隧道掘進機TBM施工演示文稿

隧道掘進機TBM施工演示文稿第一頁，共三十五頁。優(yōu)選隧道掘進機TBM施工第二頁，共三十五頁。第一節(jié)隧道掘進機法基本概念一、TBM發(fā)展歷史簡介隧道掘進機(TunnelBoringMachine

)是一種用機械破碎巖石、出碴與支護實行連續(xù)作業(yè)的綜合設備，它是由盾構技術發(fā)展而來的。1818年英國布魯諾(Brunel)受蛀蟲鉆孔啟示，最早提出盾構雛形與施工方法。1846年意大利人Maus發(fā)明隧道掘進機(盾構)。1851年美國人查理士·威爾遜研制出TBM試用于花崗巖掘進未獲成功。1881年波蒙特開發(fā)出壓縮空氣式TBM，成功用于英吉利海峽隧道直徑2.1m的勘探導坑。美國羅賓斯(Robbins)公司1952年研制出第一臺軟巖TBM，1956年又成功研制中硬巖TBM。第三頁，共三十五頁。二、國外主要制造商德國威爾特(Wirth)公司德國德馬克(Dcmag)公司美國羅賓斯(Robbins)公司美國賈瓦(Jarva)公司德國海瑞克(Herrenknecht)公司加拿大拉瓦特(Lovat)公司日本三菱重工(Mitsubishi

Heavy

Industries)第四頁，共三十五頁。三、TBM分類開敞式TBM：配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設備。常用于硬巖，采取有效支護手段后也可應用于軟巖隧道。

雙護盾TBM：適用于各種地質，既能適應軟巖，也能適應硬巖或軟硬巖交互地層。單護盾TBM：常用于劣質地層。單護盾TBM推進時利用管片作支撐，其原理類似于盾構。與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片不能同時進行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0m第五頁，共三十五頁。SingleShieldTBM

①護盾；②液壓推進油缸；③管片；④刀盤；⑤裝渣斗；⑥皮帶輸送機第六頁，共三十五頁。

第二章山嶺隧道施工技術

DoubleShieldTBM

①可伸縮護盾；②刀盤；③活動支撐鞋；④輔助推進油缸；⑤管片第七頁，共三十五頁。GripperTBM①支撐鞋；②鋼支架舉升器；③錨桿安裝機構；④鋼筋網(wǎng)舉升器第八頁，共三十五頁。四、TBM破巖方式與原理

TBM破巖方式主要有：擠壓式與切削式擠壓式

主要是通過水平推進油缸使刀盤上的滾刀強行壓入巖體，并在刀盤旋轉推進過程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體。 滾刀類型：圓盤型、楔齒形、球齒型切削式

主要利用巖石抗彎、抗剪強度低(僅為抗壓強度的5~10%)的特點，靠銑削(即剪切)與彎斷破碎巖體。 在兩種破巖方式總的破巖體積中，大部分并不是由刀具直接切割下來的，而是由后進刀具剪切破碎的，先形成破碎溝或切削槽是先決條件第九頁，共三十五頁。四、TBM破巖方式與原理(續(xù))圓盤型滾刀破巖原理

圓盤型滾刀(圖a)工作壓力50~200kN，巖體表面在刀圈刀尖強集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑(見圖b)。隨著滾刀滾動，在巖面上形成一條條的破碎溝，破碎溝之間巖石AO1O2B受滾刀側刃擠壓力的作用而剪切破碎。當切入深度h較大時，剪裂面為O1O2(圖c)。第十頁，共三十五頁。四、TBM破巖方式與原理(續(xù))楔齒型與球齒型滾刀破巖原理

最初由楔齒尖端在滾刀轉動情況下產生切向張力破壞巖石的表面，切人深度為λ。然后由齒尖的楔入力繼續(xù)引起剪切破壞，楔入深度為h。由于各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，適用于硬巖掘進。第十一頁，共三十五頁。四、TBM破巖方式與原理(續(xù))削刀破巖原理

削刀在擠壓力Pv和切割力PH作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū)2，隨著刀具的回轉運動形成剪力破碎區(qū)3。削刀繼續(xù)回轉即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，兩槽之間的巖石在削刀側向擠壓力R的作用下而剪切破壞。第十二頁，共三十五頁。五、單護盾TBM與盾構的區(qū)別 前者采用皮帶機出碴而盾構則采用螺旋輸送機或泥漿泵通過管道出碴；前者不具備平衡掌子面的功能，而盾構則采用土壓力或泥水壓力平衡開挖面水土壓力。六、TBM選用

①整條隧道地質情況均差時采用單護盾TBM；

②良好地質條件中則采用開敞式TBM；

③雙護盾TBM常用于復雜地層的長隧道開挖，一般適用于中厚埋深、中高強度、地質穩(wěn)定性基本良好的隧道，對各種不良地質與巖石強度變化有較好適應性。第十三頁，共三十五頁。七、國內外應用概況

TBM施工法始于二十世紀三十年代，限于機械技術水平，其應用實例甚少。五六十年代隨著機械工業(yè)與掘進機技術水平的不斷提高發(fā)展較快。迄今為止，世界上采用TBM施工的隧道超過1000座，總長度超過4000km，以逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。國外典型應用——英吉利海峽隧道 由2條外徑8.6m單線鐵路隧道與1條外徑5.6m輔助隧道組成。全長48.5km，海底段長37.5km，隧道最深處在海平面下100m，全部采用TBM施工。英國側6臺，岸邊段3臺海底段3臺(單向推進21.2km)。法國側5臺，岸邊段2臺海底段3臺。最深處需承受10atm水壓力，平均月進尺1000m/月。 隧道建成標志著TBM施工技術的最高水平，也是融合英、美、法、德等國TBM施工技術于一體的最高成就。第十四頁，共三十五頁。國內應用 國內TBM研發(fā)制造始于二十世紀六十年代中期，共生產10余臺直徑2.5~5.8m的TBM，先后用于下列水電與煤礦井巷工程。國產機型月均進尺20~300m，累計總掘進長度12km。云南西洱河水電站引水隧道引灤入津新王莊隧道陡河電站的引水隧道引大入秦總干渠38號隧道北京落坡嶺水電工程貴州貓?zhí)铀娬疽淼栏＝堥T灘引水隧道江西萍鄉(xiāng)、山西懷仁、山西古交、云南羊場煤礦

第十五頁，共三十五頁。國內應用(續(xù))甘肅引大入秦水磨溝輸水隧道[Φ5.54m；11649m；Robbins雙護盾TBM；最高月進尺1300.8m/月]引黃入晉總干6、7、8號與南干4、5、6、7號隧道[Robbins雙護盾TBM，總長122km，最高月進尺1637m/月，日掘進113m/日]遼寧大伙房引水工程[全長85.32km，3臺Φ8.0m開敞式]新疆大阪輸水隧道工程[全長30.68km，德國海瑞克雙護盾TBM]青海引大濟湟總干渠工程[德國Wirth雙護盾TBM，Φ5.93m，全長19.94km]西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道[掘進5.621km，Φ8.8m開敞式TBM]西安南京鐵路桃花鋪1號隧道[掘進7.23km,機型同上]西安南京鐵路磨溝嶺隧道[掘進6.11km,機型同上]南疆鐵路吐庫二線中天山隧道[機型同上]蘭渝鐵路西秦嶺隧道[Φ10.23mRobbins開敞式TBM]重慶地鐵一號線[2臺Φ6.36m開敞式TBM]第十六頁，共三十五頁。第二節(jié)掘進機法施工流程TBM施工主要流程

施工準備→全斷面開挖與出渣→外層管片式襯砌或初期支護→TBM前推→管片外灌漿或二次襯砌Robbins開敞式TBM循環(huán)作業(yè)流程STEP1:作業(yè)開始。主支撐前位撐緊洞壁，后支撐腿提起。刀盤轉動，推進油缸伸出，TBM前部前移一個作業(yè)行程STEP2:準備換步。刀盤停轉，后支撐腿抵住仰拱承重STEP3:主支撐回縮。推進油缸回縮將自由態(tài)主支撐前拉回位STEP4:主支撐回位后伸出支撐鞋抵緊巖壁，后支撐提起，TBM定位找正，坡道上必要時先定坡度。STEP5:返回第一步，TBM準備下一循環(huán)掘進。第十七頁，共三十五頁。第十八頁，共三十五頁。TBM基本構造

TBM由破巖機構、推進機構、巖碴裝運機構、導向調向機構及吸塵、通風裝置等幾部分組成。破巖機構 滾刀或削刀在強大軸推力的作用下旋轉，切削與剪切破碎巖石。推進機構

主支撐鞋頂撐洞壁以支承和推進機身。副支撐鞋控制振動與方向。第十九頁，共三十五頁。TBM基本構造(續(xù))出碴機構 破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉到頂部卸入集料斗，經皮帶機裝車運出洞外。導向及調向機構 導向機構是用來指示和校核掘進機推進的方向，使其保證符合設計的軸線和坡度的要求。通風及吸塵裝置

掘進機工作時將產生大量的熱量與粉塵。故對通風、降塵要求較高。一般在刀盤頭部安裝有吸塵設備和噴水裝置，掘進時連續(xù)噴水降塵。機房內專設通風降溫設備。

第三章隧道掘進機(TBM)施工

第二十頁，共三十五頁。第三節(jié)掘進機法施工技術要求基本原則

TBM掘進斷面大可達10m以上，小僅為1.8m。由于TBM與輔助施工技術日臻完善以及現(xiàn)代高科技成果(液壓新技術、電子技術與材料科學技術等)的應用大大提高了TBM對各種困難條件的適應性，因此簡單從開挖可能性來考慮TBM的適用范圍是不全面的。

判定依據(jù)隧道圍巖的抗壓強度、裂縫狀態(tài)、涌水狀態(tài)等巖性條件機械構造、TBM直徑等機械條件；隧道斷面、長度、位置狀況、地址條件等。TBM工法選用流程

(參見下頁流程圖)第二十一頁，共三十五頁。

初步調查地質構造分析地表調查彈性波速度阻抗試驗鉆孔調查開挖直徑刀具直徑與數(shù)量馬達刀具轉速后續(xù)設備等循環(huán)、支護輔助工法、臨時設計

與鉆爆法比較

線路決定

地質調查

當?shù)貤l件TBM規(guī)格決定施工計劃經濟分析實施計劃變更線路其他方法NoYesTBM工法研究流程框圖第二十二頁，共三十五頁。工程地質條件

主要調查影響TBM使用的地質條件。影響TBM選用的地質因素隧道地壓。是否存在塑性地壓？ 指標：圍巖強度比(軟巖)；圍巖抗剪強度比(似砂土軟巖)

圍巖強度比斷層破碎帶、軟弱泥巖以及蛇紋巖等膨脹性巖層掘進困難涌水狀態(tài)。涌水范圍、大小與壓力會造成工作面崩塌與承載力低下，應慎用。α＜2擠出性——膨脹性圍巖2＜α＜4輕微擠出性——地壓大的圍巖4＜α＜10地壓大——有地壓的圍巖α＞10幾乎無地壓的圍巖第二十三頁，共三十五頁。工程地質條件(續(xù))影響TBM效率的地質因素巖石強度。開挖難易一般用抗壓強度來判定。刀具消耗應考慮巖石中石英粒范圍、大小與抗拉強度等判斷。巖層裂隙。巖層節(jié)理、層理、片理對開挖效率影響極大。裂隙適度發(fā)育的巖層，即使抗壓強度大也能進行較為有效的開挖。巖石硬度。一般地，對于q＜100MPa的巖層，其石英含量較多、粒徑較大，刀具磨耗很大。破碎帶等惡劣條件。在破碎帶、風化帶等難于自穩(wěn)的困難條件下進行機械開挖，均需采取輔助施工方法配合施工。特別是在有涌水的條件下更為困難，拱頂崩塌、機體下沉、支承反力降低等問題時有發(fā)生。第二十四頁，共三十五頁。工程地質條件(續(xù))TBM適用范圍一般只適用于圓形斷面隧道，只有銑削滾筒式掘進機可在軟巖中掘進非圓形斷面隧道。開挖隧道直徑1.8~12m之間，以直徑3~6m最為成熟。一次性連續(xù)開挖長度不宜短于1km，也不宜長于10km，以3~8km最佳。適用于中硬巖層，巖石單軸抗壓強度介于20~250MPa，尤以50~100MPa最佳。地質條件對TBM掘進效率影響很大。在良好巖層中月進尺可達500~600m，而在破碎巖層中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停機處理。選用TBM開挖隧道應盡量避開復雜不良巖層。第二十五頁，共三十五頁。機械條件TBM不僅受地質條件約束，還受到開挖直徑、開挖機構的約束。在硬巖中開挖大直徑隧道很是困難。日本實例的最大直徑僅為5m左右。目前TBM多數(shù)是單軸回轉式。若開挖直徑越大，刀頭內周與外周的周差速越大，將對刀頭產生種種不良影響。隨著開挖直徑的增大，需要增大推力，支撐靴也要增大，將導致運輸困難與承載力問題。第二十六頁，共三十五頁。開挖長度TBM進場需經歷運輸、組裝等過程。根據(jù)其直徑與型式、運輸途徑、組裝基地狀況等不同，需準備1~2個月。TBM后續(xù)設備長100~200m，為正規(guī)地進行掘進也需先筑一段長200m左右的隧道。隧道長度小于1000m時，其運行成本急劇增大。達3000m左右時的成本大致是一定的。國外在斷面10~30m2、長1000km以上的隧道開挖，優(yōu)先考慮采用TBM施工。最佳開挖長度為3000km以上，短隧道慎用。第二十七頁，共三十五頁。工程所在地的道路設施TBM的運輸與組裝要求注意工程所在地的基礎設施條件。搬運計劃應考慮道路寬度、高度與重量等限制，根據(jù)組裝條件充分調查運輸時的分割方法(即最小分割尺寸與重量)。TBM一般在工廠試組裝、試運輸后分割。分割重量約為35t，斷面3.5×3.5m左右。TBM施工電耗較高，約為同規(guī)模其他工法施工的雙車道隧道的1.5倍，規(guī)劃時應充分考慮。TBM選用應考慮的條件工程規(guī)模：隧道形狀、長度、直徑、埋深、走向；地質情況：巖石類型與強度、節(jié)理分布與發(fā)育程度、斷層、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、河流等基礎設施：交通運輸能力、水電來源、進出洞口場地施工進度與企業(yè)能力(制造維修、經濟、施工管理與習慣)第二十八頁，共三十五頁。第四節(jié)掘進機法施工要點TBM施工管理措施

TBM工廠化施工是一項管理系統(tǒng)工程。施工與設備管理水平的提高是其高效率與高效益的保證。在一般地質條件下，國外掘進機凈掘進時間在40～50％左右。提高設備完好率，強調預防性維修。選擇合理掘進系數(shù)，定時檢查、更換與調換刀具配件儲備與供應定崗定責，標準化作業(yè)地質超前預報控制測量與施工測量精度電力專供洞口平縱面條件、作業(yè)場地、大型臨時工程等施工準備第二十九頁，共三十五頁。襯砌施工技術要點 襯砌結構一般是由臨時或初期支護以及二次襯砌組成。在隧道設計時，就應確定基本支護形式。引水隧道大都采用護盾式TBM進行管片襯砌的結構形式；公、鐵隧道除進行臨時支護外，一般視地質情況采用二次噴射混凝土或二次模注混凝土作為永久襯砌。管片式襯砌 護盾式TBM一般采用圓形全周管片式襯砌。該類襯砌適合于軟弱圍巖。管片間應安裝止水條，并在管片外圓與洞壁間隙間壓入豆石與注漿。二次模筑混凝土襯砌[Fig.3-12]

開敞式掘進機一般隨開挖先施作臨時支護，再進行二次模注混凝土襯砌。亦可采用二次噴射混凝土作為永久襯砌，加鋼筋網(wǎng)或鋼纖維。第三十頁，共三十五頁。不良地質地段施工 掘進