隧道工程第九章-隧道掘进机(TBM)施工课件.ppt

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1、 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(Tunnel Boring Machine)，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。,一、TBM发展历史简介隧道掘进机(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。1818年英国布鲁诺(Brunel)受

2、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。,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(MitsubishiHeavyInd

3、ustries),第三章 隧道掘进机(TBM)施工,美国ROBBINS公司1951年成立，专长生产硬岩TBM。直径范围211.87M。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。,德国海瑞克HERRENKNECTHT AG公司

4、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。,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，

5、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。,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2.55.8m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。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

6、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，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

7、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,（一）国内TBM应用1、开敞式硬岩TBM1997年西安安康铁路秦岭线隧道，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98325Mpa，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，TB880E TBM,2

8、、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ROBBINS 1811256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隧洞,1993年万家寨引黄总干6#、7#、8#隧洞，总长 21.5KMTBM：一台ROBBINS 205277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

9、米,1996年1月10日引黄工程总干8#洞贯通,2000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,3、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F

10、CB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,（二）国外TBM发展,世界最大的TBM直径14.2米混合盾构,微型TBM,双圆或三圆TBM,母子盾构TBM,椭圆型断面TBM,矩形断面TBM,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310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

11、用不经济；3.对地质条件的适用性差。,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：0.253.00m中型TBM：3.08.0m巨型TBM：大于8.0m,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。,（一）开敞式掘进机适用：硬岩

12、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,全断面掘进机,（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：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；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；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。,（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

13、双撑靴式。基本构造：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；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。,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,2.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 电动；液压（2）

14、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,护盾式掘进机,（二）护盾式掘进机,护盾式掘进机,加拿大罗威特盾构机,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。,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，因此管片的安装必须停止。当掘进了一个千斤顶冲程的距离之后，千斤顶缩回，让出管片环节的拼装空间，进行又一轮管片的安装。可见其主要缺点是向前掘进和安装管片不

15、能同时进行，因而降低了施工进度。,单护盾TBM照片,2.双护盾掘进机适用：既适用于软岩，又适用于硬岩，地质条件适用性好。特点：设置两个护盾，图中红线、黄线，同时还设置撑靴，前护盾作用：保护掘进机和操作人员的安全；尾护盾作用：在软岩中施工时，保护人工拼装衬砌安全。两护盾之间有搭接长度，供伸缩。,双护盾掘进机工作方式：在硬岩中施工时利用水平撑靴，支撑洞壁传递反力；在软岩中施工，利用尾部的推力千斤顶顶推安装好的衬砌管片向前推进；衬砌管片安装与掘进推进可同时进行，从而实现了开挖与管片安装的平行作业。,双护盾TBM照片,双护盾TBM吊装照片,二、臂式掘进机又称为部分断面掘进机。特点：切削头虽小，但可以上

16、下左右自由运动；在隧道断面大致相同的情况下，臂式掘进机的基本投资费用仅约为全断面掘进机的15。适用：任意形状的断面，对地质条件要求较低，机身运输和安装方便，中短隧道施工更适用。,（煤矿隧道挖掘）掘进机,斗轮掘进机（多用于煤矿业）,带悬臂掘进机,一、破岩方式与机理,9.3 掘进,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

17、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,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)。,在掘进时切削刀盘上的滚刀沿岩石开挖面滚动，切削刀盘均匀地对每个滚刀施加压力，形成对岩面的滚动挤压，切削刀盘每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在滚刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，形成片状石碴，从而实现破

18、岩，参见下图。,不同的岩石需要不同的滚刀压入岩石的最低压强值，才能达到较理想的贯入深度。,滚刀的刀间距要合适，刀间距太大，开挖不出片状石碴，使开挖效率降低。刀间距太小，则会使石碴块太小，浪费设备的功率。,掘进机施工还应注意岩石的磨蚀性和岩体的裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距越大时，切割也就会越困难。关于裂隙度与滚刀的磨损规律，我国还缺乏研究成果，有待于进一步总结。下表是通用于世界的裂隙分级标准。,5,10,20,8040,160,裂隙面间距(cm),0,裂隙分级,裂隙分级参考表,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

19、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。,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。,一、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。二、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

20、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。,9.3 掘进,三、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，

21、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。,（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。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。,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

22、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。,四、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。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

23、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,No,Yes,TBM工法研究流程框图,（二）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。,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

24、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。,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1.812m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。

25、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。,（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。,（四）开挖长度TBM进场

26、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。TBM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。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1030m2、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3km以上，短隧道慎用。,（五）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

27、约为35t，断面3.53.5m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。（六）TBM选用应考虑的条件工程规模：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),五、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，

28、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。,泥水加压平衡盾构机,土压平衡盾构机,土压平衡掘进工作原理示意图,主要支护型式：管片式衬砌、复合式衬砌管片式衬砌因安装速度快、能立即受力，特别适合掘进机开挖速度快的特点，故都可以采用。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。复合式衬砌主要用于开敞式掘进机，其初期支护有加固围岩的特点，且造价比管片低。一般随开挖先施作临时支护，再进行二次模注混凝土衬砌。亦

29、可采用二次喷射混凝土作为永久衬砌，加钢筋网或钢纤维。,9.4 衬砌施工,不同型式的掘进机，要求采用不同的支护型式。不管是哪种类型的衬砌，为了安放轨道运碴，都必须设置预制仰拱块，它也是最终衬砌的一部分。,一、管片式衬砌,见图，将圆形管片衬砌分为57块，在洞内拼装而成。优点：管片安装速度快、能立即受力、安全性强、且可作为掘进机的顶推反力支座。缺点：造价高。为了防水的需要，块与块之间必须安装止水带，并需在管片外壁和岩壁间隙中压入豆石和注浆。适用：护盾式或开敞式掘进机均可。,管片拼装示意图,管片钢筋,盾构机内部管片运输照片,二、复合式式衬砌,见图，适用于开敞式掘进机。工艺特点：由于掘进机掘进速度很快，

30、不可能使二次模筑混凝土衬砌作业与保持一样的速度，当衬砌作业落后较多时，就依靠初期支护来稳定围岩。地质条件好的隧道甚至等贯通后再施作二次衬砌。,复合式衬砌示意图,图6-54 复合式衬砌,适用于开敞式掘进机。掘进机的掘进速度很快，不可能使二次模筑混凝土衬砌作业与开挖作业保持一样的进度，当衬砌落后较多时，就依靠初期支护来稳定围岩。初期支护以锚杆、挂网和喷混凝土支护为主，地质条件较差时还可设置钢拱架。掘进机上可设置前后两排共4台锚杆钻机，以满足对围岩进行锚杆支护作业的需要。拱部的锚杆作业是非常必要的，锚杆作业应能与掘进开挖同时进行。,二、复合式式衬砌,根据地质条件也有用喷射混凝土做为二次混凝土衬砌的，就是采用二次喷射混凝土作为永久衬砌。在喷射混凝土中安装了钢筋网，还加入了钢钎维。但普遍的做法是采用模筑混凝土衬砌作为二次衬砌，使用模板台车进行混凝土灌注。,