TBM在不良地质条件下的隧道掘进毕业设计外文翻译.docx

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TBM在不良地质条件下的隧道掘进毕业设计外文翻译

TBMTUNNELLINGINDIFFICULTGROUNDCONDITION

TBM在不良地质条件下的隧道掘进

GiovanniBarlaandSebastianoPelizza

ABSTRACT

摘要

ThispaperistodiscussTBMtunnelingindifficultgroundconditions,whenproblemsaremetwhichmayreducedramaticallytheaverageprogressratesandpracticalconsequencesmaybesuchastoposeseriousquestionsontheuseofmechanizedTBMtunnellingversusdrillblastandotherso-calledtraditionalexcavationmethods.FollowingafewremarksonrockTBMtunnellinginrelationtotheselectionanddimensioningofthemachine,theattentionisposedonthelimitinggeologicalconditionswhichmaybeenvisagedwithrespecttotheuseofTBMtunnellingandontheimportanceofgeologicalandgeotechnicalinvestigations,inordertoderiveanappropriateunderstandingoftherockmassconditionsalongthelineofthetunnel.Thediscussioniscenteredupontherelativelymoreimportantordifficultgroundconditionsincludingborabilitylimits,instabilityofexcavationwalls,instabilityofexcavationface,faultzonesandsqueezing.Wheneveravailabletotheauthorsandbasedonprojectexperience,thepointofviewisillustratedbycaseexamples,whichgivetheopportunitytounderlinespecificdifficultiesencounteredandrecommendations.

本篇论文所探讨的内容是：

在遇到严重减小掘进速度的不良地质条件下的隧道开挖，并提出采用ＴＢＭ，钻爆法和其他所谓的传统开挖方法进行隧道掘进时所能遇到的问题。

下面是由ＴＢＭ进行掘进的有关机器选型和尺寸的说明，关注于使用ＴＢＭ进行掘进的地质条件的限制及地质和地质观测的重要性，所以，要恰当理解隧道沿线的围岩状况。

讨论集中于相对重要或不良地质状况的围岩，其中包括可挖性限制，开挖洞壁的不稳定性，开挖掌子面的不稳定性，断层和挤压岩况。

利用其他作者之言并基于工程经验，通过实例阐述观点，借此机会强调面临的特殊困难并给出建议。

INTRODUCTION

引言

TBMexcavationrepresentabiginvestmentinanunflexiblebutpotentiallyveryfastmethodofexcavatingandsupportingarocktunnel（Barton,1996）.Whenunfavorableconditionsareencounteredwithoutwarning,timescheduleandpracticalconsequencesareoftenfargreaterinaTBMdriventunnelthaninadrillandblasttunnel.

TBM开挖不仅意味着巨额投资，而且可以进行快速开挖和支护（Barton,1996）．在无预警的情况下遇到不良地质条件，从时间和实际产生的结果来讲采用TBM方法进行隧道掘进远远比采用钻爆法快得多。

Theunfavorableconditionscanbeproducedbyeitherarockmassofverypoorqualitycausinginstabilityofthetunnelorarockmassofveryquality（i.e.strongandmassiverockmass）determiningverylowpenetrationrates.However,itistobeobservedthatwhenusingthefullfacemechanizedexcavationmethod,theinfluenceoftherockmassqualityonthemachineperformancehasnotanabsolutevalue:

theinfluenceisinfacttobereferredtoboththeTBMtypeusedandthetunneldiameter.

在不良地质条件下往往产生大量的弱质岩石，这样会使隧道处于不稳定状态，或者产生大量的硬岩，会降低掘进速度。

然而，据观测，采取全断面机械开挖方法，岩石状况不会影响机械运行的绝对值：

实际的影响因素参考TBM类型和隧道直径。

Rightfromthebeginningofitsearliestapplications,theuseoffullfacemechanizedexcavationwastoovercomethelimitsimposedbylocalgeology,theeconomicchallengesandschedulecompetitionsofthedrillandblastmethodandotherso-calledtraditionalexcavationmethods.Aprominentexampleisgivenbytherecent（from1995to2000）constructionoftheonetube24.5kmlongLaerdalTunnelinNorway,theworld’slongestroadtunnel.

仅从该方法使用之初，全断面机械开挖方法就要克服了地质条件的限制，钻爆法和其他传统的开挖方法在经济方面的挑战和施工时间上的竞争。

典型的例子就是最近（１９９５－２０００）在挪威施工的长为24.5kmLaerdal隧道，该隧道为目前为止世界上最长的公路隧道。

The100m*mcrosssectiontunnelisbeingexcavationinaPrecambriangneiss,averygoodandstablerockmass:

thesupportsareonaverageonly7-8rockboltsplusa7cmthickshotcreteliningpermeteroftunnel.Theexcavationiscarriedoutbythedrillandblastmethod,whichbeenevaluatedtobelessexpensiveandmorereliablethanthe;useofalargediameterTBM.Theaverageprogressrateis4.8–5.0kmperyearwithtwofaces,againstthe2.3-4.8kmperyear,estimatedforalarge–diameterTBM（Kovarietal.,1993）

开挖横断面100m*m，地质年代为前寒武纪，片麻岩，岩石稳定：

每米隧道平均打７－８个锚杆进行支护，外加7cm厚的喷混衬砌。

使用钻爆法比使用大直径的ＴＢＭ方法进行开挖花费少，而且更可靠。

从两面同时进行每年的平均速度是4.8–5.0km而大直径的ＴＢＭ估计每年速度为2.3-4.8km（Kovarietal.,1993）。

Withthisbackgroundinmind,thispaperisintendedtoaddresstheproblemofTBMtunnellingindifficultgroundconditions.Basedonafewselectedcaseexamples,thediscussioniscenteredupontherelativelymoreimportantordifficultgroundconditionswhichcanbelistedasfollows:

borabilitylimits;instabilityofexcavationwalls;instabilityofexcavationface;fautzones;squeezing.

了解此情况后，该论文试图解释在不良地质条件下使用TBM进行隧道掘进所遇到的问题。

基于所选的几例情况，该讨论聚焦于相对重要和困难的地质情况：

可挖性的限制，开挖洞壁的不稳定性，开挖掌子面的不稳定性，断层，挤压状态。

硬岩ＴＢＭ隧道掘进

ROCKTBMTUNNELLING

Thepracticallyinfinitynumberofcombinationsrock,soilandenvironmentalconditionswhichmaybeencounteredduringtunnelexcavationhasdeterminedagreatdifferenceinthetypesandcharacteristicsoftheavailableTBM’s.Therearemanydifferentschemesfortheclassificationoftunnellingmachines.FortheexampletheAITES/ITAWorkingGroupNo.14（MechnisationofExcavation）iscurrentlyworkingonthedefinitionofaninternationallyacceptableclassificationofTBM’swiththepurposeofestablishingterminologyand“terminology”fortheoptimumchoiceofthemachine（Table1）.

在隧道进行开挖过程中，所面对的岩石，土壤和环境条件等一系列实际问题决定了所使用的ＴＢＭ类型和特征的不同。

隧道掘进机有很多不同类别。

如AITES/ITANo.14（开挖机械）目前被认定为国际上可接受的TBM类别，该名称用于确定术语，该术语是适合选择的机器的意思（表1）。

Rocktunnellingmachinecanbegroupedintothreemaincategories（Table2）:

UnshieldedTBM（i.e.OpenTBM）,SingleShieldedTBMwhichisthewayofcreatingnewtypesofTBM’sthataresuitableforapplicationoverawiderrangeofgeologicalconditions,eventhoughthedistinctionbetweenTBMforrockandTBMforsoftgroundremains.

硬岩掘进机主要分为三类（表２）：

无护盾TBM（例如：

敞开式TBM），单护盾式TBM，该种为创新型的TBM，即便存在硬岩式和软岩式TBM，该钟却适用于多种类型地质条件。

FromthepointofviewofrockTBMdimensioning,itisnecessarytopointoutthat,althoughTBM’sofmorethan10minexcavationdiameterhavebeenconstructed,itisalwaysadvisabletotrytolimitthemaximumsizeofthetunnelandthereforethatoftheTBM.

就TBM的尺寸来说，有必要指出一点，虽然已经采用TBM开挖过10米以上洞径的隧道，但限定洞径及TBM的直径仍是明智之举。

Aseasilyperceived,thereasonsforlimitingthetunneldiameterare:

显而易见，洞径受限的原因如下：

⏹thepotentialofaTBMinhardrockdecreaseswithinincreasingdiameter（Kovarietal.,1993;Bruland.1998）;随着洞径增大，TBM在硬岩掘进方面的潜力减弱

⏹大尺寸的TBM主要部件受技术条件的限制，例如，轴承和刀盘TherearetechnologicallimitsforthemaximumdimensionsofsomemajorTBMcomponents,forexample,thebearingandthehead;

⏹Theintensitiesofboththeinstabilityphenomenaandtheinducedconvergencealsoincreasewithincreasingdiameteroftheexcavation（Tsengetal.,1998;BarlaG.andBarlaM.,1998）.随着开挖直径的扩大，不稳定现象的强烈程度也会随之增强。

TherealreadyexistsapositiveandconsolidatedexperienceintheuseofTBM’sinrocksofdifferentqualitiesandstrengthsforexcavationdiametersupto12-12.5m..Beyond13.5-14mexcavationdiameter,thepresenttechnologyisprobablynotuptothelevelofguaranteeingagoodperformanceofTBM’sinhardrook.Designersshouldtakeintoaccounttheselimitsduringthetunneldesignphase,makingusewheneverpossibleoftheadvantagesofferedbythereducedsectionsofthetunnelorevenbyconsideringthepossibilityofhavingothertunnelrunninginparallel.Thisisparticularlytrueformotorwaytunnelwhere,insomecases,itispreferabletomaketripetunnelseachwithtwolanesforthetrafficflowrathenthantwintunnelseachwiththreelanes.Inthecaseofrailwaytunnels,itisbettertohavetworelativelysmall,single-tracktunnels,ratherthanalarge,double-tracktunnel.

在开挖直径达到12-12.5m的情况下，在不同质量和强度的岩石条件下，还是有纯熟经验运用TBM进行开挖。

然而对于超过13.5-14m的开挖直径，就目前的技术而言，可能还达不到完满实现运用TBM进行硬岩开挖的水平。

在隧道进行设计的阶段，设计者应该考虑到这些限制条件，利用各种有利条件，减小隧道断面，甚至还要考虑与其他隧道开挖平行进行。

特别是对于高速公路隧道而言，在某些情况下，为分流交通，最好采用三条隧道，每条隧道有两条车道，而不是采用两条隧道，每条隧道有三条车道。

对于铁路隧道，最好采用相对小的两条单轨隧道，而不是采用大的双轨隧道。

AgreathelpintheuseofTBM’scouldpossiblybeachievedthroughthestandardizationofthesectiontypesforroad,motorway,andrailwaytunnels.Thecouldfavourthere-useofhomogeneousconstructionworks,inadditiontogainingconsiderableadvantagesinconstructiontimesandcosts.Aswellknown,thevalueoftheTBM,intermsofdirectprojectcosts,isrekativelyinsignificant.Failuretoachievethedesiredresultsandmaintainthetimeschedule,however,significantlyaffectstheproject.Fromtheoutsetitisthereforeimportanttoadopttheapproachofutilizingthebestpossibleequipment,asfarasalltheaspectspertainingtotheTBM,andthesupportingservicesareconcerned.Generallyspeaking,themostreliablemachinesarethesimpleonesastheyhavetheleastamountofequipmentthatcanbreakdown（Foster,1997）.Infact,theTBMthatisdesignedtocoveralleventualitieshastoofrequentlyinthepast,tendedtobeproblematicinserviceandproducedperformancesbelowexpectations.

通过公路，高速公路和铁路的标准化改造，可充分发挥使用TBM的优势。

使用TBM进行施工不仅机械可以再次应用于其他相同性质的施工条件，而且在施工时间和成本上也有巨大优势。

众所周知，ＴＢＭ的价格，直接施工的成本相对来说都比较大。

如果达不到预期的目的，没有按照原计划时间完成，就会极大地影响施工。

所以，一开始尽可能使用与ＴＢＭ有关各方面最好的设备及服务很重要。

总的来说，最可靠的机器就是能被分解成尽可能少的部件的简单机器（Foster,1997）.事实上，基于经验设计的TBM在维护和生产运行过程中会频繁发生很多如下预期的事件。

Onthebasisoftheaboveconsiderationsandrecentandpastexperience,itispossibletoestablishthefollowingpointsregardingtheselectionofthetypeofTBM:

基于以上考虑，及最近和以前的经验，关于TBM的选型提供如下观点：

-TBMtheshieldedTBM’shaveawiderrangeofapplicationthantheopenTBM’s;更广泛地使用护盾式TBM而不是敞开式

-thisdifferenceintherangeofapplicationincreaseswithincreasingdiameterofexcavation;

-随着开挖直径的增加，使用范围更加不同

-openTBM’swithadoublesystemofgrippersaremoresensitivetounstablegroundthanshieldswithonlysystemofgrippers;

-带有两个支撑系统的敞开式ＴＢＭ比带有一个支撑系统的护盾式ＴＢＭ对于不稳定围岩更敏感

-thewiderornarrowerrangeofapplicationofasingleshieldedTBM,withrespecttothedoubleshieldedone,dependsonthedesignanddimensioningoftheTBMandonthetypeoflimitingsituationstobefaced,ratherthantheTBMtype;

-是使用单护盾还是使用双护盾的TBM，由设计情况和ＴＢＭ的尺寸及面临的限定条件决定，而不是ＴＢＭ的类型决定。

-thechoicebetweenasingleshieldedandadoubleshieldedTBMdepe