隧道掘進機(TBM)施工

單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第三章 隧道掘進機(,TBM,)施工,主講內容：,施工流程施工技術要求施工要點,第一節(jié) 隧道掘進機法基本概念,一、TBM發(fā)展歷史簡介,隧道掘進機,(,T,unnel,B,oring,M,achine,),是一種用機械破碎巖石、出碴與支護實行連續(xù)作業(yè)的綜合設備，它是由,盾構,技術發(fā)展而來的。,1818,年英國,布魯諾,(,Brunel,),受,蛀蟲鉆孔,啟示，最早提出盾構雛形與施工方法。,1846,年意大利人,Maus,發(fā)明隧道掘進機,(,盾構,),。,1851,年美國人,查理士,威爾遜,研制出,TBM,試用于花崗巖掘進未獲成功。,1881,年,波蒙特,開發(fā)出壓縮空氣式,TBM,，成功用于,英吉利海峽隧道,直徑,2.1m,的勘探導坑。,美國,羅賓斯,(Robbins),公司,1952,年研制出第一臺,軟巖,TBM,，,1956,年又成功研制,中硬巖,TBM,。,二、國外主要制造商,德國,威爾特,(Wirth),公司,德國,德馬克,(,Dcmag,),公司,美國,羅賓斯,(Robbins),公司,美國,賈瓦,(,Jarva,),公司,德國,海瑞克,(,Herrenknecht,),公司,加拿大,拉瓦特,(,Lovat,),公司,日本,三菱重工,(MitsubishiHeavyIndustries),三、TBM分類,開敞式,TBM,：配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設備。常用于硬巖，采取有效支護手段后也可應用于軟巖隧道。,雙護盾,TBM,：適用于各種地質，既能適應軟巖，也能適應硬巖或軟硬巖交互地層,。,單護盾,TBM,：常用于劣質地層。單護盾,TBM,推進時利用管片作支撐，其原理類似于盾構。與雙護盾,TBM,相比，掘進與安裝管片不能同時進行。,微型,TBM,：,0.253.00m,中型,TBM,：,3.08.0m,巨型,TBM,：大于,8.0m,Single Shield,TBM,護盾；液壓推進油缸；管片；刀盤；裝渣斗；皮帶輸送機,第二章 山嶺隧道施工技術,Double Shield,TBM,可伸縮護盾；刀盤；活動支撐鞋；輔助推進油缸；管片,Gripper,TBM,支撐鞋；鋼支架舉升器；錨桿安裝機構；鋼筋網(wǎng)舉升器,四、TBM破巖方式與原理,TBM破巖方式主要有：擠壓式與切削式,擠壓式,主要是通過,水平推進油缸,使,刀盤,上的,滾刀,強行壓入巖體，并在刀盤旋轉推進過程中聯(lián)合,擠壓與剪切作用,破碎巖體。,滾刀類型：,圓盤型,、,楔齒形,、,球齒型,切削式,主要利用巖石抗彎、抗剪強度低,(,僅為抗壓強度的,510%),的特點，靠銑削,(,即剪切,),與彎斷破碎巖體。,在兩種破巖方式總的破巖體積中，大部分并不是由刀具直接切割下來的，而是由后進刀具剪切破碎的，先形成破碎溝或切削槽是先決條件,四、TBM破巖方式與原理(續(xù)),圓盤型,滾刀破巖原理,圓盤型滾刀,(,圖,a),工作壓力,50200kN,，巖體表面在刀圈刀尖強,集中力,作用下破碎而被切人，并形成切入坑,(,見圖,b),。隨著滾刀滾動，在巖面上形成一條條的破碎溝，破碎溝之間巖石,AO,1,O,2,B,受滾刀側刃擠壓力的作用而,剪切破碎,。當切入深度,h,較大時，剪裂面為,O,1,O,2,(,圖,c),。,四、TBM破巖方式與原理(續(xù)),楔齒型,與,球齒型,滾刀破巖原理,最初由楔齒尖端在滾刀轉動情況下產生切向張力破壞巖石的表面，切人深度為,。然后由齒尖的楔入力繼續(xù)引起剪切破壞，楔入深度為,h,。由于各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，適用于硬巖掘進。,四、TBM破巖方式與原理(續(xù)),削刀,破巖原理,削刀在擠壓力,P,v,和切割力,P,H,作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū),2,，隨著刀具的回轉運動形成剪力破碎區(qū),3,。削刀繼續(xù)回轉即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，兩槽之間的巖石在削刀側向擠壓力,R,的作用下而剪切破壞。,五、單護盾,TBM,與盾構的,區(qū)別,前者采用皮帶機出碴而盾構則采用螺旋輸送機或泥漿泵通過管道出碴；前者不具備平衡掌子面的功能，而盾構則采用土壓力或泥水壓力平衡開挖面水土壓力。,六、,TBM,選用,整條隧道地質情況均差時采用,單護盾,TBM,；,良好地質條件中則采用,開敞式,TBM,；,雙護盾,TBM,常用于復雜地層的長隧道開挖，一般適用于中厚埋深、中高強度、地質穩(wěn)定性基本良好的隧道，對各種不良地質與巖石強度變化有較好適應性。,七、國內外應用概況,TBM施工法始于二十世紀三十年代，限于機械技術水平，其應用實例甚少。五六十年代隨著機械工業(yè)與掘進機技術水平的不斷提高發(fā)展較快。迄今為止，世界上采用TBM施工的隧道超過1000座，總長度超過4000km，以逐步成為長大隧道修建的主要施工方法之一。,國外典型應用,英吉利海峽隧道,由,2,條外徑,8.6m,單線鐵路隧道與,1,條外徑,5.6m,輔助隧道組成。全長,48.5km,，海底段長,37.5km,，隧道最深處在海平面下,100m,，全部采用,TBM,施工。英國側,6,臺，岸邊段,3,臺海底段,3,臺,(,單向推進,21.2km),。法國側,5,臺，岸邊段,2,臺海底段,3,臺。最深處需承受,10atm,水壓力，平均月進尺,1000m/,月。,隧道建成標志著,TBM,施工技術的最高水平，也是融合英、美、法、德等國,TBM,施工技術于一體的最高成就。,國內應用,國內,TBM,研發(fā)制造始于二十世紀六十年代中期，共生產,10,余臺直徑,2.55.8m,的,TBM,，先后用于下列水電與煤礦井巷工程。國產機型月均進尺,20300m,，累計總掘進長度,12km,。,云南,西洱河,水電站引水隧道,引灤入津,新王莊,隧道陡河電站的引水隧道,引大入秦,總干渠,38,號隧道,北京,落坡嶺,水電工程,貴州,貓?zhí)?水電站引水隧道,福建,龍門灘,引水隧道,江西,萍鄉(xiāng),、山西,懷仁,、山西,古交,、云南,羊場,煤礦,國內應用,(,續(xù),),甘肅,引大入秦水磨溝,輸水隧道,5.54m,；,11649m,；,Robbins,雙護盾,TBM,；最高月進尺,1300.8m/,月,引黃入晉,總干,6,、,7,、,8,號與南干,4,、,5,、,6,、,7,號隧道,Robbins,雙護盾,TBM,，總長,122km,，最高月進尺,1637m/,月，日掘進,113m/,日,遼寧大伙房引水工程,全長,85.32km,，,3,臺,8.0m,開敞式,新疆,大阪輸水隧道工程,全長,30.68km,，德國海瑞克雙護盾,TBM,青海,引大濟湟,總干渠工程,德國,Wirth,雙護盾,TBM,，,5.93m,，全長,19.94km,西康鐵路,秦嶺,線隧道,掘進,5.621km,，,8.8m,開敞式,TBM,西安南京鐵路,桃花鋪,1,號隧道,掘進,7.23km,機型同上,西安南京鐵路,磨溝嶺隧道,掘進,6.11km,機型同上,南疆鐵路,吐庫二線中天山隧道,機型同上,蘭渝鐵路西秦嶺隧道,10.23mRobbins,開敞式,TBM,重慶地鐵一號線,2,臺,6.36m,開敞式,TBM,第二節(jié) 掘進機法施工流程,TBM,施工主要流程,施工準備,全斷面開挖與出渣,外層管片式襯砌或初期支護,TBM,前推,管片外灌漿或二次襯砌,Robbins,開敞式,TBM,循環(huán)作業(yè)流程,STEP 1,:,作業(yè)開始,。,主支撐前位撐緊洞壁，后支撐腿提起。刀盤轉動，推進油缸伸出，,TBM,前部前移一個作業(yè)行程,STEP 2,:,準備換步,。,刀盤停轉，后支撐腿抵住仰拱承重,STEP 3,:,主支撐回縮,。,推進油缸回縮將自由態(tài)主支撐前拉回位,STEP 4,:,主支撐回位后伸出支撐鞋抵緊巖壁，后支撐提起，,TBM,定位找正，坡道上必要時先定坡度。,STEP 5:,返回第一步，,TBM,準備下一循環(huán)掘進。,TBM,基本構造,TBM,由,破巖機構、推進機構、巖碴裝運機構、導向調向機構及吸塵、通風裝置,等幾部分組成。,破巖機構,滾刀或削刀在強大軸推力的作用下旋轉，切削與剪切破碎巖石。,推進機構,主,支撐鞋,頂撐洞壁以支承和推進機身。副支撐鞋控制振動與方向。,TBM,基本構造,(,續(xù),),出碴機構,破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉到頂部卸入集料斗，經皮帶機裝車運出洞外。,導向及調向機構,導向機構是用來指示和校核掘進機推進的方向，使其保證符合設計的軸線和坡度的要求。,通風及吸塵裝置,掘進機工作時將產生大量的,熱量與粉塵,。故對通風、降塵要求較高。一般在刀盤頭部安裝有,吸塵設備,和,噴水裝置,，掘進時連續(xù)噴水降塵。,機房內,專設通風降溫設備。,第三節(jié) 掘進機法施工技術要求,基本原則,TBM,掘進斷面大可達,10m,以上，小僅為,1.8m,。由于,TBM,與輔助施工技術日臻完善以及現(xiàn)代高科技成果,(,液壓新技術、電子技術與材料科學技術等,),的應用大大提高了,TBM,對各種困難條件的適應性，因此簡單從開挖可能性來考慮,TBM,的適用范圍是不全面的。,判定依據(jù),隧道圍巖的抗壓強度、裂縫狀態(tài)、涌水狀態(tài)等巖性條件,機械構造、,TBM,直徑等機械條件；,隧道斷面、長度、位置狀況、地址條件等。,TBM,工法選用流程,(,參見下頁流程圖,),初步調查,地質構造分析,地表調查,彈性波速度,阻抗試驗,鉆孔調查,開挖直徑,刀具直徑與數(shù)量,馬達刀具轉速,后續(xù)設備等,循環(huán)、支護輔助,工法、臨時設計,與鉆爆法比較,線路決定,地質調查,當?shù)貤l件,TBM規(guī)格決定,施工計劃,經濟分析,實施計劃,變更線路,其他方法,No,Yes,TBM工法研究流程框圖,工程地質條件,主要調查,影響,TBM,使用的,地質條件。,影響,TBM,選用,的地質因素,隧道地壓。是否存在塑性地壓？,指標：圍巖強度比,(,軟巖,),；圍巖抗剪強度比,(,似砂土軟巖,),圍巖強度比,斷層破碎帶、軟弱泥巖以及蛇紋巖等膨脹性巖層掘進困難,涌水狀態(tài)。涌水范圍、大小與壓力會造成工作面崩塌與承載力低下，,應慎用,。,2,擠出性膨脹性圍巖,2 4,輕微擠出性地壓大的圍巖,4 10,地壓大有地壓的圍巖,10,幾乎無地壓的圍巖,工程地質條件,(,續(xù),),影響,TBM,效率,的地質因素,巖石強度。,開挖難易一般用抗壓強度來判定。刀具消耗應考慮巖石中石英粒范圍、大小與抗拉強度等判斷。,巖層裂隙。,巖層節(jié)理、層理、片理對開挖效率影響極大。裂隙適度發(fā)育的巖層，即使抗壓強度大也能進行較為有效的開挖。,巖石硬度。,一般地，對于,q,100MPa,的巖層，其石英含量較多、粒徑較大，刀具磨耗很大。,破碎帶等惡劣條件。,在破碎帶、風化帶等難于自穩(wěn)的困難條件下進行機械開挖，均需采取輔助施工方法配合施工。特別是在有涌水的條件下更為困難，拱頂崩塌、機體下沉、支承反力降低等問題時有發(fā)生。,工程地質條件,(,續(xù),),TBM,適用范圍,一般只適用于,圓形斷面,隧道，只有,銑削滾筒式,掘進機可在軟巖中掘進,非圓形斷面,隧道。,開挖隧道,直徑,1.812m,之間，以直徑,36m,最為成熟。,一次性,連續(xù)開挖長度,不宜短于,1km,，也不宜長于,10km,，以,38km,最佳。,適用于,中硬巖層,，巖石單軸抗壓強度介于,20250MPa,，尤以,50100MPa,最佳。,地質條件對,TBM,掘進效率影響很大。在良好巖層中月進尺可達,500600m,，而在破碎巖層中只有,100m,左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停機處理。,選用,TBM,開挖隧道應盡量避開,復雜不良巖層,。,機械條件,TBM,不僅受,地質條件,約束，還受到,開挖直徑,、,開挖機構,的約束。,在,硬巖,中開挖,大直徑隧道,很是困難。日本實例的最大直徑僅為,5m,左右。,目前,TBM,多數(shù)是,單軸回轉式,。若開挖直徑越大，刀頭內周與外周的,周差速,越大，將對刀頭產生種種不良影響。,隨著開挖直徑的增大，需要增大推力，支撐靴也要增大，將導致運輸困難與承載力問題。,開挖長度,TBM,進場需經歷運輸、組裝等過程。根據(jù)其直徑與型式、運輸途徑、