我国特长隧道TBM技术研究与发展

中国特长隧道工程TBM技术创新与展望中国特长隧道工程中国特长隧道工程TBMTBM技术创新与展望技术创新与展望2011-3-192报告内容报告内容„„第第11部分部分国内外国内外TBMTBM现状及发展概况现状及发展概况„„第第22部分部分TBMTBM案例案例--大伙房特长输水隧洞大伙房特长输水隧洞„„第第33部分部分展望展望2011-3-193第第11部分部分国内外国内外TBMTBM现状及发展概况现状及发展概况„„1.11.1引言引言„„1.2TBM1.2TBM历史历史„„1.3TBM1.3TBM分类分类„„1.41.4各类各类TBMTBM的优缺点的优缺点„„1.5TBM1.5TBM国内外应用现状国内外应用现状„„1.5.11.5.1国外应用情况国外应用情况„„1.5.21.5.2国内应用情况国内应用情况„„1.61.6主要关键技术及存在问题主要关键技术及存在问题2011-3-1941.11.1引言引言„„我国是世界上建成隧道昀多，累计里程昀大的国家。我国我国是世界上建成隧道昀多，累计里程昀大的国家。我国已建成的铁路隧道约有已建成的铁路隧道约有75387538座、总延长座、总延长4314km4314km。其中，长。其中，长度超过度超过5km5km的隧道有的隧道有5353座。计划未来座。计划未来1010年，我国将新开工年，我国将新开工修建铁路隧道总长度超过修建铁路隧道总长度超过5000km5000km，目前开工和正在设计的，目前开工和正在设计的隧道已经超过隧道已经超过2100km2100km，其中特长隧道总长度约，其中特长隧道总长度约760km760km，超，超过规划修建隧道总长度的过规划修建隧道总长度的1/31/3。隧道总长度超过。隧道总长度超过100km100km的线的线路有兰州路有兰州--重庆铁路（约重庆铁路（约480km480km）、向塘）、向塘--莆田铁路（约莆田铁路（约290km290km）、大理）、大理--瑞丽铁路（约瑞丽铁路（约225km225km）、包头）、包头--西安铁路西安铁路（约（约167km167km）、利川）、利川--涪陵铁路（约涪陵铁路（约183km183km）等。正在修建）等。正在修建昀长的隧道为青藏线西宁昀长的隧道为青藏线西宁--格尔木段增建第二线的关角隧格尔木段增建第二线的关角隧道，总长度为道，总长度为32.6km32.6km。。2011-3-195线别线别线路长度／线路长度／kmkm隧道数量／座隧道数量／座隧道长度／％隧道长度／％隧线比／％隧线比／％设计速度设计速度／／km/h)km/h)武汉武汉——广州广州87487423223216416418.7718.77350350郑州郑州——西安西安4854853838777715.8815.88350350石家庄石家庄——太原太原1901902727737338.5838.58250250宁波宁波——温州温州2742745858898932.4832.48250250温州温州——福州福州298298727216316354.854.8250250福州福州——厦门厦门263263313133331414250250合肥合肥——武汉武汉356356373764641818250250合计合计2740274049549566366324.224.2完成的部分高速铁路隧道完成的部分高速铁路隧道2011-3-1961.11.1引言引言„„公路交通在公路交通在““十一五十一五””期间，新增公路网总期间，新增公路网总3737万公里，其万公里，其中高速公路中高速公路2.42.4万公里、二级以上公路万公里、二级以上公路12.412.4万公里。估计万公里。估计隧道累计长度将超过隧道累计长度将超过5000km5000km。已建成的秦岭公路隧道达。已建成的秦岭公路隧道达18.02km18.02km。。„„水利水电在水利水电在““十一五十一五””期间也有较大的发展。我国是水电期间也有较大的发展。我国是水电资源丰富的国家，同时又是电力缺口比较大的国家，发展资源丰富的国家，同时又是电力缺口比较大的国家，发展水力发电是解决电力缺口的重要途径。水电隧洞的长度历水力发电是解决电力缺口的重要途径。水电隧洞的长度历来比公路和铁路隧道长，目前国内昀长的水工隧道已达到来比公路和铁路隧道长，目前国内昀长的水工隧道已达到85.32km85.32km。南水北调西线一期工程隧洞总长。南水北调西线一期工程隧洞总长253km253km，其中昀，其中昀长隧洞为长隧洞为73km73km。由于地处高寒、低气压、缺氧、多雪灾、。由于地处高寒、低气压、缺氧、多雪灾、雷暴等环境恶劣地区，只能采用掘进机施工。据不完全统雷暴等环境恶劣地区，只能采用掘进机施工。据不完全统计，今后一段时期，我国调水工程所涉及隧洞累计长度将计，今后一段时期，我国调水工程所涉及隧洞累计长度将超过超过800km800km。。2011-3-1971.11.1引言引言¾¾我国城市轨道交通飞速发展，批准建设的城市达到我国城市轨道交通飞速发展，批准建设的城市达到2525个，其中个，其中有地铁有地铁的城市：的城市：北京、天津、上海、广州、深圳、南京、成都、沈阳、香港、台北、北京、天津、上海、广州、深圳、南京、成都、沈阳、香港、台北、高雄高雄¾¾正在建的城市：正在建的城市：西安、杭州、武汉西安、杭州、武汉、苏州、哈尔滨、长春、重庆、佛山、苏州、哈尔滨、长春、重庆、佛山----¾¾规划中或者开始建设地铁的城市规划中或者开始建设地铁的城市宁波、长沙、无锡、郑州、青岛、东莞、合肥、南昌、济南、福州、宁波、长沙、无锡、郑州、青岛、东莞、合肥、南昌、济南、福州、厦门、常州、澳门厦门、常州、澳门----„„将要开工建设的轨道交通线路达到将要开工建设的轨道交通线路达到26102610kmkm，基本采用盾构方法施工，，基本采用盾构方法施工，投入可能超过投入可能超过70007000亿元。亿元。2011-3-198目前我国隧道施工，钻爆法仍然是主流，新奥法（新奥法（NATM）则是它们的基础理论，遭遇到大量软弱围岩隧道，如何更好的解决此类恶劣地层条件隧道施工的技术难题，充分发挥隧道全断面机械化施工的工作效率，确保工程质量和安全，是当前急需解决的问题。2011-3-199洞口施工不当造成坍方洞口施工不当造成坍方2011-3-1910隧道内施工不当造成各种坍塌隧道内施工不当造成各种坍塌2011-3-1911各种各样的软土地层隧道分步开挖方法2011-3-1912硬岩隧道钻爆法施工硬岩隧道钻爆法施工2011-3-1913隧道新奧工法应用经验教训隧道新奧工法应用经验教训„„我国隧道及地下工程推广应用新奥法（我国隧道及地下工程推广应用新奥法（NATMNATM），已），已经发展了三十多年，它已经成为我国隧道工程技术进经发展了三十多年，它已经成为我国隧道工程技术进步的重要组成部分，并且已经逐步形成了新奥工法。步的重要组成部分，并且已经逐步形成了新奥工法。谈新奥工法须分为两部份来解释：一是当作隧道开挖谈新奥工法须分为两部份来解释：一是当作隧道开挖理念；二是当作隧道开挖及支护施工技术。当作隧道理念；二是当作隧道开挖及支护施工技术。当作隧道开挖理念来自岩石隧道，当作隧道开挖及支护施工技开挖理念来自岩石隧道，当作隧道开挖及支护施工技术来自土质隧道。新奥工法已被用在许多大型的地下术来自土质隧道。新奥工法已被用在许多大型的地下洞室开挖，虽然有很多新奥工法的失败案例，一般是洞室开挖，虽然有很多新奥工法的失败案例，一般是人为的疏失所造成而不是方法本身。人为的疏失所造成而不是方法本身。2011-3-1914隧道新奧工法应用经验教训隧道新奧工法应用经验教训„„但是，对于我国大量的水文地质条件复杂的隧道但是，对于我国大量的水文地质条件复杂的隧道（洞）及地下工程，单纯地采用新奥工法进行施（洞）及地下工程，单纯地采用新奥工法进行施工，其进度慢、安全性差、环境影响大，已经不工，其进度慢、安全性差、环境影响大，已经不能满足现代隧道工程建设和技术发展的要求。如能满足现代隧道工程建设和技术发展的要求。如何实现全断面机械化开挖、如何加快施工进度、何实现全断面机械化开挖、如何加快施工进度、如何确保施工安全，如何减少对环境影响，新奥如何确保施工安全，如何减少对环境影响，新奥工法表现出它的局限性。工法表现出它的局限性。2011-3-19151.11.1引言引言„„综上所述，为满足我国跨越式发展中铁路及其它行业的长综上所述，为满足我国跨越式发展中铁路及其它行业的长大隧道、隧洞工程修建的需要，加大力度在长大隧道中推大隧道、隧洞工程修建的需要，加大力度在长大隧道中推进进TBMTBM技术应用和技术应用和TBMTBM的国产化，可以提高隧道施工速度、的国产化，可以提高隧道施工速度、减少对环境的影响、减少劳动强度、改善施工安全情况，减少对环境的影响、减少劳动强度、改善施工安全情况，符合国家符合国家““以人为本以人为本””、、““可持续发展可持续发展””的科学发展观。的科学发展观。铁路、水电、地铁、公路在铁路、水电、地铁、公路在““十十二二五五””期间的发展将有大期间的发展将有大批长大隧洞的建设，为隧道技术的进步和发展提供了巨大批长大隧洞的建设，为隧道技术的进步和发展提供了巨大舞台和机遇。舞台和机遇。2011-3-1916TBMTBM的定义的定义„„TBMTBM（（TunnelBoringMachineTunnelBoringMachine））„„泛指隧道掘进机。在实际应用中，就岩石性质来说，国内习惯将掘进机分为软岩泛指隧道掘进机。在实际应用中，就岩石性质来说，国内习惯将掘进机分为软岩隧道掘进的隧道掘进的盾构盾构和适合中硬及以上围岩隧道掘进的岩石掘进机－和适合中硬及以上围岩隧道掘进的岩石掘进机－TBMTBM。。„„TBMTBM--岩石隧道掘进机，是利用儀具在岩石上挤压和回转来破碎围岩、形成隧道岩石隧道掘进机，是利用儀具在岩石上挤压和回转来破碎围岩、形成隧道开挖断面的隧道掘进施工机械。相对钻爆法，开挖断面的隧道掘进施工机械。相对钻爆法，TBMTBM集钻、掘进、支护于一体，集钻、掘进、支护于一体，使用电子、遥测、遥控、信息等高新技术对隧道施工作业进行制导监控，使掘进使用电子、遥测、遥控、信息等高新技术对隧道施工作业进行制导监控，使掘进过程始终处于掘进昀佳状态。过程始终处于掘进昀佳状态。„„盾构盾构用于在具有有限压力的水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧用于在具有有限压力的水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。它面临的基本问题是开挖掌子面的稳定和地表沉降控制问题。一般需要通过道。它面临的基本问题是开挖掌子面的稳定和地表沉降控制问题。一般需要通过加压来保持掌子面及围岩稳定。加压来保持掌子面及围岩稳定。„„TBMTBM一般在稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的岩层中掘进的长大隧道。一般在稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的岩层中掘进的长大隧道。这类掘进机面临的基本问题是如何破岩，保持掘进的高效率和工程顺利。这类掘进机面临的基本问题是如何破岩，保持掘进的高效率和工程顺利。„„岩石隧道掘进机主要分为臂式掘进机和全断面掘进机两类。这里主要介绍全断面岩石隧道掘进机主要分为臂式掘进机和全断面掘进机两类。这里主要介绍全断面硬岩掘进机，并简称为硬岩掘进机，并简称为TBMTBM。。2011-3-19171.2TBM1.2TBM历史历史„„11）国外）国外TBMTBM发展简况发展简况„„18461846年－年－TBMTBM的雏形，由意大利的雏形，由意大利HenriHenri--JosephJosephMausMaus发明，将岩石钻机发明，将岩石钻机固定的钻架上，用于意法之间的固定的钻架上，用于意法之间的MONCENISMONCENIS隧道掘进。隧道掘进。„„18511851年－连续掘进机年－连续掘进机TBMTBM诞生，美国诞生，美国CharlesWilsonCharlesWilson开发了一台蒸汽开发了一台蒸汽机驱动的机驱动的TBMT