隧道掘进机(TBM)施工【材料参考】

隧道掘进机隧道掘进机 TBM TBM 施工施工 材料参考材料参考 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1参考档案 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 Tunnel BoringMachine 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 2参考档案 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 Mit subishi HeavyIndustries 3参考档案 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 0m4参 考档案 Single ShieldTBM 护盾 液压推进油缸 管片 刀盘 装渣斗 皮带输送机5参考档案 第二章山岭隧道施工技术Double ShieldTBM 可伸缩护盾 刀盘 活动支撑鞋 辅助推进油缸 管片6参考档案 Gripper TBM 支撑鞋 钢支架举升器 锚杆安装机构 钢筋网举升器 7参考档案 四 TBM破岩方式与原理TBM破岩方式主要有挤压式与切削式1 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2 切削式主要利用岩石抗弯 抗 剪强度低 仅为抗压强度的的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8参考档案 四 TBM破岩方式与原理 续 3 圆盘型滚刀破岩原理圆盘型滚刀 图a 工作压力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 见见图图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AO1 O2B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 9参考档案 四 TBM破岩方式与原理 续 4 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 10参考档案 四 TBM破岩方式与原理 续 5 削刀破岩原理削刀在挤压力P v和切割力P H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 11参考档案 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 12参考档案 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 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4000 km 以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一 1 国外典型应用 英吉利海峡隧道由由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 岸边段段3台海底段3台 单向推进21 2km 法国侧5台 岸边段段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 13参考档案 2 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14参考档案 2 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 大阪输水隧道工程 全长30 68km 德国海瑞克双护盾盾TB M 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 11重庆地铁一号线 2台 6 36m开敞式TBM 15参考档案 第 二节掘进机法施工流程 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 16参考档案 17参考档案 三 TBM基本构造TBM由由破岩机构 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 1 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 2 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 18参考档案 三 TBM基本构造 续 3 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 4 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 5 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19参考档案 第三节掘进机法施工技术 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 1 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 2 TBM工法选用流程 参见下页流程图 20参考档案 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No YesTBM工法研究流程框图工法研究流程框图21参考档案 二 工程地 质条件主要调查影响TBM使用的地质条件 1 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 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qh 22参考档案 二 工程 地质条件 续 2 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 23参考档案 二 工程地质条件 续 3 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50 100 MPa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 24参考档案 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 25参考档案 四 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 30m 2 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 26参考档案 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 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 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 27参考档案 第四节掘进机法施工要点 一 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 1 提高设备完好率 强调预防性维修 2 选择合理掘进系数 定时检查 更换与调换刀具3 配件储备与供 应4 定岗定责 标准化作业5 地质超前预报6 控制测量与施工测量 精度7 电力专供8 洞口平纵面条件 作业场地 大型临时工程等施 工准备28参考档案 二 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 1 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 2 二次模筑混凝土衬砌 Fig 3 12 开敞式掘进机一般随开挖先施作临时支护 再进行二次模注混凝 土衬砌 亦可采用二次喷射混凝土作为永久衬砌 加钢筋网或钢纤维 29参考档案 三 不良地质地段施工掘进机必须具备通过不良地质地 段的能力 一般安装有辅助施工设备进行特殊功能作业 1 地质超前钻机安装在主机顶部 大刀盘后部的平台上 停机时超 前钻探30m 兼具注浆与安装管棚功能 30参考档案 三 不良地质地段施工 续 2 钢拱环安装器紧靠刀盘后 部安装 钢拱环间