《隧道与地下工程施工》课件-模块五 机械开挖法隧道施工技术-单元2-掘进机法施工

《隧道与地下工程施工》模块五

机械开挖法隧道施工技术

单元2掘进机(TBM)隧道施工《隧道工程施工》

掘进机概述1掘进机的类型2本讲主要内容掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

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定义：隧道掘进机（TBM）是一种依靠刀盘旋转破岩推进，隧道支护与出渣同时进行，并使隧道全断面一次成形的大型专用装备。

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隧道掘进机包含盾构和TBM。一般来说，在欧洲，盾构也称为TBM；但在日本和我国，习惯上将用于软土地层的隧道掘进机称为盾构，将用于岩石地层的隧道掘进机称为TBM。近年来，二者区别已经不明显，例如盾构也称为盾构掘进机（ShieldTBM）。

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通常定义中的TBM是指全断面岩石隧道掘进机，是以岩石地层为掘进对象。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

国产超大直径盾构机TBM掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

TBM与盾构的区别有两点：（1）TBM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的水土压力。（2）TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵通过管道出碴。

在隧道施工技术中，目前广泛应用钻爆法和掘进机法，与钻爆法相比，掘进机法具有以下特点：掘进机是山岭隧道高度机械化的开挖设备，虽然投资成本高，但具有安全、快速、优质、环保等优点。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

掘进机法施工的优点：

（1）安全——对岩石的扰动小，影响范围一般小于50cm，掘进机自身带有局部护盾或整体护盾，有利于施工人员的安全，同时，支护设备及时支护，确保施工安全。自动化和机械化程度高，并配置电视监控和通信系统，作业人员少，便于安全管理。

（2）快速——掘进机掘进效率高，其掘进速度为常规钻爆法的3~5倍

(3)优质——掘进机开挖施工质量好，洞壁光滑美观，减少支护工作量

(4)环保——开挖时采用机械破岩，无钻爆法用的炸药等化学物质爆炸及污染，人员劳动强度低、数量少、作业环境好，有利于作业人员的健康。另外自动化程度高，且实现了信息化施工。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

掘进机法施工的局限性：

与钻爆法相比，目前尚具有如下局限性：

工程建设成本较高，前期一次性投资成本费用较高

设计制造周期长。根据目前市场情况来看，采购周期一般需要12~15个月。

掘进机针对性强，对多变的地质条件（如断层、破碎带、岩溶、涌水等）的适应性较差，不同地质条件需要不同种类的掘进机及相应的配置。

开挖断面仅限于圆形，每台掘进机只能用于一种开挖断面。

对施工人员的技术水平和管理水平要求高，施工短隧道时不能发挥其优越性。

运输困难，对施工场地有特殊要求。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机概述

掘进机的应用：

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21世纪是地下空间的世纪，随着国民经济的快速发展，我国城市化进程不断加快，今后相当长的时期内，国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。•

隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。在发达国家，使用隧道掘进机施工已占隧道总量的90%以上。由于隧道掘进机的制造工艺复杂，技术附加值高，目前国际上只有德国、美国、日本、法国、加拿大等少数几个国家的企业具有能力生产，且造价高昂。掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

如图所示，掘进机的类型可分为全断面掘进机和悬臂式掘进机：

全断面掘进机悬臂式掘进机掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

1全断面掘进机

根据掘进机的结构形式，可将其分为敞开式掘进机护盾式掘进机

掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

1全断面掘进机

（1）开敞式掘进机：是利用支撑机构撑紧洞壁，以承受向前推进的反作用力和扭矩的全断面岩石掘进机。它的顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面提供；

典型机型有德国威尔特Wirth公司生产的双排支撑靴结构形式和美国罗宾斯Robbins公司生产的单排支撑靴结构形式。适用于岩石不易坍塌和地层比较稳定的软硬岩隧道，采取有效支护手段后，也可适用于软岩隧道。开敞式掘进机掘进隧道的最终支护方式是模筑混凝土或钢钎维喷射混凝土。

掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

该机由Wirth研制生产，直径8.8m，开敞式西康铁路秦岭隧道Ⅰ线隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

（1）开敞式掘进机：

敞开式掘进机适合于硬岩隧道掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

1全断面掘进机

（2）护盾式掘进机：根据其原理不同可以分为单护盾掘进机和双护盾掘进机，顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。

单护盾掘进机常用于软岩，双护盾掘进机对地质具有广泛的适应性，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互的地层。

护盾式掘进机类似于盾构，但是盾构有稳定工作面的设施，而护盾式掘进机没有该设施。

特点对比：单护盾掘进机推进时，要利用管片作为支撑，与双护盾掘进机相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，速度较慢。

掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

护盾式掘进机:单护盾TBM、双护盾TBM

单护盾TBM——常用于软岩掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

护盾式掘进机:单护盾TBM、双护盾TBM

适用于各种地质，既适应软岩，也适应硬岩或软硬岩交互地层掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

2臂式掘进机

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。在煤矿行业也较为常用。掘进机(TBM)隧道施工01二、掘进机的类型

2臂式掘进机

臂式掘进机的特点：臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动程度小、超挖量小、安全性高、适应性强以及费用相对较低等优点。

可以适应任意形状的断面；

对地质条件要求较低，适合软岩及中硬岩隧道的掘进；

连续掘进，支护可实现平行作业

基本投资费用少，约为全断面掘进机的15%左右。

中短隧道施工更为适用。模块五

机械开挖法隧道施工技术

单元2掘进机(TBM)隧道施工

《隧道工程施工》

掘进机的工作特点1掘进机施工支护衬砌2本讲主要内容掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

1隧道掘进机破岩机理

通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。滚刀掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

2.

隧道掘进机破岩效率影响因素贯入度，坚硬和完整岩体，一般2.5-3.5mm/转，中等坚硬和裂隙较多岩石中，一般5-9mm/转。刀间距，刀间距太大，滚刀产生压力达不到与相邻滚刀的影响范围相接，则开挖不出片状石渣，从而使开挖效率降低。反之，如果刀间距太小，则会使石渣块太小，从而浪费设备的功率。

应该强调指出，掘进机施工不仅要注意岩石抗压强度，还应注意岩石磨蚀性和岩体裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距越大时，切割也就会越困难。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

3.

隧道掘进机施工主要流程

TBM施工主要流程：

施工准备

全断面开挖与出渣

外层管片衬砌或初期支护

掘进机前推

管片外注浆或二次衬砌

掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

3.

隧道掘进机施工主要流程

开敞式掘进机循环作业流程：开敞式TBM的掘进循环由掘进作业和换步作业交替组成。

在掘进作业时，掘进机刀盘进行沿隧道轴线的直线运动和绕轴线的单方向回转运动复合而成的螺旋运动，被破碎的岩石由刀盘的铲斗落入皮带输送机向机后输出。换步作业是利用支撑系统，掘进机掘进时，撑靴进行动作来撑紧洞壁，推进油缸推动刀盘掘进破岩，被破碎的岩石由刀盘的铲斗落入出渣系统后输至洞外。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

3.

隧道掘进机施工主要流程

开敞式TBM掘进循环步骤：(1)掘进作业水平支撑撑紧洞壁→收起后支撑→回转刀盘→伸出推进缸将掘进机机头、主梁、后支撑向前推进一个行程。(2)换步作业

刀盘停止回转→伸出后支撑，撑紧洞壁→收缩水平(或x型)支撑使靴板离开洞壁→收缩推进缸，将水平支撑向前移一行程。(3)再掘进作业再伸出水平支撑撑紧洞壁→收起后支撑→回转刀盘伸出→推进缸掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

4.

调向、纠偏和转弯

(1)调向、纠偏通过激光导向系统。操作人员发现掘进机的开挖洞线与设计洞线发生偏离时就必须随时进行调向，使掘进机开挖洞线与设计洞线方向一致。

(2)转弯隧道工程因设计的需要有时要开挖曲线隧道。掘进机的作业是以折线代替曲线来实现的。掘进机(TBM)隧道施工01一、掘进机的工作特点

5.

隧道掘进机施工出渣一般采用皮带运输机出渣

皮带运输机出渣掘进机(TBM)隧道施工01二、衬砌结构施工

用掘进机法施工的隧道，其衬砌一般仍是由初期支护和二次衬砌组成。(1)初期支护：喷射混凝土(2)二次衬砌：喷射混凝土或模筑混凝土或管片衬砌

不同形式的掘进机，要求采用不同的支护形式。一般在充分进行地质勘探后满足隧道设计时，就应确定基本支护形式。

•例如引水隧道，为保证输水的可靠性，要求支护对围岩有密封性，所以大都采用护盾式掘进机进行管片衬砌的结构形式；

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对于一般公路、铁路隧道，除进行临时支护外，视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模筑混凝土作为永久衬砌。掘进机(TBM)隧道施工01二、衬砌结构施工

管片式衬砌

使用护盾掘进机时，一般采用圆形全周管片式衬砌，每一环衬砌由为5～7块管片在洞内拼装而成。

管片式衬砌掘进机(TBM)隧道施工01二、衬砌结构施工

管片式衬砌

优点：

适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力低，撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反力；

当撑靴可以支撑岩面时，双护盾掘进机可使掘进和换步同时进行，提高了循环速度；

利用工厂化预制生产和管片安装机安装管片，具有施工速度快、支护效果好、安全性强等优势。

管片式衬砌掘进机(TBM)隧道施工01二、衬砌结构施工

管片式衬砌

缺点：

（1）造价相对较