隧道工程第九章隧道掘进机(TBM)施工

隧道工程SUIDAOGONGCHENG9隧道工程SUIDAOGONGCHENG『第九章▎隧道掘进机（TBM）施工『9.1▎概述『9.2▎敞开式掘进机基本构造『9.3▎掘进『9.4▎衬砌施工『9.5▎不良地质地段施工『9.6▎掘进机导坑超前扩挖法隧道工程SUIDAOGONGCHENG上海地铁隧道运用盾构机进行施工隧道工程SUIDAOGONGCHENG『9.1▎概述隧道掘进机法：不采用爆破方法，而是采用专门的大型掘进机开挖隧道的方法。有的适用于软弱不稳定地层，称为（机械化）盾构，目前盾构在我国的交通隧道施工中，一般还只用于城市地铁施工。有的适用于坚硬岩石地层，习惯上所说的隧道掘进机就是指这类岩石掘进机(TunnelBoringMachine)，简称TBM。掘进机包括：1.机械盾构：适用于软弱不稳定地层；2.岩石掘进机：适用于坚硬岩石地层。隧道工程SUIDAOGONGCHENG一、TBM发展历史简介隧道掘进机(TunnelBoringMachine)是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示，最早提出盾构雏形与施工方法。1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。1851年美国人查理士·威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功。1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM，成功用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘探导坑。美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一台软岩TBM，1956年又成功研制中硬岩TBM。隧道工程SUIDAOGONGCHENG二、国外主要制造商德国威尔特(Wirth)公司德国德马克(Dcmag)公司美国罗宾斯(Robbins)公司美国贾瓦(Jarva)公司德国海瑞克(Herrenknecht)公司加拿大拉瓦特(Lovat)公司日本三菱重工(MitsubishiHeavyIndustries)第三章隧道掘进机(TBM)施工隧道工程SUIDAOGONGCHENG美国ROBBINS公司1951年成立，专长生产硬岩TBM。直径范围2~11.87M。生产了400多台开敞式硬岩TBM，掘进长度2500KM；生产了35台双护盾TBM，掘进长度359KM。德国WIRTH公司1955年成立，专长生产硬岩TBM。生产了120台硬岩TBM，掘进长度达600KM。加拿大拉罗威特LOVAT公司1992年成立，专长生产盾构TBM。共生产了200台盾构TBM，掘进长度1000KM。日本主要盾构TBM生产厂家日本川琦重工、小松、日立施工机械、三菱重工等公司专长生产各种盾构TBM。隧道工程SUIDAOGONGCHENG德国海瑞克HERRENKNECTHTAG公司1977年成立，专长生产盾构TBM。1985年研制出能在地下水位下工作的大直径TBM。1988年制造出直径大于10M的混合盾构TBM。隧道工程SUIDAOGONGCHENG三、掘进机的国内外发展现状TBM施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，其应用实例甚少。五六十年代随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高发展较快。迄今为止，世界上采用TBM施工的隧道超过1000座，总长度超过4000km，以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。国外典型应用——英吉利海峡隧道由2条外径8.6m单线铁路隧道与1条外径5.6m辅助隧道组成。全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m，全部采用TBM施工。英国侧6台，岸边段3台海底段3台(单向推进21.2km)。法国侧5台，岸边段2台海底段3台。最深处需承受10atm水压力，平均月进尺1000m/月。隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平，也是融合英、美、法、德等国TBM施工技术于一体的最高成就。隧道工程SUIDAOGONGCHENG国内应用国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期，共生产10余台直径2.5~5.8m的TBM，先后用于下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺20~300m，累计总掘进长度12km。①云南西洱河水电站引水隧道②引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道③引大入秦总干渠38号隧道④北京落坡岭水电工程⑤贵州猫跳河水电站引水隧道⑥福建龙门滩引水隧道⑦江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿隧道工程SUIDAOGONGCHENG国内应用(续)①甘肃引大入秦水磨沟输水隧道[Φ5.54m；11649m；Robbins双护盾TBM；最高月进尺1300.8m/月]②引黄入晋总干6、7、8号与南干4、5、6、7号隧道[Robbins双护盾TBM，总长122km，最高月进尺1637m/月，日掘进113m/日]③辽宁大伙房引水工程[全长85.32km，3台Φ8.0m开敞式]④新疆大阪输水隧道工程[全长30.68km，德国海瑞克双护盾TBM]⑤青海引大济湟总干渠工程[德国Wirth双护盾TBM，Φ5.93m，全长19.94km]⑥西康铁路秦岭Ⅰ线隧道[掘进5.621km，Φ8.8m开敞式TBM]⑦西安南京铁路桃花铺1号隧道[掘进7.23km,机型同上]⑧西安南京铁路磨沟岭隧道[掘进6.11km,机型同上]⑨南疆铁路吐库二线中天山隧道[机型同上]⑩兰渝铁路西秦岭隧道[Φ10.23mRobbins开敞式TBM]11重庆地铁一号线[2台Φ6.36m开敞式TBM]隧道工程SUIDAOGONGCHENG（一）国内TBM应用1、开敞式硬岩TBM1997年西安－安康铁路秦岭Ⅰ线隧道，隧洞全长18.452公里TBM：两台德国WIRTH的TB880E型开敞式硬岩掘进机直径：8.8m地质：混合花岗岩和混合片麻岩，单轴抗压强度98~325Mpa，隧洞最大埋深达1600米。工期：1998年1月18日开工，1999年8月29日贯通。最好进尺：日40.5米，月528.1米。2000年西安－南京铁路磨沟岭隧道，6.112KMTBM：WIRTH，TB880ETBM隧道工程SUIDAOGONGCHENG2、双护盾TBM应用1988年引大入秦总干30#A和38#隧洞，总长：16.6KMTBM：一台美国ROBBINS1811256型双护TBM直径：5.54m地质：砂砾岩，泥质粉砂岩、砂岩、灰岩、板岩，抗压强度：26133Mpa.工期：1991年1月开工，1992年8月贯通。最好进尺：日75.2米，月1408米1992年1月引大入秦30A隧洞隧道工程SUIDAOGONGCHENG1993年万家寨引黄总干6#、7#、8#隧洞，总长21.5KMTBM：一台ROBBINS205277型双护盾TBM直径：6.125m地质：灰岩、白云质灰岩工期：1994年7月17日开工，1997年9月6日贯通。最好进尺：日65.6米，月1084米1996年1月10日引黄工程总干8#洞贯通隧道工程SUIDAOGONGCHENG2000年万家寨引黄工程联接段V标7#隧洞，长13.52KMTBM：ROBBINS双护盾155274型TBM一台直径：4.82m地质：石灰岩工期：2000年12月2日开工，2001年9月27日贯通。最好进尺：日113.21米，月1637.52米2001年9月29日V标7#隧洞贯通2002年昆明市掌鸠合引水供水工程I标上，公山隧洞，康乐隧洞总长21.56KMTBM：ROBBINS双护TBM一台直径：3.655m，地质：泥岩、泥质板岩隧道工程SUIDAOGONGCHENG3、盾构机应用1985年以后，我国从日本、法国、德国相继引进了约16台盾构（EPB和泥水盾构），并与法国的FCB公司合作生产了7台EPB，同时还研制了3台EPB。主要工程：上海地铁I、II、III号线；广州地铁I、II、III号线；北京地铁V号线；南京地铁I号线首台国产地铁盾构机先行号隧道工程SUIDAOGONGCHENG（二）国外TBM发展世界最大的TBM－直径14.2米混合盾构隧道工程SUIDAOGONGCHENG微型TBM隧道工程SUIDAOGONGCHENG双圆或三圆TBM隧道工程SUIDAOGONGCHENG母子盾构TBM椭圆型断面TBM隧道工程SUIDAOGONGCHENG矩形断面TBM隧道工程SUIDAOGONGCHENG四、掘进机的施工特点：优点：1.与钻爆法相比，掘进机法可适用于较差地质条件；2.掘进速度快，机械化程度高；3.显著改善施工环境、劳动条件好；4.围岩扰动小。最大优点是快速，施工速度为常规钻爆法的3～10倍。缺点：1.一次投资大，主机重量大，运输不方便，安装工作量大；2.短隧道使用不经济；3.对地质条件的适用性差。隧道工程SUIDAOGONGCHENG五、掘进机的类型山岭隧道掘进机分全断面掘进机、臂式掘进机。开敞式TBM：配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设备。常用于硬岩，采取有效支护手段后也可应用于软岩隧道。双护盾TBM：适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。单护盾TBM：常用于劣质地层。单护盾TBM推进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双护盾TBM相比，掘进与安装管片不能同时进行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0m隧道工程SUIDAOGONGCHENG全断面掘进机分类：1.开敞式：适用于硬岩隧道。2.护盾式：既能用于软岩、又能用于硬岩。（1）单护盾（2）双护盾（1）单水平撑靴（2）双水平撑靴隧道工程SUIDAOGONGCHENG（一）开敞式掘进机适用：硬岩隧道1.基本构造组成：掘进刀盘、主机架、撑靴（即千斤顶）、出渣输送机等。单撑靴式和双撑靴式。全断面掘进机『9.2▎盾构机构造隧道工程SUIDAOGONGCHENG全断面掘进机隧道工程SUIDAOGONGCHENG（1）单水平撑靴掘进机特点：在机身的水平方向每侧只设置了一个水平撑靴，故称为单撑靴式。基本构造：①主梁和掘进刀盘支架是掘进机的构架，为所用其它构件提供安装支点；②掘进刀盘的四周安装了刀盘护盾，利用可调试顶盾、侧盾和下支撑保持一种保持一种浮动支撑，从而保证了切削刀盘的稳定；③主梁上安装推力千斤顶和支撑系统。由于每侧只采用了一个水平撑靴，因此它在掘进过程中，方向调整是随时进行的，掘进的轨迹是曲线。隧道工程SUIDAOGONGCHENG（2）双水平撑靴掘进机特点：在机身的前后每侧有两个水平撑靴，故称为双撑靴式。基本构造：①主机架的后端与后下支撑连接，推进千斤顶推动主机架及掘进刀盘前进；②在掘进中有两对水平撑靴撑紧洞避，因此掘进方向一经定位，只能沿着直线掘进，只有在重新定位后，才能调整方向，所以掘进机轨迹是折线。隧道工程SUIDAOGONGCHENG水平撑靴的方式：X型撑靴、T型撑靴等掘进机双水平撑靴型式隧道工程SUIDAOGONGCHENG2.切削刀盘（掘进刀盘）主要组成：（1）刀盘～用于安装滚刀（2）滚刀～用于挤压破碎岩石（3）出渣～用刀盘上的铲斗、铲齿和刮渣器将石渣送进刀盘正面上的进渣口，经刀盘内部的导引板将石渣通过漏斗传送到皮带输送机上运走。3.支撑和推进系统（1）支撑系统～即撑靴（2）推进系统～推进千斤顶4.刀盘驱动系统和刀具（1）刀盘的驱动方式①电动；②液压（2）刀具（滚刀）易损件。频繁更换刀具，会导致费用增加，且占有掘进机的工作时间。5后部配套设备掘进机刀盘示意图隧道工程SUIDAOGONGCHENG隧道工程SUIDAOGONGCHENG隧道工程SUIDAOGONGCHENG隧道工程SUIDAOGONGCHENG护盾式掘进机（二）护盾式掘进机隧道工程SUIDAOGONGCHENG护盾式掘进机隧道工程SUIDAOGONGCHENG加拿大罗威特盾构机隧道工程SUIDAOGONGCHENG分单护盾掘进机、双护盾掘进机。1.单护盾掘进机适用：软岩隧道特点：设置单护盾，图中红线，向前掘进和安装管片不能同时进行，因而降低了施工进度，无撑靴。隧道工程SUIDAOGONGCHENG单护盾作用：保护掘进机和操作人员的安全。单护盾掘进机工作方式：当向前掘进时，需要推进千斤顶紧紧的顶住护盾尾部已安装的管片，因