3第三章--隧道掘进机(TBM)施工详解

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 隧道掘进机(,TBM,)施工,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 隧道掘进机法根本概念,一、TBM进展历史简介,隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)是一种用机械裂开岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术进展而来的。,1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启发，最早提出盾构雏形与施工方法。,1846年意大利人Maus制造隧道掘进机(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。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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,(MitsubishiHeavyIndustries),第三章 隧道掘进机(TBM)施工,三、TBM分类,开敞式TBM：配置钢拱架安装器与喷锚等帮助设备。常用于硬岩，实行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推动时利用管片作支撑，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展。,微型TBM：0.253.00m,中型TBM：3.08.0m,巨型TBM：大于8.0m,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,Single Shield TBM,护盾；液压推动油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,其次章 山岭隧道施工技术,Double Shield TBM,可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；帮助推动油缸；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,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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,主要是通过水平推动油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推动过程中联合挤压与剪切作用裂开岩体。,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)与弯断裂开岩体。,在两种破岩方式总的破岩体积中，大局部并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切裂开的，先形成裂开沟或切削槽是先决条件,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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50200kN，岩体外表在刀圈刀尖强集中力作用下裂开而被切人，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裂开沟，裂开沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切裂开。当切入深度h较大时，剪裂面为O1O2(图c)。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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状况下产生切向张力破坏岩石的外表，切人深度为。然后由齿尖的楔入力连续引起剪切破坏，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一样，适用于硬岩掘进。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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，首先在刀尖处形成切碎区2，随着刀具的回转运动形成剪力裂开区3。削刀连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。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,五、单护盾TBM与盾构的区分,前者承受皮带机出碴而盾构则承受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，而盾构则承受土压力或泥水压力平衡开挖面水土压力。,六、TBM选用,整条隧道地质状况均差时承受单护盾TBM；,良好地质条件中则承受开敞式TBM；,双护盾TBM常用于简单地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性根本良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有较好适应性。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,七、国内外应用概况,TBM施工法始于二十世纪三十年月，限于机械技术水平，其应用实例甚少。五六十年月随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高进展较快。迄今为止，世界上承受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帮助隧道组成。全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m，全部承受TBM施工。英国侧6台，岸边段3台海底段3台(单向推动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。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,国内应用,国内TBM研发制造始于二十世纪六十年月中期，共生产10余台直径2.55.8m的TBM，先后用于以下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、云南羊场煤矿,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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,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,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,其次节 掘进机法施工流程,TBM施工主要流程,施工预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:作业开头。主支撑前位撑紧洞壁，后支撑腿提起。刀盘转动，推动油缸伸出，TBM前部前移一个作业行程,STEP 2:预备换步。刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重,STEP 3:主支撑回缩。推动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预备下一循环掘进。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,TBM根本构造,TBM由破岩机构、推动机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几局部组成。,破岩机构,滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转，切削与剪切裂开岩石。,推动机构,主支撑鞋顶撑洞壁以支承和推动机身。副支撑鞋掌握振动与方向。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,TBM根本构造(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动的方向，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,第三节 掘进机法施工技术要求,根本原则,TBM掘进断面大可达10m以上，小仅为1.8m。由于TBM与帮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，因此简洁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),第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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、支护帮助,工法、临时设计,与钻爆法比较,线路打算,地质调查,当地条件,TBM规格打算,施工打算,经济分析,实施打算,变更线路,其他方法,No,Yes,TBM工法争论流程框图,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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,断层裂开带、脆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倒塌与承载力低下，应慎用。,2,挤出性膨胀性围岩,2 4,轻微挤出性地压大的围岩,4 10,地压大有地压的围岩,10,几乎无地压的围岩,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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、大小与抗拉强度等推断。,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展较为有效的开挖。,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。,裂开带等恶劣条件。在裂开带、风化带等难于自稳的困难条件下进展机械开挖，均需实行帮助施工方法协作施工。特殊是在有涌水的条件下更为困难，拱顶倒塌、机体下沉、支承反力降低等问题时有发生。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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1.812m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最正确。,适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20250MPa，尤以50100MPa最正确。,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，而在裂开岩层中只有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简单不良岩层。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,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。假设开挖直径越大，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。,第三章 隧道掘进机(TBM)施工,开挖长度,TBM进场需