隧道掘进机(TBM)施工剖析

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1、第三章 隧道掘进机(TBM)施工 主讲内容：施工流程施工技术要求施工 要点 第一节 隧道掘进机法基本概念 一、TBM发展历史简介 u隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )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。 u1818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。 u1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。 u1851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。 u1881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。 u美国罗宾斯(Ro

2、bbins)公司1952年研制出第一台软岩 TBM，1956年又成功研制中硬岩TBM。 二、国外主要制造商 u德国威尔特(Wirth)公司 u德国德马克(Dcmag)公司 u美国罗宾斯(Robbins)公司 u美国贾瓦(Jarva)公司 u德国海瑞克(Herrenknecht)公司 u加拿大拉瓦特(Lovat)公司 u日本三菱重工(Mitsubishi Heavy Industries) 三、TBM分类 u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。 u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。 u单护

3、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。 u微型TBM：0.253.00m u中型TBM： 3.08.0m u巨型TBM： 大于8.0m Single Shield TBM 护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机 第二章 山岭隧道施工技术 Double Shield TBM 可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；辅助推进油缸；管片 Gripper TBM 支撑鞋；钢支架举升器；锚杆安装机构；钢筋网举升器 四、TBM破岩方式与原理 TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式 u挤压式 主要是通过水平推进油缸

4、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 u切削式 主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度 的510%)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 四、TBM破岩方式与原理(续) u圆盘型滚刀破岩原理 圆盘型滚刀(图a)工作压力50200kN，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

5、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)。 四、TBM破岩方式与原理(续) u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。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。 四、TBM破岩方式与原理(续) u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

6、的作用下而剪切破坏。 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 整条隧道地质情况均差时采用单护盾TBM ； 良好地质条件中则采用开敞式TBM； 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。 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，

7、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。 u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 。 u国内应用 国内TBM研发制造始于二十

8、世纪六十年代中期 ，共生产10余台直径2.55.8m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20300m，累计总掘进长度12km。 u云南西洱河水电站引水隧道 u引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道 u引大入秦总干渠38号隧道 u北京落坡岭水电工程 u贵州猫跳河水电站引水隧道 u福建龙门滩引水隧道 u江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿 u国内应用(续) u甘肃引大入秦水磨沟输水隧道5.54m；11649m； Robbins双护盾TBM；最高月进尺1300.8m/月 u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

9、高月进尺 1637m/月，日掘进113m/日 u辽宁大伙房引水工程全长85.32km，3台8.0m开敞 式 u新疆大阪输水隧道工程全长30.68km，德国海瑞克双 护盾TBM u青海引大济湟总干渠工程德国Wirth双护盾TBM， 5.93m，全长19.94km u西康铁路秦岭线隧道掘进5.621km，8.8m开敞式 TBM u西安南京铁路桃花铺1号隧道掘进7.23km,机型同上 u西安南京铁路磨沟岭隧道掘进6.11km,机型同上 u南疆铁路吐库二线中天山隧道机型同上 u兰渝铁路西秦岭隧道10.23mRobbins开敞式TBM u重庆地铁一号线2台6.36m开敞式TBM 第二节 掘进机法施工流程

10、 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 Robbins开敞式TBM循环作业流程 STEP 1: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 STEP 2:准备换步。刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重 STEP 3:主支撑回缩。推进油缸回缩将自由态主支撑前拉回 位 STEP 4: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。 STEP 5:返回第一步，TBM准备下一循环掘进。 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

11、及吸尘、通风装置等几部分组成。 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。 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。 TBM基本构造(续) 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。 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。 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。 第三章 隧道掘进机(TBM)施工

12、第三节 掘进机法施工技术要求 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。 判定依据 隧道围岩的抗压强度、裂缝状态、涌水状态等岩性条件 机械构造、TBM直径等机械条件； 隧道断面、长度、位置状况、地址条件等。 TBM工法选用流程 (参见下页流程图) 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

13、、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 No Yes TBM工法研究流程框图 工程地质条件 主要调查影响TBM使用的地质条件。 影响TBM选用的地质因素 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 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。 2挤挤出性膨胀胀性 围围岩 2 4轻轻微挤挤出性地 压压大的围围岩 4 10地压压大有地压压 的围围岩 10几乎无地压压的围围岩 工程地质条件

14、(续) 影响TBM效率的地质因素 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。 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。 岩石硬度。一般地，对于q100MPa的岩层，其石英含 量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。 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。 工程地质条件(续) TBM适用范围 一般只适用于圆形断面隧道，只有铣削滚筒式掘

15、进机可 在软岩中掘进非圆形断面隧道。 开挖隧道直径1.812m之间，以直径36m最为成熟。 一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km， 以38km最佳。 适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20250MPa， 尤以50100MPa最佳。 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500600m，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。 选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。 机械条件 uTBM不仅受地质条件约束，还受到开挖直径、开 挖机构的约束。 u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。 u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。 u随着开挖直径的增大，需要增大推力，支撑靴也 要增大，将导致运输困难与承载力问题。 开挖长度 uTBM进场需经历运输、组装等过程。根据其直径 与型式、运输途径、组装基地状况等不同，需准 备12个月。 uTBM后续设备长100200m，为正规地进行掘进 也需先筑一段长200m左右的隧道。 u隧道长度小于1000m时，其运行成本急剧增大。 达3000m左右时的成本大致是一定的。 u国外在断面1030m2、长1000km以上的隧道开 挖，优先考虑采用TBM施工。 u最佳开挖长度