CN112282779A - 长距离敞开式tbm独头掘进小断面快速拆机系统及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统及施工方法，旨在解决TBM单件重量大、场地空间狭小、拆机成本过高的技术问题。所述快速拆机系统主要包括拆机硐室、大件起吊机构、附件起吊机构；其方法主要包括开挖拆机硐室、设置起吊设备、TBM分拆等步骤。本发明系统操作方便，调运灵活、安全风险低、空间需求小；施工方法工期可控、成本低。
Description
技术领域
本发明涉及隧道施工技术领域，具体涉及一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统及施工方法。
背景技术
随着隧道施工技术的不断发展，超长、特长隧洞不断出现；由于TBM施工法较传统施工法更具有安全、高效等特点，是国内外最先进的隧道施工方法之一，被广泛应用于超长、特长隧道施工中。随着施工技术的不断成熟，工程技术人员不断挑战规模更大、施工更难的项目，为了更好、更快的完成建设任务，TBM施工也由单台独头掘进转变为多台相向、相背施工或多台接应施工。
为了减少整体工程投入以及降低施工安全风险，目前大型工程均设计采用TBM长距离独头开挖。而在隧道掘进到达预定里程后，需要将TBM解体吊装外运。当前传统的TBM分解吊运方法主要有两种：
① 采用电动葫芦进行吊运，设备简单、成本较低；然而目前国内技术成熟使用广泛的电动葫芦起吊重量为50T，但当前有的TBM单件最大重量可达125T，若用此方式进行吊装作业，需要两台80～100T，需要定做专用的电动葫芦，且对岩石综合性要求高，施工难度大，故无法满足拆机需求。拆机安全风险大、技术不成熟、且国内无相关资质厂商能够提供此类大功率的电动葫芦。
② 采用桥吊拆机是目前使用最广泛的形式。但开挖硐室两侧需用钢筋混凝土墙做桥吊基础；而且开挖空间大，上部结构复杂，开挖成本高；也难以适用场地狭小的施工地段。
发明内容
本发明所要解决的目的是提供一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统及施工方法，旨在解决TBM单件重量大、场地空间狭小、拆机成本难以控制的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其主要包括：
拆机硐室：设置于TBM掘进终止位置处，用作TBM解体吊装外运的场所；
大件起吊机构：包括至少一台液压式龙门吊，设置于所述拆机硐室内靠近TBM机头一端，用于TBM刀盘、机头架、大梁的吊装；
附件起吊机构：包括至少两台电动葫芦，经由对应的起重导轨安装于所述拆机硐室顶部，用于TBM附属设备的拆卸吊装。
设计一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机施工方法，包括如下步骤：
（1）开挖拆机硐室：采用钻爆法开挖断面为城门洞型的拆机硐室，以锚杆、挂网、立拱、喷砼为初期支护，并施做底板衬砌；
（2）设置起吊设备：设置相互配合的大件起吊机构及附件起吊机构，所述大件起吊机构设置在所述拆机硐室内靠近TBM机头一端，用于TBM刀盘、机头架、大梁的吊装，所述附件起吊机构经由对应的起重导轨安装于所述拆机硐室顶部，用于TBM附属设备的拆卸吊装；
（3）TBM分拆：TBM步进至拆机硐内对应的位置，拆解刀盘，并以所述液压龙门吊将刀盘吊运出硐，TBM再步进一定距离后，拆主驱动；主驱动吊开后TBM失去步进功能，开始原地拆机主梁，并依次运出。
以上所述拆机硐室为城门洞型，其开挖断面总高度为12～14m，宽度为10～12m，施工长度以满足TBM需步进20m之需要，并保证有至少10m空间用于刀盘、机头架拆卸的临时存放及运输车辆停放、部件装车为准。
以上所述拆机硐室侧壁设置有支护层，其由C30喷砼及钢筋挂网构成。所述拆机硐室底部设置C30混凝土衬砌层。
以上所述大件起吊机构包括两台150T液压式龙门。
以上所述附件起吊机构包括两组分设于拆机硐室顶部两侧的电动葫芦组，每组包括两台35t的电动葫芦及配套的滑轮组及吊钩。
在所述步骤（1）中，从分界钻爆段开始挑顶向上台阶扩挖，同时两侧在2～3循环扩挖至拆卸硐室标准断面宽度，爬坡20m后至拆卸硐室上台阶标准断面，开挖过程中进行临时喷混支护，根据围岩情况进行锚网及临时拱架立设，继续开挖上台阶，直至开挖到拆卸硐室结束桩号处，然后反向剥皮处理并及时支护，支护形式根据围岩情况选用锚网拱架支护，剥皮处理时控制出渣量，确保台架施工高度满足现场需求，剥皮处理完成后，进行下台阶开挖。
在所述步骤（3）中，包括：
①主机拆卸：刀盘拆卸后，从顶护盾→左右护盾→附属设备→主驱动，按顺序进行拆卸；
②后配套拆卸：当TBM主机步进至预定区域后，先拆除后配套所有液压、电气管线及可拆除的附属设备，暂放在拖车底部平台上，主机拆卸完成后，用机车牵引至吊装设备区域内，对附属设备进行吊装拆解、后对拖车机械设备拆解。
与现有技术相比，本发明的主要有益技术效果在于：
操作方便，调运灵活、安全风险低；空间需求小、工期可控、成本低。
附图说明
图1为本发明拆机硐室内设备布设断面结构示意图。
图2为本发明拆机硐室内设备布设纵向剖面结构示意图。
图3为本发明拆机硐室内设备布设俯视示意图。
以上图中，1为拆机硐室，2、5为电动葫芦，3、4为起重导轨，6为液压龙门吊，7为硐壁支护，8为隧洞，9为C30混凝土层，10为TBM掘进段，11为TBM，12为钻爆段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。
实施例1：某施工标段为引水隧洞，隧洞为无压洞，水流方向从小里程向大里程，采用两台敞开式TBM 11掘进，开挖断面为圆形，开挖φ7.03m；合同标段全长43.847km，设计纵坡1/2583，其中下游TBM5掘进17.491km，与相邻标段钻爆段12施工段对接（钻爆段断面较小，不满足TBM步进条件），但设计单位未针对TBM拆机进行专项设计。
该施工标段项目施工所用敞开式TBM（DZ308）为铁建重工设计制造，其开挖直径为Φ7030 mm/Φ7000 mm（刀具磨损到极限），分为主机、设备桥和后配套三大部分；主机主要由刀盘、刀盘支撑体、护盾、主轴承、驱动系统、主梁、水平支撑、后支撑等组成，喷射混凝土台车位于设备桥上；后配套系统由门架式台车组成，后配套台车上布置有液压动力站、变压器、配电柜、电缆水管卷筒、除尘通风设备等。TBM 11整机长200 m，其中主机长25 m，整机重量约为1400 t。
拆机要求：拆机硐1计划施工长度为30米，TBM需步进20米（3#主梁），保证10米空间用于刀盘、机头架拆卸的临时存放及运输车辆停放、部件装车。
所设置的快速拆机系统及其设置施工方法如下（参见图1至图3）：
1. 开挖城门型拆机硐室
① 整体施工方案：
从临标分界钻爆段1开始挑顶向上台阶扩挖，同时两侧在2-3循环扩挖至拆机硐室1标准断面宽度，爬坡20m后至拆卸硐室上台阶标准断面，开挖过程中进行临时喷混支护，根据围岩情况进行锚网及临时拱架立设，继续开挖上台阶，直至开挖到拆卸硐室结束桩号处，然后反向剥皮处理并及时支护，支护形式根据围岩情况选用锚网拱架支护，剥皮处理时控制出渣量，确保台架施工高度满足现场需求，剥皮处理完成后，进行下台阶开挖。
② 施工步骤：
城门型拆机硐室1开挖采用钻爆法施工，分台阶开挖，人工手持风钻钻孔，配备作业台架，人工装药爆破，锚网采用人工铺设，喷砼采用湿喷法。
施工顺序为：台架就位→测量放线→布眼、钻孔→装药、爆破→通风→找撬顶→出碴→初喷砼→初期支护→检查合格后→进入下一循环。
③ 施工注意事项
1）拆机硐室1开挖采用光面爆破法，首先如何保证光面爆破施工质量，是本次开挖的重点关注点之一。
2）硐室开挖与支护均采用同一台架，如何确保反向剥皮段的长度，从而保证台架在反向剥皮施工时亦能正常使用。
3）本次开挖分为上、下台阶法开挖，且目前相邻标段仍在进行钻爆法开挖，待其开挖至结束桩号后，方进行拆机硐室开挖；同时，TBM仍在正常掘进施工，因此，工期因素亦是本次开挖的重点，如何保证TBM正常掘进的同时仍能进行钻爆开挖，使两者互不干扰，找到开挖施工的最小安全距离。
2.设置起吊设备
设置相互配合的大件起吊机构及附件起吊机构，所述大件起吊机构包括两台液压式龙门吊，设置在所述拆机硐室1内靠近TBM 11机头一端，用于TBM刀盘、机头架、大梁的吊装；所述附件起吊机构包括四台电动葫芦，经由对应的起重导轨3、4安装于所述拆机硐室1顶部，用于TBM附属设备的拆卸吊装。
① TBM主要部件参数
TBM大型部件主要包括刀盘、机头架、主大梁等具体尺寸及重量如表1。
表1 TBM大型部件构成及尺寸、重量规格
② 起吊设备选择
机头架为TBM最大不可分割部件，重量约130T(包含吊装专用工装，不包含主电机)，外形尺寸7646*5120*2782（包含工装）。
根据主驱动总重量约为Q=130T,超过桥吊单钩吊装最大重量；因此，需要进行抬吊作业，吊具重量约为0.5T，根据公式Q1=K*Q（动载荷系数K1=1.1，不平衡系数K2=1.2）， 吊装物实际提升重量Q吊=K1*K2*（Q+0.5）
=（130+0.5）*1.1*1.2
=172.26T 。
为满足拆机需求，考虑施工安全，因此用2*150T液压龙门吊6满足吊装要求。
附件起吊机构包括两组分设于拆机硐室顶部两侧的电动葫芦组，每组包括两台35t的电动葫芦2、5及配套的滑轮组及吊钩。
① TBM拆机概述
TBM拆机工作分三个主要阶段，准备工作阶段、拆机作业阶段、拆毕整理阶段。
城门型拆机洞1施工长度为30米，TBM步进至10米的位置，拆解刀盘。刀盘运走后，TBM步进至8米的位置，拆主驱动。主驱动吊开后TBM 11失去步进功能，开始原地拆机主梁（三段）。
刀盘→顶护盾→顶左右护盾→主电机→左右侧护盾→主驱动→底护盾→推进系统→撑靴→主大梁一→主大梁二→后支撑→鞍架→设备桥→喷浆桥→一号拖车→后配套拖车依次拆除。
② TBM拆机步骤
1）主机拆卸：刀盘拆卸后，从顶护盾→左右护盾→附属设备→主驱动，按顺序进行拆卸。
2）后配套拆卸：当TBM 11主机步进至预定区域后，先拆除后配套所有液压、电气管线及可拆除的附属设备，暂放在拖车底部平台上，主机拆卸完成后，用机车牵引至吊装设备区域内，对附属设备进行吊装拆解、后对拖车机械设备拆解。
③注意事项
1）TBM设备重量及尺寸大、设备工艺性复杂、装配拆卸涉及方面广，单件重量及尺寸较大，在洞内吊装、倒运过程中的安全及质量控制无疑是拆机过程中的难点。
2）本次拆机所有部件需从相邻标段运出，考虑相邻标段处在掘进阶段，如何减少对临标段施工干扰，尽量避开临标段施工运高峰期，利用临标段施工空闲选择穿插式运输方式。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明；但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明构思的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，或者是对相关部件、结构及材料进行等同替代，从而形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。
Claims (10)
1.一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，包括
拆机硐室：设置于TBM掘进终止位置处，用作TBM解体吊装外运的场所；
大件起吊机构：包括至少一台液压式龙门吊，设置于所述拆机硐室内靠近TBM机头一端，用于TBM刀盘、机头架、大梁的吊装；
附件起吊机构：包括至少两台电动葫芦，经由对应的起重导轨安装于所述拆机硐室顶部，用于TBM附属设备的拆卸吊装。
2.根据权利要求1所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，所述拆机硐室为城门洞型，其开挖断面总高度为12～14m，宽度为10～12m，施工长度以满足TBM需步进20m之需要，并保证有至少10m空间用于刀盘、机头架拆卸的临时存放及运输车辆停放、部件装车为准。
3.根据权利要求1所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，所述拆机硐室侧壁设置有支护层，其由C30喷砼及钢筋挂网构成。
4.根据权利要求1所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，所述拆机硐室底部设置C30混凝土衬砌层。
5.根据权利要求1所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，所述大件起吊机构包括两台150T液压式龙门。
6.根据权利要求1所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机系统，其特征在于，所述附件起吊机构包括两组分设于拆机硐室顶部两侧的电动葫芦组，每组包括两台35t的电动葫芦及配套的滑轮组及吊钩。
7.一种长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机施工方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）开挖拆机硐室：采用钻爆法开挖断面为城门洞型的拆机硐室，以锚杆、挂网、立拱、喷砼为初期支护，并施做底板衬砌；
（2）设置起吊设备：设置相互配合的大件起吊机构及附件起吊机构，所述大件起吊机构设置在所述拆机硐室内靠近TBM机头一端，用于TBM刀盘、机头架、大梁的吊装，所述附件起吊机构经由对应的起重导轨安装于所述拆机硐室顶部，用于TBM附属设备的拆卸吊装；
（3）TBM分拆：TBM步进至拆机硐内对应的位置，拆解刀盘，并以所述液压龙门吊将刀盘吊运出硐，TBM再步进一定距离后，拆主驱动；主驱动吊开后TBM失去步进功能，开始原地拆机主梁，并依次运出。
8.根据权利要求7所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机施工方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，拆机硐室开挖断面总高度为12～14m，宽度为10～12m，其施工长度以满足TBM需步进20m之需要，并保证10m空间用于刀盘、机头架拆卸的临时存放及运输车辆停放、部件装车。
9.根据权利要求7所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机施工方法，其特征在于，在所述步骤（1）中，从分界钻爆段开始挑顶向上台阶扩挖，同时两侧在2～3循环扩挖至拆卸硐室标准断面宽度，爬坡20m后至拆卸硐室上台阶标准断面，开挖过程中进行临时喷混支护，根据围岩情况进行锚网及临时拱架立设，继续开挖上台阶，直至开挖到拆卸硐室结束桩号处，然后反向剥皮处理并及时支护，支护形式根据围岩情况选用锚网拱架支护，剥皮处理时控制出渣量，确保台架施工高度满足现场需求，剥皮处理完成后，进行下台阶开挖。
10.根据权利要求7所述的长距离敞开式TBM独头掘进小断面快速拆机施工方法，其特征在于，在所述步骤（3）中，包括：
①主机拆卸：刀盘拆卸后，从顶护盾→左右护盾→附属设备→主驱动，按顺序进行拆卸；
②后配套拆卸：当TBM主机步进至预定区域后，先拆除后配套所有液压、电气管线及可拆除的附属设备，暂放在拖车底部平台上，主机拆卸完成后，用机车牵引至吊装设备区域内，对附属设备进行吊装拆解、后对拖车机械设备拆解。
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