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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T
2、BM 1956年又成功研制中硬岩TBM 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 0 25 3 00m中型TBM 3 0 8 0m巨型TBM 大于 8 0m SingleShieldTBM 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 DoubleShieldTBM 可伸缩护盾 刀盘
3、 活动支撑鞋 辅助推进油缸 管片 GripperTBM 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 四 TBM破岩方式与原理 续 圆盘型滚刀破岩原理圆盘型滚刀 图a 工作压力
4、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 四 TBM破岩方式与原理 续 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 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
5、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 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
6、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
7、工技术于一体的最高成就 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 云南西洱河水电站引水隧道引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道引大入秦总干渠38号隧道北京落坡岭水电工程贵州猫跳河水电站引水隧道福建龙门滩引水隧道江西萍乡 山西怀仁 山西古交 云南羊场煤矿 国内应用 续 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 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
8、 总长122km 最高月进尺1637m 月 日掘进113m 日 辽宁大伙房引水工程 全长85 32km 3台 8 0m开敞式 新疆大阪输水隧道工程 全长30 68km 德国海瑞克双护盾TBM 青海引大济湟总干渠工程 德国Wirth双护盾TBM 5 93m 全长19 94km 西康铁路秦岭 线隧道 掘进5 621km 8 8m开敞式TBM 西安南京铁路桃花铺1号隧道 掘进7 23km 机型同上 西安南京铁路磨沟岭隧道 掘进6 11km 机型同上 南疆铁路吐库二线中天山隧道 机型同上 兰渝铁路西秦岭隧道 10 23mRobbins开敞式TBM 重庆地铁一号线 2台 6 36m开敞式TBM 第二节掘
9、进机法施工流程 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 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
10、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
11、 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 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 N
12、o 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 工程地质条件 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q 100MPa的岩
13、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 只有铣削滚筒式掘进机可在软岩中掘进非圆形断面隧道 开挖隧道直径1 8 12m之间 以直径3 6m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3 8km最佳 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 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
14、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 选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层 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 将导致运输困难与承载力问题 开挖长度TBM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1 2个月 TBM后续设备长100 200m 为正规地进行掘进也需先
15、筑一段长200m左右的隧道 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 国外在断面10 30m2 长1000km以上的隧道开挖 优先考虑采用TBM施工 最佳开挖长度为3000km以上 短隧道慎用 工程所在地的道路设施TBM的运输与组装要求注意工程所在地的基础设施条件 搬运计划应考虑道路宽度 高度与重量等限制 根据组装条件充分调查运输时的分割方法 即最小分割尺寸与重量 TBM一般在工厂试组装 试运输后分割 分割重量约为35t 断面3 5 3 5m左右 TBM施工电耗较高 约为同规模其他工法施工的双车道隧道的1 5倍 规划时应充分考虑 TBM选用应考虑的条件
16、工程规模 隧道形状 长度 直径 埋深 走向 地质情况 岩石类型与强度 节理分布与发育程度 断层 暗河 溶洞 地下水分布 已有地表建筑 河流等基础设施 交通运输能力 水电来源 进出洞口场地施工进度与企业能力 制造维修 经济 施工管理与习惯 第四节掘进机法施工要点 TBM施工管理措施TBM工厂化施工是一项管理系统工程 施工与设备管理水平的提高是其高效率与高效益的保证 在一般地质条件下 国外掘进机净掘进时间在40 50 左右 提高设备完好率 强调预防性维修 选择合理掘进系数 定时检查 更换与调换刀具配件储备与供应定岗定责 标准化作业地质超前预报控制测量与施工测量精度电力专供洞口平纵面条件 作业场地 大型临时工程等施工准备 衬砌施工技术要点衬砌结构一般是由临时或初期支护以及二次衬砌组成 在隧道设计时 就应确定基本支护形式 引水隧道大都采用护盾式TBM进行管片衬砌的结构形式 公 铁隧道除进行临时支护外 一般视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模注混凝土作为永久衬砌 管片式衬砌护盾式TBM一般采用圆形全周管片式衬砌 该类衬砌适合于软弱围岩 管片间应安装止水条 并在管片外圆与洞壁间隙间压入豆石与注浆
