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【TBM施工】硬岩掘进机(TBM)后挂系统介绍
发布:2014-12-03    浏览:2936    来源:    【

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如果没有有效的后挂系统(后挂设备)系统去运输所有必须的辅助设备,或者执行另增加的功能,诸如平台所提供的支护工作,那么TBM几乎难以发挥其最大挖掘潜力。因此,就互动性的复杂性来说,标准的TBM后挂系统仅次于TBM本身。

当TBM通常使用其液压拉动缸,设计的一部分或者从管片衬砌顶开,或者在硬岩隧道中起撑靴强度作用。TBM后挂系统从TBM后部被牵引前去。似乎在某些刹车系统,或者如果是重要的坡度(参见《困难推进的后挂系统》)安装了防滑机构来防止失控滑动。后挂系统的框架将装在底盘上,放置在钢轨上或轮子上,其摩擦极小,可促进平滑的移动,避免可能出现的危险颠簸。

海瑞克分公司,即位于德累斯顿的机械和钢结构制造厂(MSD),策划了多种复杂的TBM后挂系统,可以说为TAT银团哥德哈特基底隧道Bodio/Faido段的“蠕虫”管桥达到了顶点。整个结构长600m,重将近2000t。除了更为正常的TBM后挂荷载以外,“蠕虫”的功能就是再循环渣石到隧道衬砌。像一条蠕虫那样,每个MSD的后挂系统是独特的,因为它的设计是迎接每个项目的独特挑战。


图1  俄罗斯圣彼得堡地铁30度斜度出入井海瑞克制造两辆运送渣石的轨道车辆受到两条钢索牵引工作

除了后挂系统以外,MSD也制造管片搬运系统(供给后挂系统和物流链的其他地方)。TBM进出洞设备,流动式衬砌施工的构架和紧急系统。

罗宾斯通常自己制造后挂系统,但仍有一些例外,像Rowa公司制造的尼亚加拉系统。其他的是在该公司的俄亥俄州、上海和广州工厂制造的。

包装

当每台TBM后挂系统由于项目特点的需要趋于独特,隧道直径是所必须载运设备的共同制约因素。罗宾斯的高级设计师Mike Anderson 把这种处境与制作香肠相比较。“隧道直径越大,它就越短”他说,“所需组件也有些相似,因此,这是要让它们全适配的一个包装问题。对于一些较大盾构机,不是包装可以改变的,结构强度才是关键构件问题。”

有关有效后挂系统的另一个隐喻或许是Rubik 的魔方难题,要考虑正确按次序装配到通常非常狭窄空间的必要构件数目。 Anderson同意说,一般有一个最佳布置图,TBM所必要的所有设备放在前面,当然不是每样东西都应该靠近工作面。“液压、润滑、一些地基支撑和电器大多数按照这样的次序,”Anderson这样说。

可是有时,一些构件必须留在后面,至少在每次推进的初期是这样的。“一些设备可以留在地面,待以后安装,”Anderson解释说,“或者有其他方法来始发盾构,而后挂系统集中在别的地方。在一次简短的启动时,假如始发现场非常狭小,后挂台板或可集中在地面,而盾构将通过综合线缆连接上。”

最近,在圣彼得堡地铁自动扶梯出入井给海瑞克带来了许多特殊问题,因为他们只要求长大约100m并且在软土层内是个30°斜坡。一台单个21m后挂系统, TBM和后挂系统总长度只有32m。后挂必须分两个阶段安装,这是由于拖曳卷扬机所装位置的阻碍。空间不足说明液压系统电气变压器仍旧在地面而不是装在后挂上。

隧道底部

隧道掘进时最棘手的地方之一,特别在后挂区域内,即隧道底部。任何事情可以在那边发生,使得本可以平滑的操作变得成美中不足。Anderson报告说解决此种问题的方法就是在澳大利亚悉尼Paramatta项目的TBM后面采用的数个创新之一。

这是一种自倾卸底部渣土的清洗系统。

“这包含着一个挖斗,它能倾卸渣石和其他落在底部后到输送机上的渣土,”Anderson解释说,“这是第一次装有这样的清洗系统而且自从那已经在多个机械上使用了,诸如冰岛Karahnjukar项目的三台硬岩TBM上。”

另一个常见的底部必要问题就是要衬砌,要么用预制管片或者现浇混凝土,作为隧道支撑,或者给出一个良好的可运输的地面。在Paramatta实例中,Anderson说,“隧道底部跟在盾构后面,浇筑了混凝土,建立一个路面可以给橡胶轮胎车辆载着渣土驶出隧道。后挂宽得足以允许这样的车辆交会而过。”

Paramatta 后挂系统的另一个运输方面的创新就是台板上的转盘,从而让队员们的载人卡车直开上去,卸下其乘客,然后转动调头开出隧道。

图2  为罗宾斯“Big Becky”TBM在尼亚加拉新建项目上施工的三台板Rowa后挂系统请注意皮带输送机和通风导管。

监控和控制

图3  在圣彼得堡地铁自动扶梯井陡峭倾斜和卷扬机限制了海瑞克TB M后挂系统的长度

不仅后挂系统必须容纳驾驶舱,从这里可以操作大部分TBM的功能,还有需要清扫视线,给测量激光线穿过。这样的安排或需要让激光线使用三棱镜站绕过位于后挂系统障碍物。

混凝土喷涂

除非地层特别坚硬,其他凡是遇到挖掘后地层暴露的情况,即当使用撑靴式TBM或部分护盾的盾构机,或有需要安装即时地层支护。

使用手持喷嘴的喷射混凝土喷涂,在TBM后面进行即时支护,可以说这是不切实际的,特别是当使用了重载的后挂系统时。难以取得正确的角度和涂覆的距离、飞溅的混乱、移动着泵、任何拌和设备,这一切都可能造成操作无效能,质控涣散。当衬砌顶部时,情况才会有一些方便特别是从后挂系统顶部稳固的工作平台可以取得整洁和安全地区来执行和评估工作。虽然机器人喷射系统可以得到优质控制,那时他们主要适应于离TBM和其相关后挂系统设备更为后面的比较整洁的地区工作。

TBM挖掘之后处理较差地层会取得更多经验,这使得一些供货商结合机器人优势直接放入到紧靠的后挂位置。像大多数的后挂系统,尽管可以遵从一些标准原则,但设备通常必须特殊设计才可应用。

Sika Aliva 的TBM喷射混凝土机器人,诸如用于哥德哈特基底隧道的那种,可以在困难挤压地层取得即时支护,如果保留那些问题到TBM和后挂装置全部通过之后,将会造成更多问题。机器人装在一个框架之上,它呈弧线状并装备着齿轮齿条和驱动器,可以为了在计划隧道断面的适当距离提供外周运动。它带着伸缩式臂,而其铰链式喷嘴安装在端部可以取得喷涂的必要角度。适用于TBM推进的较小喷射机器人曾在Karahnjukar 水电项目隧道中使用过(也就是冰岛首次TBM推进)。另外,其他项目的TBM推进需要“即时”支护。

那些TBM早期机型的喷射混凝土系统大约4年以前被新机型取代,这些机型设计成可减少飞溅、较高功率、更为可靠。

欧洲Sika Schweiz TBM主会计师,Andre Kortel解释说,“我们每年做了很多TBM系统的喷射混凝土涂覆工作。我们这些系统位于TBM0后挂系统的L1和L2位置,或者说,有独立后挂系统方案。这些系统在瑞士Si ka Aliva 生产的。”

不管是手控还是使用电缆或无线传输的遥控,这些系统的各式控制都是可利用的。工作平台区安排成让操作员一直可以直接看到隧道壁和喷射喷嘴。

防护其他在后挂系统上的设备免受混凝土飞溅,这可以成为重要问题。新的Sika Aliva机型,通常定位在L2,离TBM工作面之后大约50m,有一个中心圆筒来防护TBM后挂系统的组装内部,在两端用“幕帘”装设到隧道壁来防止尘埃散布。受限的飞溅物通常将用人工收集,Kortel说,“有关自动化系统,我们没有足够的空间而它们工作也不好,”他补充说。

就像大型TBM系统和它的后挂系统改变设计,这对相关的喷射混凝土系统同样适用。“不可能有标准”Andre Kortel说。“其原理大部分一样,但是我们正在为每个系统做新的工程策划。我们必须每一次让我们的系统适应于TBM的尺寸。TBM尺寸、长度、宽度、速度和空间条件都非常重要。”

其他支护

正如前所述,锚杆从TBM后挂系统,或许从紧靠TBM工作面之后专用平台的L1位置上进行安装,这是常见的事情。一般低净空限制了锚杆长度尺寸和用来安装它们的钻杆尺寸。有些场合,较长和较先进的地层加强可以近似于纵向呈“扇形状”或者穹顶状来安装。在较差地层中,这或许要和开榫钉和/或注浆程序相结合。

对于较差的洞顶使用的常见其他支护可以从TBM后挂安装,其中包括焊接钢丝网板和钢肋,但是这一切限制在隧道顶部130到180度圆弧中。

除了在暴露地层进行注浆措施外,TBM推进时拼装管片衬砌将需要注浆设备来填满壁后并这样分布地层荷载在衬砌的拱背上。这样需要在后挂上建立浆液储备或者拌和设备,还有控制室和仪具便于调节流量和压力。预拌和注浆可以保持在临时定位于后挂门架底下的再拌和小车中。可能采用的备用方案就是使用豆粒砾石,而不是注浆液,从而取得地面铺设管线那样材料同样的结果。Sika Aliva 公司的Kortel说,该公司正在设计在TBM之后回填豆粒砾石的设备,把豆粒砾石吹进壁后。

渣土搬运

现代化高功率TBM通常采用皮带输送机来提供不可回收的弃土搬运运力。即是说,除非是加压泥水式盾构机,大直径管子将铺设穿过后挂系统。在任一情况下,都有必要在后挂系统内设计有可储藏的延伸能力。

泥水管将通过加强软管段(它可以在TBM前进时反复弯曲等到有足够时间连接另一段刚性管时为止)。

当使用皮带输送机时,一些延伸设备可以跟得上TBM,在TBM上设计成内载式短程皮带输送机并穿越到后挂系统,或者随挂车喂送给主输送机,或者使用弃土小车。两者重叠部分提供了延伸能力,虽然,需要有一个明显的高度要求留给重叠和弃土滑槽。无论使用的是不是明显的重叠,主皮带输送机仍旧需要延伸设备做较长的推进。专用输送机储存单元在回程中可以承载足够的延伸容量给几个班之用,那时让皮带围绕在一些滚筒上呈“六角形手风琴”状。在大多数地下场合中,皮带延伸储藏单元因为空间限制关系,要放在罩壳内并水平对直,但是在地面上,或许在洞穴内垂直单元也可使用。

Martin技术公司设计和制造并安装过日益增加的弃土皮带输送机给TBM推进使用,其中有在瑞士侏罗的公路通道Tunnel de Choindnez ;Nant de Drance 抽水储能站、奥地利Koralm隧道、意大利的Sparvo隧道和佛罗伦萨新建铁路衔接线 Passante de Firenze。一些输送机有可观的长度,包括中国14.7km锦屏二期二滩水电站,具有容量1800t/h 和由Dragages/西松联营体承建的香港西岛排水隧道6.4km(西)加上4km(东),550t/h。

罗宾斯公司向Parramatta铁路项目的供货合同不仅包括了两台敞开式硬岩TBM和后挂系统,还有皮带输送机系统直到地面,这些必须克服一系列水平和垂直曲率半径小到400m曲线段。

像一家海瑞克集团下属MSD那样,H+E物流公司专门从事输送机系统,特别是服务TBM的设施。用于延伸的标准皮带储藏容量每台输送机大约500m。这两条隧道皮带输送机用在澳大利亚布里斯班当前的隧道掘进,现称Legacyway机动车隧道,每台具有600m皮带储藏,输送机长度2×4.5km,皮带宽1m,每台运力1400t/h。意大利那台巨型Sparvo隧道TBM的设施具有1200t/h运力使用的皮带长度是2750m。

新建圣彼得堡30°斜度自动扶梯井要求一个不同寻常的弃土搬运和供应系统皮带输送机,由于条件缘故,把挂架铁路排除在外。

该设计使用2台小车,采用双钢索安全牵引,带有2架卷扬机。海瑞克设计该系统还有其它非常规设备在软土内供短程陡峭推进。

通风

后挂系统有需要让出至少可以装上通风导管的空间。还有如果敞开式TBM岩石隧道中预期会有粉尘产生的话,需要装上抽风机和滤气装置。那或许也需要局部通风添加额外的导管和风扇,冷却局部“热点”诸如电动机和变压器,要么提供新鲜空气到控制室、庇护站或者储存区,这就取决于后挂系统的布置。

主通风导管具备内载的外伸能力,像灵活的“皮老虎”,外部罩有金属筒壳,空气借以在此通过。当TBM推进时,折叠的“皮老虎”会从筒壳拉伸出。

其他服务

除了搬除渣土和运输设备之外,其他需要定期延伸的线性设备,诸如:电力电缆、通讯电缆、供水,又如消防水,都用于供货送人之用的铁轨。

就像输送机皮带和大型管道工程,要有柔性延伸能力,以避免因接长服务管线时,使服务供应经常中断。专用电缆和软管卷筒可提供这样的能力。

任何必要的铁轨延伸可以通过传统的加州滑点系统(slidingCalifornia point system)办到,但是有一个倾向采用无轨(轮胎式)牵引,为此就像上面所说的,或许有必要注意隧道底部,但不需要其他延伸工作。


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