隧道掘进机开挖技术课件

《隧道工程》

第10章隧道掘进机开挖技术第10章隧道掘进机开挖技术10.4与掘进机施工配套的支护方式10.3掘进机施工10.1概述10.2掘进机的类型与构造第10章隧道掘进机开挖技术10.1.1有关概念和TBM发展历史10.1概述1.隧道常用施工方法

钻爆法明挖法

机械法——掘进机法沉埋法

……..第10章隧道掘进机开挖技术2.隧道掘进机械◆隧道掘进机械，一般分为两种：（1）臂式掘进机(Boom-typeRoadheader)；（2）全断面隧道掘进机，简称TBM。◆隧道掘进机(TunnelBoringMachine)，简称TBM，是利用回转刀具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。3.定义第10章隧道掘进机开挖技术◆臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。3.定义第10章隧道掘进机开挖技术

(1)在岩石中开挖隧道的TBM

通常适用于稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的岩层中掘进长大隧道。

(2)在松软地层中掘进隧道的TBM

一般适用于在具有有限压力的地下水位以下基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。10.1.2全断面隧道掘进机分类第10章隧道掘进机开挖技术1.全断面隧道掘进机分类—I（Grandori，1996年）

目前在国内通常有两种提法：

(1)岩石掘进机(TBM)

；

(2)

盾构机。岩石掘进机(TBM)就是适合硬岩开挖的隧道掘进机，盾构机指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。第10章隧道掘进机开挖技术2.全断面隧道掘进机的分类—II

鉴于学术及现实中称法混乱，造成许多麻烦，有些学者提出采用“硬岩TBM”和“软岩TBM（也即盾构机）”两种来规范。3.全断面隧道掘进机的分类—III

(1)安全——人员在局部或整体的护盾下工作(2)快速——常规钻爆法掘进速度的3～10倍(3)优质——洞壁光滑美观(4)自动化和机械化程度高（节省劳动力——经济）(5)围岩扰动小(6)对环境影响小10.1.3隧道掘进机施工特点第10章隧道掘进机开挖技术1.优点

(1)能耗大(2)断面单一(3)对岩层变化的适应性差(4)一次性购买TBM投资高(5)主机重量大，运输不方便，安装工作量大(6)短隧道不能发挥其优越性(不经济)第10章隧道掘进机开挖技术2.缺点10.1.3隧道掘进机施工特点第10章隧道道掘进机机开挖技技术◆1846年——TBM由意大利利人Maus发明。◆1851年——美国人威尔逊开发了一一台TBM，在花岗岗岩中试试用未获获成功。◆1881年——波蒙特开发了压压气式TBM，成功应应用于英吉利海海峡隧道直径为2.1m的勘探导导坑。◆1952年——美国罗宾斯公公司研制了现现代意义义上的第第1台软岩TBM。◆1956年——美国罗宾斯公公司又研制成成功中硬岩TBM。从此此，TBM进入快速速发展时时期。1.发展历史史——大事记10.1.4掘进机的的应用与与发展第10章隧道道掘进机机开挖技技术2.应用用——国外近年来，，国外采采用掘进进机完成成的大型型隧道有有：(1)英法海底底铁路隧隧道——单洞长约约50km，使用11台掘进机机，工期期三年多时时间；(2)瑞士费尔尔艾那隧隧道——长19km，其中约约9.5km采用掘进进机施工工；(3)瑞士穿越越阿尔卑卑斯山新新圣哥达达铁路隧隧道——长达57km；(4)美国芝加加哥TARP工程排水水隧道——大约40多km，全部采采用掘进机施施工。(1)1970年代末，，甘肃引引大入秦秦和山西西万家寨寨引水工工程——采用掘进进机获得得成功(意大利CMC公司承包包)。(2)1998.1～1999.8，西康铁铁路秦岭岭特长隧隧道——引入德国国Wirth公司TB880E型掘进机机，进行行长18.5km，直径8.8m的I线隧道施施工，平平均掘进进速度为为313.7ｍ/月。第10章隧道道掘进机机开挖技技术3.应用用——国内第10章隧道道掘进机机开挖技技术4.国外掘进进机的发发展技术术水平◆开挖直径径范围为为1.8-11.87m；◆可在抗压压强度360MPa的岩体中中掘进80-100m2大断面隧隧道，平平均掘掘进速度度350-400m/月；◆能开挖45°的斜井；；◆盘形滚刀刀的最大大直径达达483mm，其承载载能力达达312kN；刀具的的寿命命达300～500m；◆单台掘进进机的最最大总进进尺已超超过40km。第10章隧道道掘进机机开挖技技术5.世界上著著名的岩岩石掘进进机制造造厂商美国国：罗宾斯(Ｒobbins)公司(已归属阿阿特拉斯斯公司)佳瓦(Jarva)公司德国国：维尔特(Wirth)公司海海瑞克(Herrenknecht)公司瑞典典：阿特拉斯斯.科普柯(Atlas.Copco)公司加拿大：：拉瓦特(Lovat)公司日本本：川崎(Kawasaki)公司三三菱(Mitsubishi)公司日日立(Hitachi)公司第10章隧道道掘进机机开挖技技术10.2掘进机的的类型与与构造隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式◎掘进机的的类型第10章隧道道掘进机机开挖技技术10.2.1全断面掘掘进机◆适合于软岩隧道道；◆顶推反力力利用尾尾部安装装的衬砌管片片。◆适合于硬岩隧道道；◆顶推反力力与刀盘盘扭矩力力依靠围岩坚硬硬壁面提供；(1)开敞式掘掘进机(2)护盾式掘掘进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术中铁隧道道局研发发的开敞敞式隧道道掘进机机型号号：TB880E开挖直直径径：8.8米掘进速速度度：3.5m/h西康铁路路秦岭隧隧道西安-南京线磨磨沟岭隧隧道最高月进进度：574米（磨沟沟岭隧道道）最高日进进度：41.3米（磨沟沟岭隧道道）第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式掘掘进机模模型第10章隧道道掘进机机开挖技技术护盾式隧隧道掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术10.2.1.1开敞式掘掘进机◆开敞式掘掘进机基基本有两两种型式式：单撑靴式式、双撑撑靴式。。第10章隧道道掘进机机开挖技技术●刀座●吊耳●人工检查查用脚踏踏点和把把手●周边铲斗斗，可更更换铲齿齿或铲碴碴板●带防护罩罩喷水孔孔●人孔通道道●与刀盘回回转轴承承相连接接的精加加工部件件及螺栓栓孔10.2.1.1开敞式掘掘进机构构造(1)刀盘盘第10章隧道道掘进机机开挖技技术主要构造造：刀盘；控控制系统统，支撑撑和推进进系统；；后部配配套设备备。第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术ThebiggesthardrocktunnelboringmachineintheworldissettostartworkontheBrisbaneNorth-SouthBypassTunnelinDecember2007.Themachineis250Mlong,weighs4000Tandisalmost13Mindiameter.第10章隧道道掘进机机开挖技技术●掘进中，，刀具受受顺刀圈圈径向和和侧向复合压力力及刀圈和和岩石间间摩擦力。●在均一完完整岩石石中，刀刀具主要要受径向压力力，而所受受侧向力并不大。。●实际岩石石是不均质和和有裂纹纹的，每把把滚刀受受力不均一。●刀具破碎碎岩石过过程，机械能转转换成热热能，产生大量热能能，将降低低刀圈寿寿命，因因此须作作降温处理理。第10章隧道道掘进机机开挖技技术(2)刀具的力力学特性性第10章隧道道掘进机机开挖技技术(3)滚刀数量量的确定定◆切削刀盘盘上滚刀刀平面布布置是根根据滚刀类型型和合理刀间间距确定的。。在一定间间距下，，刀盘直直径与滚滚刀数量量间的关关系可以以从右图中查验。。(4)支撑和推推进系统统第10章隧道道掘进机机开挖技技术◆单撑靴式式◆双撑靴式式(5)驱动系统统第10章隧道道掘进机机开挖技技术◆刀盘驱动动方式有有两大类类：电动和液压。◆电动又分分单速电机机、双速电机机和调频电机机。◆液压系统统◆供电系统统◆运输系统统◆通风系统统◆降温、防防尘、供供水及安安全系统统◆隧道支护护设备系系统◆其它辅助助设施(6)后配套设设备第10章隧道道掘进机机开挖技技术TBM组装图第10章隧道道掘进机机开挖技技术TBM组装图第10章隧道道掘进机机开挖技技术TBM组装图第10章隧道道掘进机机开挖技技术TBM组装图(1)单护盾TBM——常用于劣劣质地层层。(2)双护盾TBM——适用于各各种地质质，既适适应软岩岩，也适适应硬岩或软硬硬岩交互互地层。。◆对比：单护盾TBM推进时，，要利用用管片作作为支撑撑，与双双护盾TBM相比，掘掘进与安安装管片片两者不不能同时时进行，，速度较较慢。10.2.1.2护盾式掘掘进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术第10章隧道道掘进机机开挖技技术臂式掘进进机又称为部分断面面掘进机机，是一种集集切削岩岩石、自自动行走走、装载载石碴等等多种功功能为一一体的高高效联合合作业机机械。10.2.2臂式掘进进机第10章隧道道掘进机机开挖技技术臂式掘进进机具有有效率高、机动性强强、对围岩扰扰动小、超挖量小小、安全性高高、适应性强强，以及费用相对对较低等优点。。◆可以适应应任意形状状的断面；◆对地质条条件的要要求较低低，适合软岩及中中硬岩隧道的掘掘进；◆连续掘进进，支护可可实现平行作业业◆基本投资资费用少少，约为为全断面面掘进机机的15%左右。◆中短隧道道施工更为为适用。壁式掘进进机的特特点第10章隧道道掘进机机开挖技技术臂式掘进进机开挖挖与支护护平行作作业示意意图第10章隧道道掘进机机开挖技技术臂式掘进进机开挖挖作业示示意图第10章隧道道掘进机机开挖技技术重型隧道道掘进机机第10章隧道道掘进机机开挖技技术臂式掘进进机切削削头第10章隧道道掘进机机开挖技技术在掘进时时切削刀刀盘上的的滚刀沿沿岩石开开挖面滚滚动，切切削刀盘盘均匀地地对每个个滚刀施施加压力力，形成成对岩面面的滚动动挤压，，切削刀盘盘每转动动一圈，，就会贯贯入岩面面一定深深度，在滚刀刀刀刃与岩岩石接触触处，岩岩石被挤挤压成粉粉末，从从这个区区域开始始，裂缝缝向相邻邻的切割割槽扩展展，进而而形成片片状石碴碴，从而而实现破破岩，如如右图。。10.3掘进机施施工10.3.1破岩机理理1.机理第10章隧道道掘进机机开挖技技术◆贯入深度度坚硬和裂裂隙很少少岩石，，一般为为2.5-3.5mm/转,中等坚硬硬和裂隙隙较多岩岩石中，，一般为为5-9mm/转。◆滚刀间距距滚刀间距太太大，滚滚刀产生生压力达达不到与与相邻滚滚刀的影影响范围围相接，，从而使使开挖效效率降低低。反之之，如果果刀间距距太小，，则会浪浪费设备备的功率率。◆岩体的裂裂隙掘进机施施工不仅仅要注意意岩石抗抗压强度度，还应应注意岩岩石磨蚀蚀性和岩岩体裂隙隙程度，，当岩体体节理裂裂隙面间间距越大大时，切切割也就就会越困困难。2.影响因素素第10章隧道道掘进机机开挖技技术10.3.2掘进作业业第10章隧道道掘进机机开挖技技术开敞式掘掘进机作作业循环环掘进机开开挖隧道道的高效效率源于于隧道施施工的工工厂化，，但要发发挥最佳佳效益，，就必须须加强管管理。10.3.3施工管理理1.保证有效效作业时时间将整个有有效的作作业时间间作为净净掘进时时间是不不可能的的，因为为：……。在一般般地质条条件下，，掘进机机净掘进进时间在在50%左右是较为理理想的。。例如，某某掘进机机工点作作业时间间分配为为：重新新支撑3.2%、刀具更更换13.8%、检修5.5%、后配套套检修6.6%、支护1.7%、工地延延误3.8%、其它11.1%、掘进54.3%。第10章隧道道掘进机机开挖技技术2.提高设备备完好率率3.合理选用用刀具参参数4.保证配件件供应5.管理人员员对掘进进方向的的地质情情况应有有足够的的了解6.提高隧道道控制测测量和施施工测量量的精度度7.应建立专专门的供供电机构构，确保保供电质质量8.精心设计计，统筹筹安排，，严格施施工第10章隧道道掘进机机开挖技技术一般仍是是由初期支护护和二次衬砌砌组成。初期支护护：喷射混混凝土二次衬砌砌：喷射混混凝土模模筑筑混凝土土管管片衬砌砌不管是哪哪种类型型的衬砌砌，为了了安放轨轨道运碴碴，都必必须设置置预制仰仰拱块，，它也是是最终衬衬砌的一一部分。。10.4与掘进机机施工配配套的支支护型式式衬砌结构构的组成成第10章隧道道掘进机机开挖技技术见图10-13，使用护护盾掘进进机时，，一般采采用圆形形管片衬衬砌，分分为5～7块，在洞洞内拼装装而成。。10.4.1管片衬砌砌1.构成第10章隧道道掘进机机开挖技技术优点：适合软弱弱围岩，，特别是是当围岩岩允许承承载力很很低，撑撑靴不能能支撑岩岩面时，，可利用用尾部推推力千斤斤顶，顶顶推已安安装的管管片获得得推进反反力；当当撑靴可可以支撑撑岩面时时，双护护盾掘进进机可以以使掘进进和换步步同时进进行，提提高了循循环速度度；利用用管片安安装机安安装管片片速度快快、支护护效果好好，安全全性强。。缺点：：造价高高。为为了防防水需需要，，块与与块之之间必必须安安装止止水带带，并并需在在管片片外壁壁和岩岩壁间间隙中中压入入豆石石和注注浆。。为了了生产产预制制管片片，需需要有有管片片工厂厂，如如工地地施工工场地地允许许，最最好是是设在在现场场，以以方便便运输输，如如秦岭岭铁路路隧道道就是是如此此。10.4.1管片衬衬砌2.特点第10章隧隧道掘掘进机机开挖挖技术术使用开开敞式式掘进进机，，可以以先施施作初初期支支护，，然后后浇灌灌二次次模筑筑混凝凝土永永久性性衬砌砌，即即复合合式衬衬砌，，见图图10-14，其底底部为为预制制仰拱拱块。。如秦秦岭Ⅰ线铁路路隧道道。10.4.2复合式式衬砌砌1.构造第10章隧隧道掘掘进机机开挖挖技术术一般而而言，，掘进进机宜宜用于于地质质条件件较好好的隧隧道，，但任任何一一座总总体地地质条条件好好的隧隧道，，都有有可能能出现现局部部地质质较差差地段段，这这就需需要掘掘进机机对于于这样样的地地质情情况具具有一一定的的处理理能力力。为为了实实现这这一目目的，，可以以在掘进机机上安安装一一些辅辅助设设备进进行特特殊功功能的的作业业。10.4.3在软弱弱破碎碎地层层中的的辅助助支护护措施施1.安装地地质超超前钻钻机将地质质超前前钻机机安装装在切切削刀刀盘后后部的的主机机顶部部平台台上，，它在在主机机停机机时进进行掌掌子面