超高强度硬岩TBM安全高效掘进关键技术

  广东水电二局股份有限公司、广东省水利电力勘测设计研究院有限公司、广东省粤东三江连通建设有限公司

  谢祥明、周南龙、姚礼敏、徐文秀、金永就、乔晓锋、胡江涛、廖峻杰、吴海华、李 愉、甘大钦、郑 娟、陈一兵、钟 哲、黄红梅、文 涛、王军涛

  1、课题任务来源 属企业自选课题。 2、应用领域和技术原理 本技术可应用于长距离高强度硬岩隧洞TBM掘进施工领域，其关键技术及其原理如下： （1）超高强度硬岩TBM刀具布置及掘进参数控制研究 通过增加滚刀数量，加大滚刀直径等措施使刀盘更加适应硬岩掘进，提高了刀盘的掘进效率。通过统计分析掘进参数的分布和变化规律以及各参数的相关性，总结出适合本项目超高强度硬岩掘进的合理参数。在项目实施过程中，掘进6309.9m，刀具消耗563把，平均每米消耗刀具0.089把/m，远小于类似工程刀具消耗水平；施工进度平均月进尺达到了600米，月最高进尺达到693米，相较于其他类似硬岩掘进工程，掘进效果非常明显。通过实践证明，该刀盘选型适用于隧洞围岩，刀盘选型合理，掘进参数控制合理。 （2）TBM快速掘进关键技术 研发了基于CC-LINK现场总线技术和光纤中继器的超长距离带式输送机急停控制管理系统，实现了多段皮带机协同高效作业，解决了超长隧洞掘进高效出渣技术难题。 研发了一种皮带机回收装置，皮带回收装置以类似于连续皮带正常工作状态的驱动速度，通过设计的回收装置以同等的速度将皮带予以回收。 研发了连续皮带机同步安装装置，优化了连续皮带机施工工艺，可以在不停机的状态下同步安装皮带机各类支架。 研发了二次注浆平台装置，下部利用弧形立柱形成运输通道，上部利用设备平台空间形成操作空间，保证了二次注浆的连续性，避免了原施工工艺条件下需停机注浆的现象，提高了施工效率。 （3）TBM变洞径空推步进方法 本项目研发了一种TBM变洞径空推步进方法，解决了TBM变洞径空推步进的技术难题。其原理是将原配套固定承重轮改为内置油缸可伸缩结构，通过调整承重轮内置油缸行程，使其能适应各种洞径尺寸的变化，提高TBM的适应性和空推步进效率。另外，考虑到撑靴在洞径变大的情况下，撑靴支撑的围岩稳定性不足，使用预制块代替拼装管片来提供反力，以保障TBM空推步进的稳定性。 3、性能指标 （1）通过开展超高强度硬岩TBM刀具布置及掘进参数控制研究，优化了刀具选型布置和确定了最优掘进参数，TBM在100-150MPa强度围岩工况下掘进，施工进度平均进尺达到了600米/月，最高进尺可达693米/月，平均刀具消耗0.089把/m，解决了高强度硬岩工况TBM掘进效率低、刀具损耗大等施工难题，达到了TBM安全高效掘进的施工效果。 （2）研发了长距离带式输送机急停控制系统、连续皮带机同步安装装置和二次注浆平台等，降低了出渣系统故障率，提高了TBM利用率，实现了多段皮带机协同高效作业，解决了超长隧洞掘进高效出渣技术难题。 （3）研发了一种TBM变洞径空推步进方法，优化了TBM空推步进施工工艺，将原配套固定承重轮改为内置油缸可伸缩结构，通过调整承重轮内置油缸行程，使其能够适应任何洞径尺寸的变化，实现了TBM安全高效空推步进。采用该方法空推步进速度由原来的每天30m提高到每天90m，空推步进效率提高了2倍。 4、成果的创造性和先进性 研发了TBM硬岩刀具优化布置及掘进参数控制技术，有效控制了刀具损耗，提高了掘进速度，在平均强度为100~150MPa花岗岩隧道施工中，刀具消耗0.089把/m；施工进尺月平均达600米以上（最高月进尺693米），实现了TBM在超高强度硬岩隧洞安全高效掘进。 研发了超长隧洞TBM掘进高效出渣关键技术，采用CC-LINK现场总线技术和光纤中继器，实现了急停控制管理系统稳定性运行和故障点定位能力，解决了多段皮带机系统协同高效作业技术难题；研发了连续皮带机同步安装装置和输送机皮带回收装置，实现了皮带机不停机连续安装以及皮带高效率低成本回收；研发了二次注浆平台，实现了同步二次注浆，保证了注浆的连续性和注浆效果，加快了施工进度。 研发了TBM变洞径空推步进方法，优化了TBM空推步进施工工艺，使设备承重轮能适应变洞径结构断面，实现了高效空推步进。 本项目获授权发明专利3项、软件著作权1项，企业工法一项，发表论文1篇，技术成果具有创造性和先进性。 5、应用情况及存在的问题 （1）应用情况 本课题研究解决了超高强度岩石地质条件下TBM掘进关键技术难题，形成了超高强度岩石地质隧洞TBM快速高效施工成套技术。有关技术成果已成功应用于榕江关埠引水工程、广西桂中治旱乐滩水库引水灌区北干一标、珠三角水资源配置工程A2标段等多项工程，取得了显著的技术、经济和社会效益，拥有非常良好的推广应用价值和广阔的应用前景。 （2）存在的问题 在超高强度岩石地质隧洞掘进施工中，还需进一步总结刀具布置及掘进参数控制经验。