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地下工程施工与管理 第七章隧道掘进机 TBM 法施工 第七章隧道掘进机法施工 教材P285 7 1TBM的构成与性能 7 2TBM的施工 一 TBM TunnelBoringMachine 简介TBM 隧道掘进机 是利用回转刀具开挖 同时破碎洞内围岩及掘进 形成整个隧道断面的一种先进的隧道施工机械 TBM集钻 掘进 支护于一体 使用电子 信息 遥测 遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控 使掘进过程始终处于最佳状态 在国际上 现已广泛应用于水利水电 矿山开采 交通 市政 国防等工程中 7 1TBM的构成与性能 一 TBM TunnelBoringMachine 简介隧道掘进机械 基本上有两种 一种是臂架式钻进机械 在隧道内部进行钻孔机械 或是小型的小段面直接钻岩机械 另一种就是全断面隧道掘进机 TBM 一段时间以来 把TBM分为两大类 Grandori 1996年 1 在岩石中开挖隧道的TBM 通常用这类TBM在稳定性良好 中 厚埋深 中 高强度的岩层中掘进长大隧道 这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩 保持掘进的高效率和工程顺利 2 在松软地层中掘进隧道的TBM 通常用这类TBM在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道 这类掘进机所面临的基本问题是空洞 开挖掌子面的稳定 市区地表沉降等 7 1TBM的构成与性能 一 TBM TunnelBoringMachine 简介对于全断面隧道掘进机 目前在国内有两种提法 其一是岩石掘进机 TBM 其二是盾构机 TBM就是适合硬岩掘进的隧道掘进机 盾构机指的是适于在软岩 土中的隧道掘进机 这种说法有些言不符实 因为现在许多硬岩TBM也采用盾构技术 而TBM本来就是隧道掘进机的意思 鉴于学术及现实中称法混乱 造成许多麻烦 所以建议采用统一称法 即采用 硬岩TBM 和 软岩TBM 为宜 7 1TBM的构成与性能 二 TBM TunnelBoringMachine 工作机理利用回转刀盘和TBM推进装置的推进力使刀盘上的滚刀切割 或破碎 岩面 以达到破岩开挖隧道 洞 目的 按岩石的破碎方式 大致分为挤压破碎式与切削破碎式两种 P288按刀具切削头的旋转方式 可分为单轴旋转式与多轴旋转式两种 7 1TBM的构成与性能 三 TBM TunnelBoringMachine 法的特点隧道掘进机法与以往的钻爆法不同 它不使用火药 而是利用掘进机在开挖面上连续切削或将岩石先行破碎后再掘进 P2871 优点 全断面机械破碎 联合作业连续掘进 比之常规施工方法 掘进速度快 洞壁光滑平整 超挖量小 操作安全 可以大大地降低工人的劳动强度和改善作业条件 2 缺点 对多变地层适应性差 掘进面改变困难 短隧道成本高 7 1TBM的构成与性能 四 岩石隧道掘进机的分类1 桁架式掘进机 常用于软岩开挖 2 撑板式掘进机 用于不易塌落或密实的岩石 3 盾构式掘进机 能用于混合型地层 部分硬的黏土或坚实的沙土中 7 1TBM的构成与性能 五 隧道掘进机的基本构成主要包括开挖部 反力支撑靴部 推进部和排土部 P2881 开挖部TBM刀具为回转式 不同于锯齿式 软岩环境 且以围岩自稳为前提2 反力支撑靴部提供推进时所需的反力 分盾构型与敞开式两类3 推进部扩张支撑靴 回转刀盘千斤顶顶进 缩回支撑靴4 排土部分皮带运输机 喷射泵 螺旋式 泥土加压式液体输送等 7 1TBM的构成与性能 六 采用隧道掘进机法的基本条件 1 工程地质条件影响是否选用TBM工法的地质因素 隧道地压 涌水状态2 机械条件受开挖直径 开挖机构的约束3 开挖长度隧道长度短不经济 适宜长度3000m以上4 工程所在地的设施条件 工程规模 地质情况 作业场地 施工进度 企业自身实际能力 7 1TBM的构成与性能 一 隧道掘进机法的支护技术多采用喷混凝土 锚杆 钢支撑 混凝土衬砌支护 有时也用管片 基于地质条件设计不同隧道类型选择支护方式见P300表13 3 考虑因素有 隧道用途及直径 TBM的形式 隧道坡度 7 2TBM的施工 二 隧道掘进机法的施工组织1 主要施工方法隧洞直径2 10m 全断面一次成洞 隧洞直径6 15m 分级扩孔法或超前导洞 2 主要施工步序要点施工准备 掘进机运输与组装 掘进作业 开挖洞口 准备工作面 掘进作业 供水供电 监测围岩地质情况 测定岩石腐蚀性指标与可钻性指标 出渣作业 通风除尘 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道 English FranceChannelTunnel 英法海峡隧道 也称英吉利海峡隧道 TheChannelTunnel 又称欧洲隧道 Eurotunnel 由三条长51km的平行隧洞组成 总长度153km 其中海底段的隧洞长度为3 38km 是目前世界上最长的海底隧道 两条铁路洞衬砌后的直径为7 6m 开挖洞径为8 36 8 78m 中间一条后勤服务洞衬砌后的直径为4 8m 开挖洞径为5 38 5 77m 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道隧道开挖从两端洞口开始 采用不同直径的隧道掘进机施工 在法国一侧地层极为破碎区段 用土压平衡盾构施工 隧道衬砌大部分采用拼装式膨胀的混凝土弓形砌块 在地层不稳定区段和隧道与横向通道等连接处采用栓接铸铁管片 在衬砌背后均加压浆 横向通道和活塞风释放风道因用矿山法施工而采用模筑衬砌 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道在欧洲隧道的建设中比较突出的工程技术成就 1 充分的地质工作和正确的判断地质钻探工作从58年做到87年 重要的钻孔达94个 浅层勘探在海底以下150m之内 考虑隧道布置的范围 深层勘探在海底以下800m之内 主要为评价地震风险提供数据 勘探发现海底有一层泥灰质白垩岩 ChalkMarl 该岩层抗渗性好 硬度不大 裂隙也较少 易于掘进 隧道线路就布置在它的下部 距海底25 40m 由于岩层的起伏 而隧道要求一定的运行坡度 所以隧道轴线在平面和立面上均呈平坦的W形 工程专家们认为 充分的地质资料和正确的判断 使欧洲隧道找到了理想的岩层 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道在欧洲隧道的建设中比较突出的工程技术成就 2 精心 合理的安全设计规划设计把施工和运行安全放在极重要的地位 之所以不采用一条大跨度双线铁路共用隧洞 是为了减小海底施工的风险和提高运行 维护的可靠性 在两条单线铁路洞之间是后勤服务洞 每间距375m设置直径为3 3m的横向通道与两个主洞连接 连接处有防火撤离门 后勤服务洞的主要功能是在隧道全长范围内提供正常维护和紧急撤离的通道 在接到命令后 它可在90分钟内将全部人员从隧道和列车中撤到地面 它还是向主洞提供新鲜空气的通道 并保持其气压始终高于主洞 使主洞中的烟气在任何情况下都不能侵入后勤服务洞 后勤服务洞在施工期是领先掘进的 这为主洞的掘进提供了详尽的地质资料 对保证安全施工有重要意义 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道在欧洲隧道的建设中比较突出的工程技术成就 3 掘进机发挥重要作用隧道施工的主要设备是隧道掘进机 具有不同的型号 尺寸和性能 出自欧洲 北美和日本的不同厂家 它们从英国海岸的莎士比亚崖和法国海岸的桑洁滩两个掘进基地开始 分别沿三条隧洞的两个方向开挖 共有12个开挖面 其中6个面向陆地方向掘进 另6个面向海峡方向掘进 开敞式掘进机适用于透水性较小的地层 封闭式掘进机适用于透水性较强的地层 其掘进头能承受11bar 1巴 0 9869标准大气压 的静水压力 7 2TBM的施工 工程实例 英法海峡隧道在欧洲隧道的建设中比较突出的工程技术成就 3 掘进机发挥重要作用最大的一台掘进机直径8 78m 全长约250m 重达1200T 合同运行寿命2万小时 价值超过1000万英镑 它能完成掘进 钢筋砼衬砌块的安装 灌浆以及施工轨道敷设等一连串工序