全斷面巖石掘進機TBM講解PPT

全斷面面巖石石掘進進機TBM秦嶺隧隧道TBMTBM步入出出發(fā)洞洞CuttingfacesideMachinesideKeyBlockFloatingSealShaftCutterRingBearingCutterheadBulkheadCuttercasingBoltCutterRingCutterHubRetainerKomatsuHardRockTBMDiscCutter(BackLoadingType)TBM刀具TBM與盾構構隧道（（洞））掘進進機一一般分分為盾盾構和和巖石石掘進進機兩兩種，，盾構構主要要應用用于軟軟土地地層的的開挖挖，巖巖石掘掘進機機主要要用于于硬質質地層層的開開挖，，兩種種掘進進機在在破巖巖機理理上不不同。。本文文介紹紹的是是適于于硬巖巖開挖挖的全全斷面面巖石石掘進進機（（英文文FullFaceTunnelBoringMachine，簡稱TBM）。。TBM的工作作原理理主機前前部是是裝有有若干干滾刀刀的刀刀盤，，由刀刀盤驅驅動系系統(tǒng)驅驅動刀刀盤旋旋轉，，并由由TBM推進系系統(tǒng)給給刀盤盤提供供推進進力，，在推推進力力的作作用下下滾刀刀切入入掌子子面巖巖石，，不同同部位位的滾滾刀在在掌子子面上上留下下不同同半徑徑的同同心圓圓切槽槽軌跡跡，在在滾刀刀的擠擠壓下下，相相鄰切切槽的的巖石石在剪剪切力力作用用下從從巖體體上剝剝落下下來形形成石石碴，，石碴碴則隨隨著刀刀盤的的旋轉轉由刀刀盤上上的鏟鏟碴斗斗自動動拾起起，經經刀盤盤內的的溜碴碴槽輸輸送到到裝在在主機機上的的皮帶帶機上上，再再運到到后配配套系系統(tǒng)處處經隧隧道出出碴運運輸系系統(tǒng)運運出洞洞外。。破巖軌軌跡TBM類型TBM由主機機和后后配套套系統(tǒng)統(tǒng)組成成，一一般又又分為為敞開開式TBM和護盾盾式TBM兩大類類型，，護盾盾式TBM又有雙雙護盾盾TBM和單護護盾TBM之分；；敞開開式TBM目前主主要有有兩種種結構構形式式，即即前后后共有有兩組組“X”支撐的的凱氏氏TBM（含有內內凱機機架InnerKelly和外凱凱機架架OuterKelly），，另一種種為單單支撐撐主梁梁式TBM。軟弱圍圍巖所所占比比例較較大的的隧道道一般般選用用護盾盾式TBM，而巖石石穩(wěn)定定性好好軟弱弱圍巖巖較少少的隧隧道一一般選選用敞敞開式式TBM，此外，，還要要根據據工程程設計計及工工程造造價進進行綜綜合分分析確確定。。雙護盾盾TBM雙護盾盾TBM的主機機在護護盾的的保護護下進進行掘掘進作作業(yè)，，主機機后部部一般般裝有有襯砌砌管片片安裝裝器，，隨著著TBM的向前前掘進進，雙雙護盾盾TBM可同時時進行行管片片安裝裝作業(yè)業(yè)，后后配套套系統(tǒng)統(tǒng)則完完全在在已經經完成成管片片襯砌砌的隧隧道內內作業(yè)業(yè)；當當無法法實現(xiàn)現(xiàn)徑向向支撐撐而需需要輔輔助推推進油油缸提提供所所需推推進力力時，，推力力作用用于管管片襯襯砌上上，掘掘進作作業(yè)與與管片片安裝裝作業(yè)業(yè)此時時不能能同時時進行行，相相當于于“單單護盾盾模式式”的的作業(yè)業(yè)方式式，相相應掘掘進效效率較較低。。敞開式式TBM敞開式式TBM則只設設有較較短的的刀盤盤護盾盾，在在其主主機和和后配配套上上安裝裝有支支護設設備，，隨著著TBM的向前前掘進進，一一般可可以同同時進進行安安裝錨錨桿、、掛網網和噴噴射混混凝土土等支支護作作業(yè)。。敞開開式TBM刀盤推推力和和扭矩矩通過過機架架或主主梁傳傳遞到到支撐撐系統(tǒng)統(tǒng)，支支撐系系統(tǒng)徑徑向作作用于于巖壁壁上承承受推推力和和扭矩矩。系統(tǒng)構構成刀盤刀盤護護盾刀盤支支承和和主軸軸承刀盤驅驅動主梁推進系系統(tǒng)支撐系系統(tǒng)液壓系系統(tǒng)電氣系系統(tǒng)主機輔輔助設設備此外，，TBM主機上上的輔輔助設設備主主要有有：主機出出渣皮皮帶機機、鋼拱架架安裝裝器、、洞底底石渣渣清理理皮帶帶機、、超前鉆鉆機、、錨桿桿鉆機機、通通風設設施和和除塵塵系統(tǒng)統(tǒng)、通通訊系系統(tǒng)、、數(shù)據據采集集記錄錄系統(tǒng)統(tǒng)、激激光導導向系系統(tǒng)、、安全全控制制系統(tǒng)統(tǒng)、甲甲烷監(jiān)監(jiān)測器器、支護材料轉轉運系系統(tǒng)、、緊急急手動動混凝凝土噴噴射系系統(tǒng)等等。TBM后配套套系統(tǒng)統(tǒng)后配套套系統(tǒng)統(tǒng)由鋼鋼結構構件主主機連連接橋橋和若若干平平臺車車組成成，其其上有有供水水、供供電、、通風風、支支護、、出渣渣等作作業(yè)所所需設設備、、設施施和作作業(yè)空空間。。包括括：液液壓動動力裝裝置、、電氣氣開關關裝置置、變變壓器器、主主斷路路開關關、電電纜卷卷筒、、應急急發(fā)電電機、、除塵塵器、、通風風管道道、控控制室室、拌拌漿裝裝置、、材料料轉運運吊機機、皮皮帶輸輸送機機系統(tǒng)統(tǒng)、集集裝箱箱式修修理間間、人人員休休息室室及廁廁所、、噴混混系統(tǒng)統(tǒng)、錨錨桿系系統(tǒng)、、供水水系統(tǒng)統(tǒng)等。。TBM施工主主要關關鍵技技術（1））TBM選型及及系統(tǒng)統(tǒng)集成成設計計TBM系統(tǒng)結結構龐龐大復復雜，，各種種高技技術系系統(tǒng)集集成，，是價價值數(shù)數(shù)億元元的大大型成成套工工廠化化作業(yè)業(yè)系統(tǒng)統(tǒng)，屬屬于典典型的的非標標定制制產品品，其其機型型、系系統(tǒng)設設備配配置和和主要要技術術參數(shù)數(shù)均需需要承承包商商與制制造商商根據據具體體的工工程設設計、、地質質條件件和施施工工工藝共共同研研究確確定。。TBM及其后后配套套系統(tǒng)統(tǒng)的選選型及及集成成設計計是否否合理理是工工程能能否順順利完完成的的首要要問題題。TBM施工主主要關關鍵技技術（2））TBM施工組組織管管理技技術TBM施工時時，掘掘進、、出碴碴、支支護、、進料料運輸輸?shù)裙すば蚱狡叫羞B連續(xù)作作業(yè)，，系統(tǒng)統(tǒng)性強強，要要求各各環(huán)節(jié)節(jié)緊密密配合合，以以TBM掘進作作業(yè)為為中心心，其其他配配套設設施和和系統(tǒng)統(tǒng)要盡盡可能能滿足足TBM掘進的的需要要，與與鉆爆爆法施施工在在組織織管理理上具具有完完全不不同的的技術術特點點，這這給TBM施工組組織管管理技技術提提出了了挑戰(zhàn)戰(zhàn)。TBM掘進平平均機機時利利用率率是衡衡量TBM施工組組織管管理技技術水水平的的主要要指標標，目目前國國際水水平在在40%左左右。。TBM施工主要關鍵鍵技術（3）TBM掘進參數(shù)匹配配技術TBM施工中隧道地地質條件不斷斷變化，而不不同巖石條件件下選取的掘掘進參數(shù)對TBM施工的安全、、掘進速度、、掘進效益影影響很大，只只有根據不同同的圍巖條件件進行刀盤轉轉速、刀盤推推力、刀盤扭扭矩、推進速速度、撐靴壓壓力、推進行行程等主要參參數(shù)的合理匹匹配，才能使使TBM能夠安全、快快速和高效掘掘進。TBM施工主要關鍵鍵技術（4）TBM在軟弱圍巖和和不良地質地地段施工技術術軟弱圍巖條件件下容易出現(xiàn)現(xiàn)掌子面不穩(wěn)穩(wěn)定、圍巖坍坍塌、刀盤被被卡、支撐系系統(tǒng)撐不住、、刀盤下沉、、掘進方向難難以控制等技技術問題。另另外斷層、涌涌水、巖爆等等不良地質地地段也對TBM施工帶來很大大技術難題。。因此，TBM在軟弱圍巖下下的掘進技術術和不良地質質地段的施工工技術是TBM工程能否安全全貫通的關鍵鍵。TBM施工主要關鍵鍵技術（5）TBM狀態(tài)監(jiān)測與故故障診斷和維維護技術TBM是機、電、液液、光一體化化的大型復雜雜隧道施工作作業(yè)系統(tǒng)，且且作業(yè)環(huán)境惡惡劣，作業(yè)空空間狹窄。由由于TBM和后配套系統(tǒng)統(tǒng)龐大復雜以以及實際地質質條件的復雜雜性，在國際際TBM工程施工中發(fā)發(fā)生重大事故故的情況多有有報道，造成成了巨大的經經濟損失和社社會影響。如如何建立先進進可靠的TBM監(jiān)測診斷和維維護技術，保保證TBM處于安全完好好掘進狀態(tài)和和提高機時利利用率是需要要解決的關鍵鍵技術問題。。TBM施工主要關鍵鍵技術（6）TBM刀具技術TBM刀具是其破巖巖的核心技術術，而且硬巖巖TBM施工中刀具檢檢查、更換、、維修等作業(yè)業(yè)時間和刀具具消耗費用占占TBM施工總時間和和施工總費用用的很大比例例。因此，硬硬巖TBM施工中的刀具具技術是制約約掘進效率和和效益的首要要問題，也是是制約我國TBM國產化和降低低TBM施工成本的關關鍵技術問題題。TBM施工中設立專專門的刀具班班組，建立合合理的TBM刀具使用、檢檢查、更換和和維修的技術術規(guī)范是至關關重要的。TBM施工主要關鍵鍵技術（7）TBM掘進方向測量量控制技術TBM掘進過程中需需要不斷進行行掘進方向的的測量和調整整控制，掘進進方向的準確確控制關系到到隧道（洞））能否貫通和和達到貫通精精度要求，而而且調向技術術的好壞對刀刀具的消耗和和掘進速度也也有很大影響響，特別是軟軟弱圍巖掘進進中容易出現(xiàn)現(xiàn)刀盤下沉、、撐靴打滑、、機身滾動等等問題，需要要合理的掘進進和調向控制制技術。TBM施工主主要關關鍵技技術（8））TBM出渣和和物料料運輸輸技術術TBM施工隧隧道掘掘進速速度快快、出出渣量量大、、運輸輸距離離長，，且要要求掘掘進、、出渣渣、支支護并并行作作業(yè)。。如果果出渣渣和物物料運運輸不不能滿滿足掘掘進要要求將將影響響TBM快速施施工的的優(yōu)勢勢，因因此長長大隧隧道TBM施工出出渣和和物料料運輸輸技術術也是是重要要的關關鍵保保障技技術。。目前前，常常用的的技術術方案案為有有軌運運輸技技術和和連續(xù)續(xù)皮帶帶機出出渣技技術。。特別別是連連續(xù)皮皮帶機機出渣渣技術術已成成為國國外長長大隧隧道TBM施工的的重要要技術術選擇擇，我我國還還沒有有成功功應用用的先先例。。TBM施工主主要關關鍵技技術（9））TBM施工供供電技技術TBM施工用用電量量大，，用電電設備備多，，高壓壓進洞洞供電電距離離長，，供電電系統(tǒng)統(tǒng)復雜雜，安安全性性要求求高。。因此此，TBM施工供供電技技術也也是需需要重重點考考慮的的技術術問題題。TBM施工主主要關關鍵技技術（10）TBM施工通通風技技術TBM施工一一般通通風距距離較較長，，特別別是近近年來來超過過10km的隧道道越來來越多多，這這對我我國隧隧道施施工通通風也也帶來來很大大的技技術難難度。。TBM施工主主要關關鍵技技術（11）TBM施工作作業(yè)分分析方方法TBM施工過過程中中隨時時有大大量相相對應應的不不同圍圍巖地地質參參數(shù)、、TBM掘進工工作參參數(shù)、、TBM掘進性性能參參數(shù)，，采集集記錄錄和分分析處處理這這些數(shù)數(shù)據對對于指指導后后期施施工具具有重重要參參考價價值，，對我我國TBM技術數(shù)數(shù)據積積累和和施工工企業(yè)業(yè)自身身技術術和經經驗的的積累累都是是非常常重要要的。。圖7掘進分析中周統(tǒng)計界面7號變變速箱箱兩次次油樣樣磨粒粒圖譜譜沙粒異異常常磨損損前一次次圖譜譜大量沙沙粒金金屬屬磨粒粒和聚聚合物物后一次次圖譜譜TBM工程應應用實實例國外已已建成成的著著名工工程實實例：：（1））英吉利利海峽峽鐵路路隧道道，由三三條平平行隧隧道組組成，，每條條約50km，，海底掘掘進長長度約約37km，，地層巖巖石為為白堊堊紀泥泥灰?guī)r巖。該該工程程英、、法兩兩側共共使用用了11臺臺TBM，在三年年內完完成了了任務務，1994年年底開開通運運營。。其中中一臺臺由Robbins公司生生產的的直徑徑8.36m的掘進進機創(chuàng)創(chuàng)造了了當時時月進進尺1719.1m的世界界記錄錄。國外已已建成成的著著名工工程實實例（2））瑞士士費爾爾艾那那鐵路路隧道道全長長19km，，使用Wirth公司制制造的的直徑徑7.7m的敞開開式TBM，巖石條條件為為花崗崗巖，，該工工程1995年年開始始施工工，1998年年完工工，日日進尺尺為13.6~22.9m。國外在在建的的著名名工程程實例例：（1））南非非萊索索托南南水北北調工工程總總長約約200km，，有4條條引水水隧洞洞和2條輸輸水隧隧洞、、6座座大壩壩、2座電電站等等水工工建筑筑，其其中約約84km的施工工隧洞洞。該該工程程自80年年代末末動工工，總總工期期計劃劃30多年年。國外在在建的的著名名工程程實例例（2））瑞士士哥特特哈得得（Gotthard）鐵路隧隧道工工程，，全長長57km，，開挖直直徑9m，最大埋埋深2500m，計劃采采用8臺TBM進行施施工。。國外在在建的的著名名工程程實例例（3））法國國里昂昂至意意大利利都靈靈鐵路路隧道道，全全長54km，，最大埋埋深超超過2000m,采用TBM進行施施工。。國內建建成的的TBM重要工工程（1））1985年年中國國在廣廣西隆隆林天天生橋橋水電電站的的引水水隧洞洞修建建中，，從美美國引引進了了Robbins公司直直徑為為10.8m掘進機機，開開挖引引水隧隧洞總總長度度約10km，，掘進機機遇到到的巖巖石地地層系系石灰灰?guī)r，，抗壓壓強度度150MPa，施工時時最高高月進進尺150m。這是中中國第第一條條采用用大斷斷面巖巖石掘掘進機機施工工的隧隧道。。國內建建成的的TBM重要工工程（2））1991年甘甘肅省省引大大入秦秦大型型跨流流域灌灌溉工工程中中，30A隧道全全長11.649km，，是一條條無壓壓輸水水隧道道，由由意大大利CMC公司采采用雙雙護盾盾TBM進行施施工，，掘進進機直直徑5.53m，采用預預制管管片襯襯砌。。該機機由美美國Robbins制造生生產的的188－－227型型TBM，遇到的的地層層巖性性單軸軸抗壓壓強度度26~133.7MPa。該隧洞洞歷經經13個月月于1992年年1月月掘進進貫通通，最最高日日進尺尺65.5m，最高月月進尺尺1300m。國內建建成的的TBM重要工工程（3））山西西省萬萬家寨寨引黃黃工程程隧洞洞總長長161.1km，其中共采用6臺直直徑4.88m和5.96m雙護盾TBM對8條隧洞進進行施工，TBM施工隧洞總長長121.8km，采用六邊形預預制管片襯砌砌。該工程地地層主要巖性性為灰?guī)r，由由意大利英波波基洛公司和和CMC公司及中國水水利水電四局局組成的萬龍龍聯(lián)營體承包包，1993年開始掘進進至今，創(chuàng)造造最高月進尺尺1821.5m的掘進記錄。。國內建成的TBM重要工程（4）西康鐵鐵路秦嶺隧道道工程由鐵道道部從Wirth公司引進兩臺臺直徑8.8m敞開式TBM自主施工，該該隧道全長18.46km，巖石為堅硬的的混合片麻巖巖和混合花崗崗巖，抗壓強強度105~325MPa，屬于國際上TBM工程中十分罕罕見的極硬巖巖石條件，在在此條件下仍仍然創(chuàng)造了最最高月進尺531m和509m的記錄。該工工程TBM自1997年年下半年開始始運至施工現(xiàn)現(xiàn)場組裝，1999年掘掘進貫通。國內建成的TBM重要工程（5）秦嶺隧隧道完工后，，這兩臺TBM又分別轉移至至西安南京鐵鐵路磨溝嶺隧隧道和桃花鋪鋪隧道施工，，成功地使敞敞開式TBM在這兩個長距距離軟弱圍巖巖的隧道工程程中掘進貫通通，并分別創(chuàng)創(chuàng)造了573m和551.8m的新的掘進記記錄?？梢哉f說，通過秦嶺嶺隧道、磨溝溝嶺隧道和桃桃花鋪隧道成成功的TBM自主施工，真真正建立起了了我國自己獨獨立的TBM施工隊伍和專專家隊伍，并并創(chuàng)造性地積積累起我國獨獨立掌握的TBM施工技術體系系。TBM是先進的隧道道施工技術隨著我國大規(guī)規(guī)模的基礎建建設，鐵路、、公路、水電電工程、南水水北調、西氣氣東輸、城市市地鐵、市政政供水供電和和排污等重大大工程越來越越多，需要修修建大量的長長、大隧道。。預計我國未未來二十年平平均每年有600km共12000km隧道（洞）需需要開挖。由由于工程規(guī)模模大、地質條條件復雜，工工程施工速度度、環(huán)保、質質量和效益要要求高，傳統(tǒng)統(tǒng)鉆爆法施工工技術已經難難以適應這一一艱巨挑戰(zhàn)。。TBM在中國因此，全斷面面巖石掘進機機(TBM)技術必將在我我國得到長足足發(fā)展，推動動我國大型施施工機械制造造業(yè)和施工企企業(yè)的科技進進步。掌握這這一技術將使使企業(yè)增強巨巨大的市場競競爭力?？梢哉f，中國國將成為世界界TBM施工工程和TBM制造業(yè)的主戰(zhàn)戰(zhàn)場。意大利隧道協(xié)協(xié)會主席S.Pelizza事實上，僅從從合格的TBM制造廠家訂購購一臺特定類類型的TBM是遠遠不夠的的；相反，所有相相關各方之間間的持續(xù)合作作以及TBM的用戶（承包包商）對設計計、施工所有有細節(jié)的控制制是極為重要要的。因為至今尚沒沒有任何類型型TBM設計與施工的的“認可標準準”，且TBM的設計、制造造是一個持續(xù)續(xù)的技術創(chuàng)新新過程。每項工程都有有自身的特點點，每家承包包商都有自身身的傳統(tǒng)和意意見等，所以以制造的每臺臺TBM都與其他的TBM不同。美國地下建筑筑協(xié)會主席ReillyJohn中國今后20年乃至50年的規(guī)劃，，面臨極其復復雜的風險挑挑戰(zhàn)和現(xiàn)實條條件限制，不不依賴具有現(xiàn)現(xiàn)代最高掘進進技術成就的的TBM，是不可想象的的。最重要的是獲獲取經驗，而而不是設備，，僅通過購買買先進的TBM是達不到預期期效果的。可可根據地質條條件選用合適適TBM，并培養(yǎng)出不同同地質條件下下