地下空間工程導(dǎo)論-第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程課件

地下空間工程導(dǎo)論第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程4與掘進(jìn)機(jī)施工配套的支護(hù)方式3掘進(jìn)機(jī)施工1概述2掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型與構(gòu)造1.1有關(guān)概念和TBM開(kāi)展歷史1概述1.隧道常用施工方法

鉆爆法明挖法

機(jī)械法——掘進(jìn)機(jī)法沉埋法第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2.隧道掘進(jìn)機(jī)械◆隧道掘進(jìn)機(jī)械，一般分為兩種：〔1〕臂式掘進(jìn)機(jī)(Boom-typeRoadheader)；〔2〕全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)TBM。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程◆隧道掘進(jìn)機(jī)(TunnelBoringMachine)，簡(jiǎn)稱(chēng)TBM，是利用回轉(zhuǎn)刀具切削破巖及掘進(jìn)，形成整個(gè)隧道斷面的一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。3.定義第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程◆臂式掘進(jìn)機(jī)又稱(chēng)為局部斷面掘進(jìn)機(jī)，是一種集切削巖石、自動(dòng)行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。3.定義第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程(1)平安——人員在局部或整體的護(hù)盾下工作(2)快速——常規(guī)鉆爆法掘進(jìn)速度的3～10倍(3)優(yōu)質(zhì)——洞壁光滑美觀(guān)(4)自動(dòng)化和機(jī)械化程度高〔節(jié)省勞動(dòng)力——經(jīng)濟(jì)〕(5)圍巖擾動(dòng)小(6)對(duì)環(huán)境影響小1.3隧道掘進(jìn)機(jī)施工特點(diǎn)1.優(yōu)點(diǎn)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

(1)能耗大(2)斷面單一(3)對(duì)巖層變化的適應(yīng)性差(4)一次性購(gòu)置TBM投資高(5)主機(jī)重量大，運(yùn)輸不方便，安裝工作量大(6)短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)越性(不經(jīng)濟(jì))2.缺點(diǎn)1.3隧道掘進(jìn)機(jī)施工特點(diǎn)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程◆1846年——TBM由意大利人Maus創(chuàng)造?！?851年——美國(guó)人威爾遜開(kāi)發(fā)了一臺(tái)TBM，在花崗巖中試用未獲成功?！?881年——波蒙特開(kāi)發(fā)了壓氣式TBM，成功應(yīng)用于英吉利海峽隧道直徑為2.1m的勘探導(dǎo)坑?！?952年——美國(guó)羅賓斯公司研制了現(xiàn)代意義上的第1臺(tái)軟巖TBM?！?956年——美國(guó)羅賓斯公司又研制成功中硬巖TBM。從此，TBM進(jìn)入快速開(kāi)展時(shí)期。1.開(kāi)展歷史——大事記1.4掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用與開(kāi)展第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2.應(yīng)用——國(guó)外

近年來(lái)，國(guó)外采用掘進(jìn)機(jī)完成的大型隧道有：

(1)英法海底鐵路隧道——單洞長(zhǎng)約50km，使用11臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，工期三年多時(shí)間；

(2)瑞士費(fèi)爾艾那隧道——長(zhǎng)19km，其中約9.5km采用掘進(jìn)機(jī)施工；

(3)瑞士穿越阿爾卑斯山新圣哥達(dá)鐵路隧道——長(zhǎng)達(dá)57km；

(4)美國(guó)芝加哥TARP工程排水隧道——大約40多km，全部采用掘進(jìn)機(jī)施工。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

(1)

1970年代末，甘肅引大入秦和山西萬(wàn)家寨引水工程——采用掘進(jìn)機(jī)獲得成功(意大利CMC公司承包)。

(2)1998.1～1999.8，西康鐵路秦嶺特長(zhǎng)隧道——引入德國(guó)Wirth公司TB880E型掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行長(zhǎng)18.5km，直徑8.8m的I線(xiàn)隧道施工，平均掘進(jìn)速度為313.7ｍ/月。3.應(yīng)用——國(guó)內(nèi)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

4.國(guó)外掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)展技術(shù)水平

◆開(kāi)挖直徑范圍為；

◆可在抗壓強(qiáng)度360MPa的巖體中掘進(jìn)80-100m2大斷面隧道，

平均掘進(jìn)速度350-400m/月；

◆能開(kāi)挖45°的斜井；

◆盤(pán)形滾刀的最大直徑達(dá)483mm，其承載能力達(dá)312kN；刀具

的壽命達(dá)300～500m；

◆單臺(tái)掘進(jìn)機(jī)的最大總進(jìn)尺已超過(guò)40km。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程5.世界上著名的巖石掘進(jìn)機(jī)制造廠(chǎng)商

美國(guó)：羅賓斯(Ｒobbins)公司(已歸屬阿特拉斯公司)

佳瓦(Jarva)公司

德國(guó)：維爾特(Wirth)公司

海瑞克(Herrenknecht)公司

瑞典：阿特拉斯.科普柯(Atlas.Copco)公司

加拿大：拉瓦特(Lovat)公司

日本：川崎(Kawasaki)公司

三菱(Mitsubishi)公司

日立(Hitachi)公司第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型與構(gòu)造隧道掘進(jìn)機(jī)(巖石)全斷面掘進(jìn)機(jī)開(kāi)敞式懸臂式掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾式單臂式多臂式單撐靴式雙撐靴式單護(hù)盾式雙護(hù)盾式◎掘進(jìn)機(jī)的類(lèi)型第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

2.1全斷面掘進(jìn)機(jī)◆適合于軟巖隧道；

◆頂推反力利用尾部安裝的襯砌管片。

◆適合于硬巖隧道；

◆頂推反力與刀盤(pán)扭矩力依靠圍巖堅(jiān)硬壁面提供；(1)開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)(2)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

中鐵隧道局研發(fā)的開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)型號(hào)：TB880E開(kāi)挖直徑：8.8米掘進(jìn)速度：3.5m/h西康鐵路秦嶺隧道西安-南京線(xiàn)磨溝嶺隧道最高月進(jìn)度：574米〔磨溝嶺隧道〕最高日進(jìn)度：41.3米〔磨溝嶺隧道〕第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)模型第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2.1.1開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)◆開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)根本有兩種型式：?jiǎn)螕窝ナ?、雙撐靴式。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

●刀座

●吊耳

●人工檢查用腳踏點(diǎn)和把手

●周邊鏟斗，可更換鏟齒或鏟碴板

●帶防護(hù)罩噴水孔

●人孔通道

●與刀盤(pán)回轉(zhuǎn)軸承相連接的精加工部件及螺栓孔2.1.1開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造(1)刀盤(pán)主要構(gòu)造：刀盤(pán)；控制系統(tǒng)，支撐和推進(jìn)系統(tǒng)；后部配套設(shè)備。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程ThebiggesthardrocktunnelboringmachineintheworldissettostartworkontheBrisbaneNorth-SouthBypassTunnelinDecember2007.Themachineis250Mlong,weighs4000Tandisalmost13Mindiameter.第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

●掘進(jìn)中，刀具受順刀圈徑向和側(cè)向復(fù)合壓力及刀圈和巖石間摩擦力。

●在均一完整巖石中，刀具主要受徑向壓力，而所受側(cè)向力并不大。

●實(shí)際巖石是不均質(zhì)和有裂紋的，每把滾刀受力不均一。

●刀具破碎巖石過(guò)程，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生大量熱能，將降低刀圈壽命，因此須作降溫處理。

(2)刀具的力學(xué)特性第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程(3)滾刀數(shù)量確實(shí)定

◆切削刀盤(pán)上滾刀平面布置是根據(jù)滾刀類(lèi)型和合理刀間距確定的。在一定間距下，刀盤(pán)直徑與滾刀數(shù)量間的關(guān)系可以從右圖中查驗(yàn)。

第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程(4)支撐和推進(jìn)系統(tǒng)◆單撐靴式

◆雙撐靴式第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程(5)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)◆刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)方式有兩大類(lèi)：電動(dòng)和液壓。

◆電動(dòng)又分單速電機(jī)、雙速電機(jī)和調(diào)頻電機(jī)。◆液壓系統(tǒng)◆供電系統(tǒng)◆運(yùn)輸系統(tǒng)◆通風(fēng)系統(tǒng)◆降溫、防塵、供水及平安系統(tǒng)◆隧道支護(hù)設(shè)備系統(tǒng)◆其它輔助設(shè)施(6)后配套設(shè)備第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程TBM組裝圖第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程TBM組裝圖第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程TBM組裝圖第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程TBM組裝圖第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程(1)單護(hù)盾TBM——常用于劣質(zhì)地層。(2)雙護(hù)盾TBM——適用于各種地質(zhì)，既適應(yīng)軟巖，也適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層?！舯日眨?jiǎn)巫o(hù)盾TBM推進(jìn)時(shí)，要利用管片作為支撐，與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片兩者不能同時(shí)進(jìn)行，速度較慢。2.1.2護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程SingleShieldTBM

①護(hù)盾；②液壓推進(jìn)油缸；③管片；④刀盤(pán)；⑤裝渣斗；⑥皮帶輸送機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程DoubleShieldTBM

①可伸縮護(hù)盾；②刀盤(pán)；③活動(dòng)支撐鞋；④輔助推進(jìn)油缸；⑤管片第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程臂式掘進(jìn)機(jī)又稱(chēng)為局部斷面掘進(jìn)機(jī)，是一種集切削巖石、自動(dòng)行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。2.2臂式掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程臂式掘進(jìn)機(jī)具有效率高、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、對(duì)圍巖擾動(dòng)小、超挖量小、平安性高、適應(yīng)性強(qiáng)，以及費(fèi)用相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn)?！艨梢赃m應(yīng)任意形狀的斷面；

◆對(duì)地質(zhì)條件的要求較低，適合軟巖及中硬巖隧道的掘進(jìn)；

◆連續(xù)掘進(jìn)，支護(hù)可實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)

◆根本投資費(fèi)用少，約為全斷面掘進(jìn)機(jī)的15%左右。

◆中短隧道施工更為適用。壁式掘進(jìn)機(jī)的特點(diǎn)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖與支護(hù)平行作業(yè)示意圖

第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖作業(yè)示意圖

第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程重型隧道掘進(jìn)機(jī)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

臂式掘進(jìn)機(jī)切削頭

第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

在掘進(jìn)時(shí)切削刀盤(pán)上的滾刀沿巖石開(kāi)挖面滾動(dòng)，切削刀盤(pán)均勻地對(duì)每個(gè)滾刀施加壓力，形成對(duì)巖面的滾動(dòng)擠壓，切削刀盤(pán)每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，就會(huì)貫入巖面一定深度，在滾刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個(gè)區(qū)域開(kāi)始，裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴，從而實(shí)現(xiàn)破巖，如右圖。3掘進(jìn)機(jī)施工3.1破巖機(jī)理1.機(jī)理第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程◆貫入深度堅(jiān)硬和裂隙很少巖石，一般為轉(zhuǎn),中等堅(jiān)硬和裂隙較多巖石中，一般為5-9mm/轉(zhuǎn)。

◆滾刀間距滾刀間距太大，滾刀產(chǎn)生壓力達(dá)不到與相鄰滾刀的影響范圍相接，從而使開(kāi)挖效率降低。反之，如果刀間距太小，那么會(huì)浪費(fèi)設(shè)備的功率。

◆巖體的裂隙掘進(jìn)機(jī)施工不僅要注意巖石抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)注意巖石磨蝕性和巖體裂隙程度，當(dāng)巖體節(jié)理裂隙面間距越大時(shí)，切割也就會(huì)越困難。2.影響因素第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程3.2掘進(jìn)作業(yè)

開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)循環(huán)

第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖隧道的高效率源于隧道施工的工廠(chǎng)化，但要發(fā)揮最正確效益，就必須加強(qiáng)管理。3.3施工管理1.保證有效作業(yè)時(shí)間

將整個(gè)有效的作業(yè)時(shí)間作為凈掘進(jìn)時(shí)間是不可能的，因?yàn)椋骸Ｔ谝话愕刭|(zhì)條件下，掘進(jìn)機(jī)凈掘進(jìn)時(shí)間在50%左右是較為理想的。例如，某掘進(jìn)機(jī)工點(diǎn)作業(yè)時(shí)間分配為：重新支撐3.2%、刀具更換13.8%、檢修5.5%、后配套檢修6.6%、支護(hù)1.7%、工地延誤3.8%、其它11.1%、掘進(jìn)54.3%。第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2.提高設(shè)備完好率3.合理選用刀具參數(shù)4.保證配件供給5.管理人員對(duì)掘進(jìn)方向的地質(zhì)情況應(yīng)有足夠的了解6.提高隧道控制測(cè)量和施工測(cè)量的精度7.應(yīng)建立專(zhuān)門(mén)的供電機(jī)構(gòu)，確保供電質(zhì)量8.精心設(shè)計(jì)，統(tǒng)籌安排，嚴(yán)格施工第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程一般仍是由初期支護(hù)和二次襯砌組成。

初期支護(hù)：噴射混凝土

二次襯砌：噴射混凝土

模筑混凝土

管片襯砌

不管是哪種類(lèi)型的襯砌，為了安放軌道運(yùn)碴，都必須設(shè)置預(yù)制仰拱塊，它也是最終襯砌的一局部。4與掘進(jìn)機(jī)施工配套的支護(hù)型式襯砌結(jié)構(gòu)的組成第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

見(jiàn)圖10-13，使用護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)時(shí)，一般采用圓形管片襯砌，分為5～7塊，在洞內(nèi)拼裝而成。4.1管片襯砌1.構(gòu)成第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程優(yōu)點(diǎn)：適合軟弱圍巖，特別是當(dāng)圍巖允許承載力很低，撐靴不能支撐巖面時(shí)，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進(jìn)反力；當(dāng)撐靴可以支撐巖面時(shí)，雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)可以使掘進(jìn)和換步同時(shí)進(jìn)行，提高了循環(huán)速度；利用管片安裝機(jī)安裝管片速度快、支護(hù)效果好，平安性強(qiáng)。

缺點(diǎn)：造價(jià)高。為了防水需要，塊與塊之間必須安裝止水帶，并需在管片外壁和巖壁間隙中壓入豆石和注漿。為了生產(chǎn)預(yù)制管片，需要有管片工廠(chǎng)，如工地施工場(chǎng)地允許，最好是設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)，以方便運(yùn)輸，如秦嶺鐵路隧道就是如此。4.1管片襯砌2.特點(diǎn)第三篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程

使用開(kāi)敞式掘進(jìn)機(jī)，可以先施作初期支護(hù)，然后澆灌二次模筑混凝土永久性襯砌，即復(fù)合式襯砌，見(jiàn)圖10-14，其底部為預(yù)制仰拱塊。如秦嶺Ⅰ線(xiàn)鐵路隧道。4.2復(fù)合式襯砌1.構(gòu)造第三篇