整理开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩软岩地层的施工技术.docx
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整理开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩软岩地层的施工技术
开敞式TBM在铁路长隧道特硬岩、软岩地层的施工技术
一、φ8.8mTBM施工的秦岭隧道
（一）秦岭特长隧道TBM施工
秦岭隧道位于安康铁路线上，是我国最长单线铁路隧道，全长18.46km，进出口高差约155m。
是国外铁路应用TBM施工的第三座长隧道（英法海峡隧道，瑞士费尔爱那铁路隧道）。
（1）地质条件
横穿秦岭东西向构造带，历经多期构造运动、变质作用、岩浆活动和混合岩化作用，地质构造和地层岩性都很复杂。
岩性以混合花岗岩、混合片麻岩等坚硬岩石为主，干抗压强度78~325MPa。
岩体完整,节理不多。
断层带裂隙多、裂隙水发育。
存在地热、高地应力及岩爆等不良地质。
（2）断面设计
隧道设计为圆形断面，开挖直径8.8m，成洞直径7.7m。
（3）施工方法
秦岭I线隧道采用2台敞开式全断面TBM（TB880E型）掘进、有轨运输、全圆穿行式模板台车进行二次模筑混凝土衬砌的施工方案。
单工序作业，先开挖、后衬砌。
（4）施工六大难题
1）TBM制造难（五大技术难点）：
①大直径；②大扭矩（5500kN·m）；③大推力（21000kN）；④大功率（刀盘功率3440kW、总功率5400kVA）；⑤寿命长（主轴承＞10000h、密封圈＞12000h），备轴承1个，可开挖40km寿命。
直径大（φ＝8.8m），从制造到实用均承担机械设备设计、制造风险和施工风险。
国外成熟的TBM掘进机的直径均在3~6m范围，占生产总数的95%左右，大于6m直径的很少，真正用于铁路隧道的更少，因为铁路隧道控制掘进方向比其他用途的隧道要严得多。
2）岩石硬度很大，主要在混合片麻岩和混合花岗岩中掘进。
岩石抗压强度大于100MPa，最高达200MPa以上，石英含量均在10~35%，节理少、整体强，有岩爆（1000m埋深）。
所以刀具的磨耗也很严重，这个风险在国外也是少有的。
由于选用开放式TBM，通过软岩地层也难，所以在穿越各软弱地层、断层时，会产生围岩失稳、涌水等地质灾害，但通过两座软弱围岩施工，证明是可行的。
3）TBM施工系统性强、配套严密，首次使用TBM存在使用、维护等系统管理的问题。
如何用好、管好、养好、修好、组装好、调试好、配套好这条长256m、重3000t庞然大物是关系成败的关键。
4）用高精度的定位系统和掘进过程中高精度快速调整方向的能力（±30mm）。
5）施工中如何确定不同掘进参数以适应各种不同地质特点，实现安全、快速、经济掘进。
6）工期紧。
不允许在施工中出现失败和差错，所以在进度上、质量上、安全上压力很大。
加之，开挖和衬砌不能也不允许平行作业，所以在整体道床衬砌施工中月突破超千米的记录的同时，设备的投入也是非常大，成本相对增加不少。
如何突破施工六大难点，是秦岭隧道TBM成功施工的关键。
为此铁道部立项，联合多家科研、设计及施工单位共同攻关，开展TBM施工技术研究。
以工程为背景，从规划、设计、制造、运输、拼装、调试到施工完成拆卸（100个集装箱）进行全过程的研究，重点对九项配套技术进行了研究。
（二）主要施工进展介绍
（1）研究了TBM施工前的场地布置，因这是关系到运输系统能否快速出碴、进料及运输大型仰拱砌块的关键。
（2）首先编制TBM拼装、步进方案与施组，确定安全和质量，于1997年11月8日组装完毕，1997年12月完成步进工作面，开始TBM一次试机成功，并能保证掘进速度为1.8m/h，各项指标基本符合设计要求。
（3）对混凝土预制管片厂及工艺流程的研究，尤其对混凝土配合比的实验研究，对控温、恒温、养护进行了研究，建立了一套规则，确保管片不产生微裂缝，不受冬季温差过大的影响。
（4）在现场从1997年底试推进到1998年3月转入正常施工推进，为研究TBM推力、扭矩、贯入度三者与施工进度之间的关系，进行了状态监测，研究各性能参数随围岩类别、抗压强度、裂隙状况不同的变化规律，为合理选择、优化组合参数、实现快速掘进、降低能源消耗、刀具消耗提供依据。
①利用PLC自动管理软件，进行每10秒对刀盘掘进速度、刀盘转速、推力、扭矩、贯入度、功率得用率6个参数跟踪记录。
②每20分种将记录打印出业，进行分析，共采集6万多个数据，其中有效数据有2万多个，进行曲线拟合，建立相应回归方程，提高施工。
（5）在掘进过程中，对不同地层进行进度分析，从97年12月试掘进，到98年4、5月分别完成月掘进超过400m，称为高产期。
6月份降到0.79m/h、月掘进为248m；7月份又降到140m/月左右，进入完整而坚硬的花岗岩之区段，最慢步进1.8m用5小时零2分钟，称为难产期，刀具消耗明显增大。
总结：
纯掘进共1135h，耗损刀具470把，换刀停时累计达814h，TBM掘进利用率平均在0.4左右，耗水量2000t/d，耗电量平均2500kW·h/m，98年元月份高达4469kW·h/m，4月份降到月进尺400m左右时，耗电2069kW·h/m。
针对地质变化直接影响进度的难题，在现场对刀具的安装、贯入度、推力进行研究调整，尤其对换刀组进行了分析，发现换刀时间过长，占总循环时间30％左右。
（换刀时间从原来的90～120min，降到30min，大大提高了机械利用率）。
原因是：
刀体重157kg，要在高度不足1.3m的铁壁“猫耳洞”中工作，全洞温度高达50℃以上，困难很大，尤其要清理刀体支座，基座找平、扭紧M24×230四个固定螺栓难度更大。
我们采取了垫紧钢片、粘结、改善安装环境等方法，把换刀时间从90~120min缩短到30min,大大提高了TBM机时利用率。
（6）在整个掘进中，发现刀具的磨耗量大，刀圈寿命平均为139~158h就需更换，小于规定的180h，Ⅱ级硬岩刀圈平均寿命仅95.3h，刀体本身有的轴承不好，刀体消耗量也大，3把刀圈就要更换刀体（1:
3），原要求1:
5，所以刀体、刀圈国产化的问题必须加快正式提出，于是和有关轴承厂、矿机厂等单位联系，建立了刀具国产化小组。
（图）
（7）在推进过程中发现该TBM存在主要问题是:
•刀盘强度不够焊缝开裂；
•主轴承密封圈不良，造成液压油和润滑齿轮油混合，造成润滑系统的润滑油粘度减少一半，影响安全施工；
•8个驱动刀盘的齿轮减速箱，其中4个漏水，漏水量130m3/d，另外大小问题达130多个，说明该台TBM在制造质量上有不少重大问题。
（8）后配套运输系统与TBM掘进配合好坏，是决定施工进度的主要内容之一，对机车、碴车、人车、仰拱块车、混凝土喷料、注浆料及设备等进行了全面的研究，列出详细的往返运行图,并根据掘进长度得出三列碴车参加碴石运输循环能满足1-9km的掘进需要，并对每个环节进行了时间实测与整理。
原研究设计希望轨道按四轨三线制铺设，但由于车距不够，铺设了四轨二线，这给后部衬砌工序带来了较大困难，增大了浮放道岔的长度数量和工作量，是本次工作中的不足。
（9）在施工过程中对安全供电、节电做了调查和研究，按设计要求完善了安全供电和自控，洞外用25/10kV变电站结构紧凑，高压系统监控引入微机系统，能实现现场监控操作，可实现在2.8s内快速排除故障。
洞内用10/0.4（0.66）kV移动式变电站，有继电保护、过负载保护及检漏保护装置。
在整个施工中没出现任何问题，在10kV高压接头方面还需要进行国产化开发，以降低造价。
（10）如何在山岭隧道TBM施工中做到准确的控制方向，减少误差，我们在GPS全球定位测量和提高洞内控制测量精度性能上做了大量工作，提出了洞内控制测量的具体要求与措施，和ZED—260激光导向系统配合，实现了横向贯通误差为10mm，高程贯通误差为4mm，纵向贯通误差为13mm，TBM掘进偏差为30mm的很好成果，大大低于《测规》的要求。
（11）在整个施工过程中，编写了有关国内外TBM施工技术资料培训教材与10册情报资料，并编写了有关工法。
收集、整理翻译了有关国外大吨位内燃牵引机车的技术资料，由长沙铁道学院负责并出版了这方面的专著。
（三）、主要研究内容（9大技术难点、31项关键技术）
（1）TBM施工组织技术（4项）
（2）刀具耗损、施工进度与围岩特性关系（3项）
（3）TBM刀具国产化研究（4项）
（4）TBM在不良地质段的施工技术（5项）
（5）TBM施工中的测量控制技术（3项）
（6）仰拱预制块的制作及安装工法（3项）
（7）内层衬砌和整体道床快速施工（4项）
（8）TBM施工的有轨快速运输系统（3项）
（9）TBM施工通风及水电供应系统（2项）
通过以上九项配套技术研究开发，31个关键技术的攻关，实现了TBM安全快速掘进的目标，创造了TBM日掘进40.5m，月掘进528.1m的全国最高纪录，平均月掘进为288m；创造了TBM日最高机时利用率78%，月最高机时利用率58%，平均机时利用率42%，达到了TBM综合管理世界先进水平（40%）；在测量方面首次试用洞外GPS测量，高程为一等水准，洞内为一等光电测距和三等水准控制的先进技术，确保秦岭隧道贯通误差精度横向10mm，纵向13mm，高程4mm的世界先进水平；利用ZED—260导向系统实现TBM掘进过程中偏差控制在±30mm；创造了衬砌快速施工34m/d，弹性整体道床50m/日的全国最高纪录；实现了刀具国产化，节约刀具成本50%；仅用23天在隧道内实现拆卸刀盘、主轴承（φ＝5.2m）更换密封圈，成为这一技术领域的创举；快速预制大吨位仰拱块方面创造了17套钢模每天周转一次的最高纪录等。
二、φ8.8mTBM在磨沟岭、桃花铺铁路隧道成功掘进的案例
（1）装有超前钻机。
（2）装有锚杆钻机。
（3）可及时喷射混凝土。
（4）钢拱架安装器。
TB880E掘进机主要技术参数是否适合乌鞘岭隧道地质掘进参数的分析。
结论：
•采用超前预报技术，应用TSP—202设备对TBM前方不良地段进行预测及预加固技术；
•TBM通过岩爆地段施工技术；
•TBM通过断层破碎段施工技术在磨沟岭和桃花铺隧道成功运用证明：
开敞式TBM+软岩支护后配套方案是成功的，能体现快速支护的特点。
•TBM掘进时突发涌水处理技术。
•TBM撑脚处围岩加固技术。
•应用开敞式TBM和配属能进行软弱围岩支护功能的后配套设备，在磨沟岭和桃花铺隧道突破了开敞式TBM能在软弱围岩条件下进行安全掘进的难题，并创造了日掘进、快支护41.3m和月掘进、快支护574m快速的施工纪录。
《测量学》模拟试卷
得分
评卷人
复查人
1．经纬仪测量水平角时，正倒镜瞄准同一方向所读的水平方向值理论上应相差（A）。
A180°B0°C90°D270°
2.1：
5000地形图的比例尺精度是（D）。
A5mB0.1mmC5cmD50cm
3.以下不属于基本测量工作范畴的一项是（C）。
A高差测量B距离测量C导线测量D角度测量
4.已知某直线的坐标方位角为220°，则其象限角为（D）。
A220°B40°C南西50°D南西40°
5.由一条线段的边长、方位角和一点坐标计算另一点坐标的计算称为（A）。
A坐标正算B坐标反算C导线计算D水准计算
6.闭合导线在X轴上的坐标增量闭合差（A）。
A为一不等于0的常数B与导线形状有关C总为0D由路线中两点确定
7.在地形图中，表示测量控制点的符号属于（D）。
A比例符号B半依比例符号C地貌符号D非比例符号
8.在未知点上设站对三个已知点进行测角交会的方法称为（A）。
A后方交会B前方交会C侧方交会D无法确定
9.两井定向中不需要进行的一项工作是（C）。
A投点B地面连接C测量井筒中钢丝长度D井下连接
10.绝对高程是地面点到（C）的铅垂距离。
A坐标原点B任意水准面C大地水准面D赤道面
11．下列关于等高线的叙述是错误的是：
（A）
A．高程相等的点在同一等高线上
B．等高线必定是闭合曲线，即使本幅图没闭合，则在相邻的图幅闭合
C．等高线不能分叉、相交或合并
D．等高线经过山脊与山脊线正交
12．下面关于非比例符号中定位点位置的叙述错误的是（B）
A．几何图形符号，定位点在符号图形中心
B．符号图形中有一个点，则该点即为定位点
C．宽底符号，符号定位点在符号底部中心
D．底部为直角形符号，其符号定位点位于最右边顶点处
13．下面关于控制网的叙述错误的是（D）
A．国家控制网从高级到低级布设
B．国家控制网按精度可分为A、B、C、D、E五等
C．国家控制网分为平面控制网和高程控制网
D．直接为测图目的建立的控制网，称为图根控制网
14．下图为某地形图的一部分，各等高线高程如图所视，A点位于线段MN上，点A到点M和点N的图上水平距离为MA=3mm，NA=2mm，则A点高程为（A）
A．36.4m
B．36.6m
C．37.4m
D．37.6m
15．如图所示支导线，AB边的坐标方位角为
，转折角如图，则CD边的坐标方位角
为（B）
A．
B．
C．
D．
16．三角高程测量要求对向观测垂直角，计算往返高差，主要目的是（D）
A．有效地抵偿或消除球差和气差的影响
B．有效地抵偿或消除仪器高和觇标高测量误差的影响
C．有效地抵偿或消除垂直角读数误差的影响
D．有效地抵偿或消除读盘分划误差的影响
17．下面测量读数的做法正确的是（C）
A．用经纬仪测水平角，用横丝照准目标读数
B．用水准仪测高差，用竖丝切准水准尺读数
C．水准测量时，每次读数前都要使水准管气泡居中
D．经纬仪测竖直角时，尽量照准目标的底部
18．水准测量时对一端水准尺进行测量的正确操作步骤是（D）。
A对中----整平-----瞄准----读数A整平----瞄准----读数----精平
C粗平----精平----瞄准----读数D粗平----瞄准----精平----读数
19．矿井平面联系测量的主要任务是（D）
A实现井上下平面坐标系统的统一B实现井上下高程的统一
C作为井下基本平面控制D提高井下导线测量的精度
20．井口水准基点一般位于（A）。
A地面工业广场井筒附近B井下井筒附近
C地面任意位置的水准点D井下任意位置的水准点
得分
评卷人
复查人
21水准测量中，为了进行测站检核，在一个测站要测量两个高差值进行比较，通常采用的测量检核方法是双面尺法和。
22直线定向常用的标准方向有真子午线方向、_____磁北方向____________和坐标纵线方向。
23地形图符号一般分为比例符号、_半依比例符号_________________和不依比例符号。
24井下巷道掘进过程中，为了保证巷道的方向和坡度，通常要进行中线和____________的标定工作。
25测量误差按其对测量结果的影响性质，可分为系统误差和_偶然误差______________。
26地物注记的形式有文字注记、______和符号注记三种。
27象限角的取值范围是：
0-90。
28经纬仪安置通常包括整平和对中。
29为了便于计算和分析，对大地水准面采用一个规则的数学曲面进行表示，这个数学曲面称为参考托球面。
30光电测距仪按照测量时间的方式可以分为相位式测距仪和差分。
得分
评卷人
复查人
31．竖盘指标差
竖盘分划误差
32．水准测量
利用水准仪测定两点间的高差
33．系统误差
由客观原因造成的具有统计规律性的误差
34．视准轴
仪器望远镜物镜和目镜中心的连线
得分
评卷人
复查人
35．简述测回法测量水平角时一个测站上的工作步骤和角度计算方法。
对中，整平，定向，测角。
观测角度值减去定向角度值
36．什么叫比例尺精度？
它在实际测量工作中有何意义？
图上0.1毫米在实地的距离。
可以影响地物取舍
37．简述用极坐标法在实地测设图纸上某点平面位置的要素计算和测设过程。
38．高斯投影具有哪些基本规律。
得分
评卷人
复查人
39．在1：
2000图幅坐标方格网上，量测出ab=2.0cm,ac=1.6cm,ad=3.9cm,ae=5.2cm。
试计算AB长度DAB及其坐标方位角αAB。
40．从图上量得点M的坐标XM=14.22m,YM=86.71m；点A的坐标为XA=42.34m,YA=85.00m。
试计算M、A两点的水平距离和坐标方位角。
测量学标准答案与评分说明
一、一、 单项选择题（每题1分）
1A；2D；3C；4D；5A；6C；7D；8A；9C；10C；
11A；12D；13B；14A；15B；16A；17C；18D；19A；20A
二、二、 填空题（每空2分，共20分）
21变更仪器高法
22磁北方向
23半依比例符号（或线状符号）
24．腰线
25．偶然误差
26．数字注记
27大于等于0度且小于等于90度（或[0°,90°]）
28对中
29旋转椭球体面
30脉冲式测距仪
三、三、 名词解释（每题5分，共20分）
31竖盘指标差：
在垂直角测量中，当竖盘指标水准管气泡居中时，指标并不恰好指向其正确位置90度或270度，而是与正确位置相差一个小角度x,x即为竖盘指标差。
32水准测量：
利用一条水平视线并借助于水准尺，测量地面两点间的高差，进而由已知点的高程推算出未知点的高程的测量工作。
33系统误差：
在相同的观测条件下，对某量进行了n次观测，如果误差出现的大小和符号均相同或按一定的规律变化，这种误差称为系统误差。
34视准轴：
望远镜物镜光心与十字丝中心（或交叉点）的连线。
四、四、 简答题（每题5分，共20分）
35
（1）在测站点O上安置经纬仪，对中，整平（1分）
（2）盘左瞄准A点，读数LA，顺时针旋转照准部到B点，读数LB，计算上半测回角度O1=LB-LA；
（2分）
（3）旋转望远镜和照准部，变为盘右方向，瞄准B点读数RB，逆时针旋转到A点，读数RA，计算下半测回角度O2=RB-RA；（3分）
（4）比较O1和O2的差，若超过限差则不符合要求，需要重新测量，若小于限差，则取平均值为最终测量结果O=（O1+O2）/2（5分）
36
图上0.1mm对应的实地距离叫做比例尺精度。
（3分）
其作用主要在于：
一是根据地形图比例尺确定实地量测精度；二是根据地形图上需要表示地物地貌的详细程度，确定所选用地形图的比例尺。
（5分）
37
要素计算：
从图纸上量算待测设点的坐标，然后结合已有控制点计算该点与控制点连线之间的方位角，进而确定与已知方向之间所夹的水平角，计算待测设点到设站控制点之间的水平距离。
（3分）
测设过程：
在设站控制点安置经纬仪，后视另一控制点，置度盘为0度，根据待定方向与该方向夹角确定方向线，根据距离确定点的位置。
（5分）
38
高斯投影的基本规律是：
（1）
（1）中央子午线的投影为一直线，且投影之后的长度无变形；其余子午线的投影均为凹向中央子午线的曲线，且以中央子午线为对称轴，离对称轴越远，其长度变形也就越大；
（2）
（2）赤道的投影为直线，其余纬线的投影为凸向赤道的曲线，并以赤道为对称轴；
（3）（3）经纬线投影后仍保持相互正交的关系，即投影后无角度变形；
（4）（4）中央子午线和赤道的投影相互垂直。
评分说明：
答对一条得2分，答对三条即可得满分。
五、五、 计算题（每题10分，共20分）
39
bd=ad–ab=1.9cm，因此△X=-38m；
ce=ae–ac=3.6cm,因此△Y=-72m;（3分）
（或由图根据比例尺和距离计算A、B两点的坐标）
因此距离为：
81.413m（6分）
AB的方位角为：
242°10′33″（10分）
（方位角计算应说明具体过程，过程对结果错扣2分）
40
△X=XA–XM=28.12m,△Y=YA–YM=-1.71m（2分）
距离d=（△X2+△Y2）1/2=28.17m（5分）
方位角为：
356°31′12″（应说明计算过程与主要公式）（10分）
可通过不同方法计算，如先计算象限角，再计算方位角。
说明：
在距离与方位角计算中，算法公式对但结果错各1分
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