分该系统泵站是否在工作, 确认后取油。主机油箱取油, 一般在2~3循环后开始。如油位较低需补油:将机器空载转动5 min左右再取样, 否则, 影响分析结果的准确性。
(3) 采样位置。为保证取油的规范性, 取样时必须确定固定部位的取油口, 对同一设备每次要在同一部位取油, 以保证实验结果的可比性。
(4) 取油前擦净油口周围的粉尘和脏污, 用抽油器取油;尽量避免在截止阀放油口处直接放油, 以免油中混入泥沙 (肉眼看不出来) , 透明油管应深入油面10 cm, 不得直插到底, 吸入油箱底面的油泥, 大大影响分析结果的准确性。
(5) 如将油样用作其他实验, 要注意妥善保管。
(6) 采样工具的用后保养。清洗采样泵, 以免污物滞留在泵内, 清洗取油器时用布或纸巾擦净即可。有些化学试剂不能用于清洗采样工具 (如乙烷, 三氯乙烷) 。
发现油位显著升高时应引起警惕, 及时分析并查找原因, 是否系统进水或混入其他液体, 根据需要可对在用油和新油作黏度对比。
单护盾TBM掘进姿态控制 篇4
1 工程概况
重庆轨道交通五号线一期工程起点为园博园站, 终点为跳蹬站, 线路全长39.66km。单护盾TBM施工段位于重庆市北部新区的重光站~大竹林车场区间, 长度为9196.666m, 设3个正线区间, 分别为重光站~和睦路站、和睦路站~人和站、人和站~大竹林车场区间。区间采用2台单护盾TBM施工, 从大竹林车场始发, 步进通过人和站、和睦路站后在重光站后接收井吊出。沿线最小转弯半径为400m, 设计最大纵坡为44‰, 竖曲线一般地段半径为5000m, 困难地段采用3000m。隧道管片内径为5.9m, 管片度厚0.35m, 隧道开挖外径为6.83m。
2 地质水文条件
本工程位于川东南孤形地带, 华蓥山帚状褶皱束东南部的次一级构造—重庆弧形褶皱束复式向斜一构造区域内, 发育有北碚向斜、石马河 (化龙桥) 向斜、沙坪坝背斜等次级褶皱, 构造线多呈NNE―SSW向, TBM区间岩层产状线路走向与构造线走向基本一致。地下水为第四系松散层孔隙水, 水量较小;碎屑岩类孔隙裂隙水泥岩相对隔水、水量稍大, 动态稍稳定。地表出露地层较简单, 由第四系全新统松散土层和侏罗系中统上沙溪庙组与下沙溪庙组的砂质泥岩、砂岩组成, 第四系全新统人工填土 (Q4ml) 基本上为素填土, 第四系全新统河流冲积层 (Q4al) 、第四系全新统残坡积粘性土 (Q4el+dl) 厚度一般0.3—2m, 局部原始谷心地段较厚, 侏罗系中统沙溪庙组 (J2s) 多为砂岩及砂质泥岩。
3 软岩地质条件下TBM掘进姿态控制难点
(1) 隧道设计轴线及穿越地层的影响。隧道的总体设计除了要满足地铁运行的使用要求以外, 在设计轴线的基础上, 结合盾构法施工的特点制定出一条指导施工的施工轴线;确定特殊工况的施工方案;单护盾TBM在本区间不同的地层之间掘进时, 受力情况更加复杂, 给掘进中的姿态控制造成了较大的难度。
(2) 隧道测量的影响。在隧道掘进过程中, 测量的正确性、准确性及精确性是至关重要的, 它直接决定了盾构机的掘进方向, 经常复测, 及时调整, 保证隧道轴线的正确性。特别是由于管片上浮或旋转造成测量系统出现问题, 因其难以发现, 是本区间TBM设备掘进姿态控制的难点。
(3) 盾尾垫起或前盾栽头。在软岩掘进时会经常出现微小的塌方, 由于岩层含泥量与含水量比较多, 在出渣的时候非常困难, 刀仓经常会被堵死, 出渣不能及时进展, 推力和扭矩力量就会增加, 渣土就会垫在盾体后面, 使掘进的姿态受到限制, TBM处于抬头状态。
而在岩石含水量增加的过程中, 围岩在含水量达到12%的时候就开始软化, 泥化的程度也会增加, 导致TBM低着头, 不能合理进行油缸位差的调整, 让TBM发生栽头现象。
(4) 刀具更换及管片的影响。TBM最小转弯半径曲线是要求在全盘新刀的情况下模拟的, 换刀对掘进姿态的影响主要出现在曲线掘进段, 提前考虑刀具更换的位置、方案, 方能够顺利通过曲线段。
管片的不同形式对隧道的掘进有着不同的影响, 一般设计方会出具隧道的整体管片排列图, 但应结合施工情况会做出相应的调整, 同时根据管片的不同拼装方式制定施工方案。
4 TBM掘进姿态的控制措施
(1) 充分考证地质情况。本区间虽无不良地质与特殊岩土, 但施工前对地质的纵向剖面图和围岩的实际情况进行明确、对地质围岩的条件进行合理勘察仍十分重要。要对单护盾TBM在掘进中的影响因素进行分析, 明确含水率、含泥量、岩石性质, 单护盾TBM很有可能不能通过80m的含水疏松沙层, 因此在施工的时候要充分保证各个工序之间的衔接, 停机进行保养的时候时间不能太长, 否则会使围岩的含水量增加, 严重的时候会出现涌沙现象, 造成TBM被卡。
(2) 精准测量, 勤调缓调。在掘进时要加强测量, 姿态调整要勤调缓调, 实际掘进时, 要把握TBM的趋势, 调整趋势不能太大, 否则会造成急于纠偏的现象, 大趋势变化由大方位变化而来。趋势要与管片锲行量调整大小匹配, 在管片能够调整的范围内进行调向。也就是要跟着管片方向进行调向。反之则容易使管片与盾尾卡死, 铰接力及行程会增加。在管片质量得到保证的前提下, 保证TBM姿态的合理调整, 使现有姿态沿着直线精心缓慢行走, 在行走过程中缓慢进行姿态的调整。
(3) 滚动控制。滚动控制主要是控制刀盘旋转方向, 随着滚动角变化进行刀盘换向, 掘进过程中如果发生一边转向掘进较快时还需注意刀具磨损的情况。同时注意管片安装采取左右交叉顺序, 调整两腰推进油缸, 使其轴线与盾构轴线不平行, 增加摩擦力。
(4) 管片底部砂浆换填。本TBM区间管片拖出盾尾后立即填充底部空隙, 避免错台隐患;管片背后先后采用豆砾石、砂浆、水泥净浆填充, 增加注浆点密实回填。在掘进时, 由于管片间的缝隙承载力不够, 容易造成管片下沉, 造成TBM崛起姿态不稳, 使盾体与管片产生的夹角太大, 引起TBM推力过大, 造成管片安装机的受损, 在进行底部填充的时候必须使用干性水泥砂浆, 通常情况下, 将填充的厚度控制在5厘米之间。
(5) 盾尾间隙的合理控制。盾尾的间隙可以将TBM的姿态与管片姿态得到展现, 好的掘进姿态可以保证管片姿态与TBM吻合, 使管片质量得到保证。因此, 在TBM掘进的时候, 要在管片的安装前、安装中、安装后进行仔细查看, 了解TBM和管片的吻合状态, 根据具体的参数对崛起的情况进行真实反映, 通过出渣口对围岩的情况进行观察。
5 结束语
本文主要对软岩地质条件下单护盾TBM掘进姿态控制进行阐述, 利用充分进行地质情况考证、合理制定调向原则, 认真进行勤调缓调、滚动控制、管片底部砂浆换填、盾尾间隙的合理控制进行应对, 以促进软岩地质条件下单护盾TBM掘进姿态合理控制。
参考文献
[1]阳斌.单护盾TBM快速掘进条件分析[J].隧道建设, 2014 (10) .
[2]吴乐.单护盾TBM管片旋转问题及应对措施[J].隧道建设, 2012 (05) .
TBM掘进机 篇5
随着我国十二五规划,水利发展改革提出了全面解决约3亿农村居民饮水安全问题,资源型和水质型缺水项目。引水隧洞等重大地下工程建设项目越来越多,尤其特长隧道,对开挖速度、安全和效益的要求越来越高,TBM被越来越多应用于长大隧道施工。TBM主机及后配套(简称TBM)、连续皮带机一次性投入达4.6亿元(2台×2.3亿元/台·套),在无后续项目的情况下,投资能否收回、项目可否盈利成为承包人关注的重点。
招标图设计TBM掘进平均进度630 m/月,与辽宁省大伙房水库输水工程TBM 2标施工技术总结对照为例[1],存在工期风险;TBM掘进工程成本,与辽宁省大伙房水库输水工程TBM 2标施工审计后的结算价与实际成本对照为例[2,3],存在成本风险;措施费计量按实际发生的工程量据实结算,不按总价承包项目清单明细工程量计量[4]。报价技巧参照相关报价策略和西安安康铁路秦岭隧道Ⅰ线进口结算情况,制订本项目TBM掘进投标报价策略[5,6]。本文以TBM掘进长大隧洞投标报价策略的总结与讨论,以便今后类似工程报价或编制控制价提供借鉴经验。
1 标段概况及地质情况
本项目引水隧洞以TBM法为主,钻爆法为辅的联合施工方案,TBM施工段以石英二长岩、混合花岗岩、二长花岗岩地层为主,单轴抗压强度:30 MPa～70 MPa。
主洞工程34 378.18 m,通过4个支洞斜井口和一个隧道出口掘进。采用钻爆工法施工5 992 m,TBM施工28 386 m,其中Ⅱ级占26%,Ⅲa级占35%,Ⅲb级占24%,Ⅳ级占14%,Ⅴ级占1%。业主控制价114 700万元。
2 标段设计情况
TBM施工段,采用圆形断面,开挖直径8.5 m。Ⅱ级不喷不衬,Ⅲa级局部喷射混凝土,不施作衬砌混凝土,Ⅲb级做喷锚支护,衬砌混凝土厚35 cm,Ⅳ,Ⅴ级作喷锚支护,衬砌厚30 cm,用C30混凝土衬砌。钻爆法施工段全部施作衬砌混凝土。
3 投标阶段风险识别及应对措施
投标阶段风险识别及应对措施见表1。
4 分析平均掘进月进度指标
1)本项目TBM掘进按倒排工期,平均掘进指标:630 m/月。
2)我公司和其他单位已完工程的大伙房水库一期工程,平均掘进指标:500 m/月。
3)按照工期平均掘进进尺630m/月,存在工期的履约风险,需采取措施,增加管理成本,确保按合同工期履约。
4)TBM掘进,计划掘进平均指标:630 m/月,国内大直径掘进机施工还未实现。通过专家审核地质资料、施工环境、合同条款,认为本项目月平均指标可达450 m～550 m,存在较大的工期风险,需用钻爆工法接应TBM掘进5 886 m,反之,总工期滞后6个月,预计增加固定成本(管理人员工资、机车、门吊折旧费等)1 457万元、可变成本(机车和门吊配件费、掘进工人工资、电费等)921万元。
招标文件拟定工期:28 386 m/2台/630 m/月=22.5月。
投标文件计算工期:22.5月×2台×500 m/月=22 500 m。
钻爆工法接应长度:28 386 m-22 500 m=5 886 m,5 886 m/2台/500=6月。
5 投标报价标前分析
5.1 评估业主控制价格
通过本项目标前技术经济指标分析(已完工的辽宁省大伙房水库、西安南京铁路磨沟岭隧道)类似工程结算价盈亏情况、市场价格水平比较,认为直径8.5的2台套TBM,无后续项目,考虑财务成本后,在TBM摊销不低于75%的前提下,中标价约11.4亿元的项目(TBM掘进指标:3.3万元/延米),项目利润不足3%,项目成本风险较大。
5.2 通过施工技术方案评审,评估招标图设计
各项目指标如何报价,也成为项目决策成败的因素之一。通过成本预测,确定TBM掘进子目按项目成本价报价。当地质变化,围岩级别调整,TBM开挖工程量不变,而湿喷混凝土、衬砌混凝土、锚杆等,会随围岩级别的变化增加工程量。因此,在总价不变的情况下,工程量较大的TBM掘进、湿喷混凝土、衬砌混凝土子目单价较关键。
如TBM开挖报价减少5元/m3,湿喷混凝土单价可提高12.64%(5元/m3×56.745 m3/延米/2 245元=12.64%)。
从表2 Ⅲb级分析,当TBM掘进单价按成本价单价报价,初期支护综合单价可获利润(2 792-2 223)/2 792=20.4%、衬砌混凝土综合单价可获利润(8 429-6 388)/8 429=24.2%。若施工发生地质变化,将Ⅲa级变为Ⅲb级,则每延米可增加利润2 611元/m-702元/m=1 909元/m。
5.3 分析钻爆工法接应TBM工法施工段利润增、减情况
当工期滞后,采用钻爆工法接应TBM掘进。
钻爆工法,如Ⅲb级报价指标:24 356元/延米(主要指标,凿岩台车洞挖:185元/m3、湿喷射混凝土C30W:1 082元/m3、衬砌混凝土C30W10F200:700元/m3)。
钻爆工法,如Ⅲb级成本指标,20 438元/延米(主要指标,凿岩台车洞挖(含抽水、斜井出碴费用等):150元/m3、湿喷射混凝土C30W:870元/m3、衬砌混凝土C30W10F200:560元/m3 )。
TBM工法转换成钻爆工法完成5 586 m掘进,则可增加利润(3 918元/m×5 886 m)2 306万元。当扣减TBM摊销成本9 420元/m,则项目总的利润减少(3 918元/m-9 420元/m)×5 886 m=-3 238万元。
因此,TBM掘进为主的项目还是要加强现场管理,以快速掘进为主,才可实现预期效益。设想用钻爆法接应TBM施工段,虽可实现承包人按合同工期履约,发包人按招标计划工期通水,但完工结算,按实际施工工法单价计量、计价,在TBM摊销成本不变的情况下,结算合同总价减少,无法实现承包人预期效益。
6 结语
1)TBM投标,如果TBM不能在其寿命期内连续使用,则由于设备的折旧及维修保养费用高而导致其经济性变的很差。若没有后续项目,一个项目除残值或厂家回购费用外,使TBM的设备购置费在一个项目摊销,降低承包人投资风险。
2)采用TBM工法投标项目,作为承包人标前应评估各种风险因素。在标前技术经济分析时应考虑工期、地质、合同条款风险等因素,同时为了有一个好的投资收益,投标定价策略应认真探讨,合理应用。
3)作为发包人,编项目投资估算时也应考虑长大隧道施工地质、设备风险、材料涨价风险等。在招标期间,编控制价格应考虑风险费用,不应无畏的降低控制价,减少工程投资。招标文件的专用条款,应考虑责任、义务,费用对等,不能将风险全部转嫁给承包人。
4)与民生有关的工程,缩短建设工期、赢得建设时间往往成为发包人头等关心的问题,缩短建设工期或按合同履约不仅能提高项目本身的经济效益,还有利于提高项目的社会效益。当承包人为了维护既有市场,企业信誉,不惜成本投入人力和设备、财务资源,实现合同工期目标,发包人完工结算也应考虑承包人的投资收益。
摘要：以某工程为例,通过对招标文件、专用条款、技术条款、工期及进度指标分析、TBM采购方式、业主招标控制价价格等因素评审,结合类似项目已完工程TBM掘进工程成本,制订了项目投标报价策略,以便工程应用。
关键词：TBM,投标报价策略,成本
参考文献
[1]中铁隧道集团大伙房水库输水工程TBM2标项目部.辽宁省大伙房水库输水工程TBM2标施工技术总结[Z].2008:30-31.
[2]中铁隧道集团大伙房水库输水工程TBM2标项目部.辽宁省大伙房水库输水工程TBM2标施工审计后的结算报表[Z].2011:1-20.
[3]中铁隧道集团大伙房水库输水工程TBM2标项目部.辽宁省大伙房水库输水工程TBM2标施工完工财务报表[Z].2011:1-30.
[4]GF-2000-0208,水利水电工程土建工程施工合同条件[S].
[5]全国造价工程师执业资格考试培训教材编审组.全国造价工程师执业资格考试培训教材——工程造价计价与控制[M].北京:中国计划出版社,2009:245-247.
TBM掘进机 篇6
关键词：敞开式TBM,掘进初期,主机振动,刀具磨损,设备故障
辽西北供水工程是采用敞开式TBM施工的引水隧道工程, 由于该隧道岩层较硬, 掘进初期, 遇到了主机振动大、刀具磨损及后配套设备故障率高等问题, 这些问题严重影响了TBM的施工安全和进度, 如何解决, 是后续工程能否按期完成的关键。
1 工程概况
辽西北供水工程二段五标采用北方重工与罗宾斯联合生产的敞开式TBM进行施工, 其开挖直径为8.53m, 第一阶段掘进里程为128+542~122+800, 全长5 742m。本标段围岩类别以Ⅲ类为主。洞顶埋深21~425m, 洞室围岩主要岩性为石英二长岩, 以微风化为主, 属中硬~坚硬岩;节理不发育~较发育, 节理面多平直光滑, 局部起伏粗糙, 微张~闭合, 一般无充填;岩体较破碎~完整性差, 局部较完整;地下水一般呈渗水~滴水状态, 局部呈线状流水状态。
2 TBM掘进初期状况
该敞开式TBM于2014年1月21日始发掘进, 截至第96天, 累计掘进943m, 日平均掘进9.82m。通过对4月6日至4月26日3周掘进情况的分析, 设备故障率10.5%, 设备利用率38.1%。4月份3周的设备故障所占比例8.5%、11.0%、12.1%。综合3周的时间利用情况, 主要工序时间比例见表1。
从表1可以看出, 除正常工序停机以外, 刀具检查更换和其它工序停机所占比例较高, 其中其它工序停机的主要因素有:施工用水不足、停电、测量系统问题、现场缺少熟练人员及部件的到货周期长等。
3 设备主要问题分析
3.1 主机振动大
1) 主机振动大的表现TBM主机部位振动大, 主梁本身无开裂和螺栓松动现象, 主梁上的附属结构件 (如工作平台、爬梯、扶手、支架等) 开裂和螺栓松动、断裂的情况较多;液压管排松动频繁, 需要耗费大量人力紧固维护;电气连接线路松动, 导致电气故障频发。顶护盾前、后侧油缸座子销子断裂过3次;4#主电机刹车保护罩的螺栓频繁断落, 刀盘刹车密封和刹车油管损坏。
2) 原因分析 (1) 围岩岩性为石英二长岩, 岩石微风化, 属中硬岩~坚硬岩, 抗压强度160MPa, TBM推进压力需要保持在290~320bar左右才能掘进; (2) TBM掘进时, 顶护盾和侧护盾与岩壁之间贴合不紧密、间隙较大, 严重影响机头架的固定效果如图1所示; (3) 刀具质量存在问题。刀圈崩刃、断裂及楔块掉落现象较多, 对比其他标段罗宾斯TBM施工情况, 本台设备的刀具更换量较大, 截至目前已更换近86把, 约1把/11m。由于刀具损坏频繁, 造成刀盘扭矩较大波动。
3) 处理措施 (1) 按4种工况 (表2) 用故障诊断仪, 对TBM的主梁、主电机、机头架、顶支撑和侧支撑进行了振动数据采集, 根据刀盘5rpm工况下主电机和机头架的振动数据可以看出:主驱动电机振动值严重超标, 但这数值是由主电机自身振动和TBM主机的振动值叠加所致, 此外, 与用于兰渝铁路西秦岭隧道的罗宾斯TBM振动数据进行了对比分析, 辽西北TBM机头架振动值比西秦岭TBM的振动值大十多倍; (2) 定期维保和检查刀具时, 必须同时对主机重要结构件 (主梁、护盾等) 焊缝及连接螺栓进行专项检查并记录, 发现问题及时处理; (3) 严格按照规定对TBM主机实施连续的状态监测, 可以预测即将出现的重大故障, 做到防患于未然; (4) 刀盘转速适当降低。根据动量作用公式P=MV可知, 刀盘的转速越大则刀盘的冲量越大, 刀盘的冲量越大则TBM主机振动越大, 实际的振动测试数据也说明了这点。
3.2 刀具更换频繁
1) 问题现象刀具损坏现象主要为刀圈崩刃、断裂及血块松脱掉落。TBM累计掘进943m时, 共计更换86把刀具, 约1把/11m, 跟辽西北供水工程其它标段相比, 刀具更换频率明显偏大。
2) 原因分析 (1) 推进压力超过300bar时, TBM主机振动较大, 易造成刀具螺栓松动; (2) 掘进初期阶段使用的刀具刀圈和螺栓存在质量缺陷。
3) 处理措施 (1) 尽可能全部更换为进口高质量刀具; (2) 适当增加掘进期间检查刀盘刀具的频率, 初次换刀后掘进一环后立即再次拧紧螺栓; (3) 根据刀盘滚刀数量和承载力, 掘进期间限制总推力, 以避免刀具的过度磨损。 (4) 适当降低推进速度
3.3 其它设备故障
该TBM还有一部分故障是设计缺陷所致, 主要表现为以下几方面:
1) 拖拉油缸由于主机与设备桥之间的拖拉油缸油管设计过短, 导致拖拉油缸伸缩行程达不到1.8米, 故暂时将油缸短接。
2) 喷浆机喷混支护时, 回弹料会掉落在喷浆机械手伸缩大臂 (隧道轴线方向) 表面, 在大臂回缩后会有部分残渣进入大臂伸缩腔间隙内, 时间长了会造成大臂回缩困难;目前, 采取的措施是在大臂回缩前及时人工清除大臂表面的回弹料, 这在一定程度上增加了喷浆作业时间。
3) 皮带机由于2#皮带的刮板座与3#皮带机的防护挡板存在干涉, 造成2#皮带驱动滚筒处不能调整张紧油缸;采取措施是割除3#皮带机防护挡板的干涉部分。
4) 水管卷筒由于驱动功率设计偏小, 延伸水管卷筒收放时因阻力过大电机频繁跳停;采取的措施是在延伸水管上增设托辊以减小收放水管时产生的阻力。
4 结论与建议
辽西北供水工程TBM掘进初期施工进度不理想, 主要原因是主机振动偏大引起的一系列设备问题, 此外TBM上的相关设备设计上也存在一定缺陷, 这些因素都增加了设备故障率, 严重影响了施工进度。通过这些现象, 提出以下几点建议。 (1) TBM应在工厂内经过完整的设备调试后再出厂, 采取工地组装同步进行设备调试是造成TBM始发掘进期间设备故障较多的一个原因; (2) TBM工厂监造期间, 需要重点关注顶护盾、侧护盾的加工精度及后配套相关设备的动作是否存在干涉; (3) 加强主机振动监测, 平时注意观察、搜集和分析同一机型在不同工况下的振动数值, 逐步确定出TBM在不同工况下的正常振动数值范围; (4) 尽量使用进口高质量刀具, 制定刀盘、刀具定期检查工作制度, 根据不同围岩、不同工况及时调整检查刀盘刀具的频率; (5) 针对围岩条件认真研究和制定TBM的掘进参数并严格执行, 同时提高对掘进参数变化的敏感度, 对于掘进参数的异常变化要注意观察、整理和分析, 及时对刀盘刀具和设备的状态进行检查确认, 制定掘进参数异常变化的管理制度和措施; (6) 严格培训, 使用熟练操作手, 规范操作行为。
参考文献
[1]周晓然.TBM在我国的发展及应用前景[J].山西机械, 2008, 34 (14) :336-337.