地下工程非开挖技术与装备-隧道掘进机TBM

中南大学杨忠炯第二章典型工程机械第四节地下工程非开挖技术与装备4、隧道掘进机(TBM)施工主讲内容：①施工流程②施工技术要求③施工要点中南大学杨忠炯1隧道掘进机法基本概念（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。中南大学杨忠炯美国：罗宾斯(Ｒobbins)公司(已归属阿特拉斯公司)佳瓦(Jarva)公司德国：维尔特(Wirth)公司德国:德马克(Dcmag)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2.世界上著名的岩石掘进机制造厂商中南大学杨忠炯（三）、TBM分类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中南大学杨忠炯隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式◎掘进机的类型中南大学杨忠炯全断面掘进机◆适合于软岩隧道；◆顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。◆适合于硬岩隧道；◆顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面提供；(1)开敞式掘进机(2)护盾式掘进机中南大学杨忠炯开敞式隧道掘进机中南大学杨忠炯第10章隧道掘进机开挖技术中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机型号：TB880E开挖直径：8.8米掘进速度：3.5m/h西康铁路秦岭隧道西安-南京线磨沟岭隧道最高月进度：574米（磨沟岭隧道）最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）中南大学杨忠炯开敞式隧道掘进机中南大学杨忠炯开敞式隧道掘进机中南大学杨忠炯开敞式隧道掘进机中南大学杨忠炯SingleShieldTBM①护盾；②液压推进油缸；③管片；④刀盘；⑤装渣斗；⑥皮带输送机中南大学杨忠炯DoubleShieldTBM①可伸缩护盾；②刀盘；③活动支撑鞋；④辅助推进油缸；⑤管片中南大学杨忠炯GripperTBM①支撑鞋；②钢支架举升器；③锚杆安装机构；④钢筋网举升器中南大学杨忠炯（四）、TBM破岩方式与原理TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式1.挤压式主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。滚刀类型：圆盘型、楔齿形、球齿型2.切削式主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度的5~10%)的特点，靠铣削(即剪切)与弯断破碎岩体。在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件中南大学杨忠炯（四）、TBM破岩方式与原理(续)3.圆盘型滚刀破岩原理圆盘型滚刀(图a)工作压力50~200kN，岩体表面在刀圈刀尖强集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑(见图b)。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度h较大时，剪裂面为O1O2(图c)。中南大学杨忠炯（四）、TBM破岩方式与原理(续)4.楔齿型与球齿型滚刀破岩原理最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩石的表面，切人深度为λ。然后由齿尖的楔入力继续引起剪切破坏，楔入深度为h。由于各齿环的齿节是不同的，因此加大了楔齿的破岩效果。球齿型滚刀的破岩原理与楔齿型滚刀相同，适用于硬岩掘进。中南大学杨忠炯（四）、TBM破岩方式与原理(续)5.削刀破岩原理削刀在挤压力Pv和切割力PH作用下，首先在刀尖处形成切碎区2，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，两槽之间的岩石在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。中南大学杨忠炯（五）、单护盾TBM与盾构的区别前者采用皮带机出碴而盾构则采用螺旋输送机或泥浆泵通过管道出碴；前者不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面水土压力。（六）、TBM选用①整条隧道地质情况均差时采用单护盾TBM；②良好地质条件中则采用开敞式TBM；③双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有较好适应性。中南大学杨忠炯七、国内外应用概况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。1.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。中南大学杨忠炯2.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、云南羊场煤矿中南大学杨忠炯2.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]中南大学杨忠炯2掘进机法施工流程一．TBM施工主要流程施工准备→全断面开挖与出渣→外层管片式衬砌或初期支护→TBM前推→管片外灌浆或二次衬砌二．Robbins开敞式TBM循环作业流程STEP1:作业开始。主支撑前位撑紧洞壁，后支撑腿提起。刀盘转动，推进油缸伸出，TBM前部前移一个作业行程STEP2:准备换步。刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重STEP3:主支撑回缩。推进油缸回缩将自由态主支撑前拉回位STEP4:主支撑回位后伸出支撑鞋抵紧岩壁，后支撑提起，TBM定位找正，坡道上必要时先定坡度。STEP5:返回第一步，TBM准备下一循环掘进。中南大学杨忠炯中南大学杨忠炯三．TBM基本构造TBM由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几部分组成。1.破岩机构滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转，切削与剪切破碎岩石。2.推进机构主支撑鞋顶撑洞壁以支承和推进机身。副支撑鞋控制振动与方向。中南大学杨忠炯三．TBM基本构造(续)3.出碴机构破岩形成的片状石碴，由安装在刀盘上的铲碴斗铲起，铲斗旋转到顶部卸入集料斗，经皮带机装车运出洞外。4.导向及调向机构导向机构是用来指示和校核掘进机推进的方向，使其保证符合设计的轴线和坡度的要求。5.通风及吸尘装置掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘。故对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装置，掘进时连续喷水降尘。机房内专设通风降温设备。中南大学杨忠炯第三节掘进机法施工技术要求一．基本原则TBM掘进断面大可达10m以上，小仅为1.8m。由于TBM与辅助施工技术日臻完善以及现代高科技成果(液压新技术、电子技术与材料科学技术等)的应用大大提高了TBM对各种困难条件的适应性，因此简单从开挖可能性来考虑TBM的适用范围是不全面的。1.判定依据①隧道围岩的抗压强度、裂缝状态、涌水状态等岩性条件②机械构造、TBM直径等机械条件；③隧道断面、长度、位置状况、地址条件等。2.TBM工法选用流程(参见下页流程图)中南大学杨忠炯初步调查地质构造分析地表调查弹性波速度阻抗试验钻孔调查开挖直径刀具直径与数量马达刀具转速后续设备等循环、支护辅助工法、临时设计与钻爆法比较线路决定地质调查当地条件TBM规格决定施工计划经济分析实施计划变更线路其他方法NoYesTBM工法研究流程框图中南大学杨忠炯二．工程地质条件主要调查影响TBM使用的地质条件。1.影响TBM选用的地质因素①隧道地压。是否存在塑性地压？指标：围岩强度比(软岩)；围岩抗剪强度比(似砂土软岩)围岩强度比断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难②涌水状态。涌水范围、大小与压力会造成工作面崩塌与承载力低下，应慎用。α＜2挤出性——膨胀性围岩2＜α＜4轻微挤出性——地压大的围岩4＜α＜10地压大——有地压的围岩α＞10几乎无地压的围岩qh中南大学杨忠炯二．工程地质条件(续)2.影响TBM效率的地质因素①岩石强度。开挖难易一般用抗压强度来判定。刀具消耗应考虑岩石中石英粒范围、大小与抗拉强度等判断。②岩层裂隙。岩层节理、层理、片理对开挖效率影响极大。裂隙适度发育的岩层，即使抗压强度大也能进行较为有效的开挖。③岩石硬度。一般地，对于q＜100MPa的岩层，其石英含量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。④破碎带等恶劣条件。在破碎带、风化带等难于自稳的困难条件下进行机械开挖，均需采取辅助施工方法配合施工。特别是在有涌水的条件下更为困难，拱顶崩塌、机体下沉、支承反力降低等问题时有发生。中南大学杨忠炯二．工程地质条件(续)3.TBM适用范围①一般只适用于圆形断面隧道，只有铣削滚筒式掘进机可在软岩中掘进非圆形断面隧道。②开挖隧道直径1.8~12m之间，以直径3~6m最为成熟。③一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km，以3~8km最佳。④适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20~250MPa，尤以50~100MPa最佳。⑤地质条件对TBM掘进效率影响很大。在良好岩层中月进尺可达500~600m，而在破碎岩层中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停机处理。⑥选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。中南大学杨忠炯三．机械条件TBM不仅受地质条件约束，还受到开挖直径、开挖机构的约束。在硬岩中开挖大直径隧道很是困难。日本实例的最大直径仅为5m左右。目前TBM多数是单轴回转式。若开挖直径越大，刀头内周与外周的周差速越大，将对刀头产生种种不良影响。随着开挖直径的增大，需要增大推力，支撑靴也要增大