2015年铁建重工双护盾TBM技术交流--(巫敏-2015.10.17-)

1、1,中 国 铁 建 重 工 集 团 双护盾TBM技术交流,中国铁建重工集团 2015年10月,汇报提纲,二、双护盾TBM施工简介,三、双护盾TBM结构介绍,一、双护盾TBM简介及适应性介绍,四、铁建重工TBM设计特点,2,3,一、双护盾TBM简介及适应性介绍,TBM是“Tunnel Boring Machine”的英文缩写。 其英文意义是隧道钻掘机器。是指利用回转刀具开挖（同时破碎和掘进）隧道的整个断面的机械总称，通常称为岩石隧道掘进机或隧道掘进机。 TBM是集掘进、支护、出碴、运输于一体,为目前世界上最先进的隧道施工机械。采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、

2、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的施工工法有了质的飞跃，实现了隧道施工工厂化作业。,4,土压平衡盾构机,泥水平衡盾构机,土压/泥水双模式,盾构机,TBM,敞开式TBM,其它类型,立井掘进机、水平定向钻、顶管机等,土压平衡/单护盾双模式,单护盾TBM,双护盾TBM,盾构/TBM分类,TBM适应范围,5,适应范围,6,7,8,1.2、国内TBM应用简介,我国的水利水电工程最早使用TBM施工。我国从六十年代开始进行TBM的研制和工业性试验，1981年在云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM，共掘进2747.2m，最高日进尺19.85m，最高月进尺201.5m。 在铁路

3、隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭线隧道开始的。秦岭线隧道。全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台8.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。,国内正在应用TBM的工程,9,国内正在应用TBM的工程,10,11,二、双护盾TBM施工简介,双护盾TBM主要用于围岩较完整的岩石隧洞，这些隧洞的围岩一般具有较好的自稳性，采用管片支护。因具有主推进油缸、辅助推进油缸以及撑靴油缸，掘进和管

4、片拼装可以同步进行，互不干扰，理论上其掘进速度是单护盾TBM的两倍，是敞开式TBM的1.5倍。 根据围岩的强度分类，双护盾TBM有两种掘进模式：硬岩模式（双护盾模式）和软岩模式（单护盾模式）。,双护盾掘进机工作模式硬岩模式,双护盾TBM掘进时，首先将后盾的侧向支撑伸出撑在地层上，使后盾固定，刀盘旋转进行掘进，同时操纵前盾推进千斤顶，推动前盾前进。刀盘旋转时，刀盘周边的铲斗将土碴铲起，铲斗内的土碴旋转到顶部时，土碴通过碴槽卸到中心皮带输送机上，通过皮带输送机将土碴卸入矿车，土碴由矿车成列运出洞外。前盾向前掘进的同时，后盾进行管片安装。 刀盘推进一个循环后，前盾停止推进，将前盾的侧向支撑伸出，前盾

5、固定于隧道，收回后盾侧向支撑，操纵后盾辅助油缸推动后盾前进一个循环，然后将撑靴伸出，固定后盾，收回前盾侧向支撑。开始进行下半环的掘进。,(a)掘进与安装管片,（b)换步,(d)再掘进与安装管片,再支撑,双护盾TBM硬岩作业模式,双护盾掘进机工作模式软岩模式,在破碎或软弱围岩时，支撑靴无效，或为了避免损坏围岩而不采用支撑靴，TBM通过副推进油缸（后盾千斤顶）支撑在管片上进行推进，此时掘进与安装管片不能同时进行。,双护盾TBM软岩作业模式,(a）掘进,(b)换步（辅助推进油缸缩入）,安装管片,(d)再掘进,洞内混凝土管片衬砌及矿车出渣,16,17,三、双护盾TBM结构介绍,1刀盘2石碴漏斗3刀盘驱

6、动4伸缩盾及支撑靴5盾尾密封6超前探测钻7管片安装机8管片输送车9管片10副推进油缸11后盾12主推进油缸13前盾14撑靴油缸15皮带机,双护盾式TBM主机结构,TBM掘进、破岩的关键部件，刀盘的性能和质量对施工速度和刀具成本影响很大； 采用低合金高强度钢板焊接而成，滚刀所受的推力通过刀座、面板、背板、垂直筋板、后锥板、连接法兰传递到主驱动，刀盘整体强度和刚度满足全断面硬岩隧道掘进要求。,1、刀盘,在推力的作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自转。硬岩掘进机的刀具组成目前是单刃盘形滚刀具，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，盘形滚刀在掌子面中

7、心切缝上滚动，当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成隧道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石碴。,1、刀盘,掘进岩面照片,22,接碴斗是安装在刀盘大法兰内圈的斗状钢结构件，其主要作用是将从溜碴槽里面掉落下来的岩碴转运到皮带输送机上。接碴斗采用具有高耐磨性的钢板焊接而成。,护盾系统由前护盾、伸缩护盾、支撑护盾和尾护盾以及护盾的连接、支撑和拉动机构等组成； 盾体结构采用锥形设计，并进行耐磨保护，可以适应复杂的地质条件。满足连续掘进15-20km。,2、护盾

8、,2.1、前盾,前盾包含刀盘与刀盘驱动装置，并支承着刀盘与刀盘驱动装置。前盾由主推进液压油缸（即伸缩盾液压油缸）与后盾相接。主推进液压油缸分成上下左右四组进行控制，对前盾进行方向控制。前盾相对于后盾的位置，由测距传感器测量，并在操作室中显示读出。,2.2、伸缩盾,伸缩护盾联系着前护盾和支撑护盾。通过伸缩护盾实现掘进机开挖与隧道管片衬砌安装同时进行，大大提高了掘进机的效率。 主推进油缸在遇到不稳定的地层条件，可传递拉力，这一性能可以有效防止前护盾向下倾斜。 两个扭矩梁将刀盘的扭矩从前护盾传给支撑护盾，通过扭矩油缸对前护盾进行纠偏调整，同时可以在护盾滚动时可以将护盾复位。 伸缩护盾设置了开口，可以

9、便于观察围岩，同时可以清理堆积在护盾上的岩渣。,2.2、伸缩盾,2.3、支撑盾,支撑护盾也叫撑紧盾，为焊接结构，包括两个大尺寸的撑靴保证与洞壁撑紧并保持较低的接地比压。撑靴由撑紧油缸作用，撑紧力无级可调，在不同地质条件下，根据洞壁的情况对撑紧力进行调整，可以满足不同围岩下的掘进需求。 为了应对不良地质条件，在支撑护盾内设计了超前钻孔位置，可以超前钻孔、超前注浆，对不良地质进行超前加固，也可以对TBM前方围岩进行超前探测。,2.4、尾盾,尾护盾也称为尾盾，安装在支撑护盾后部。可以对管片安装机区域的工作人员进行保护。 尾护盾设计了由弹簧钢板制成的盾尾密封，连接在尾盾后面。可以防止回填材料和浆液进入

10、尾盾内部。 辅助推进液压缸也分成四组，以利 TBM转向，当在软弱围岩中掘进时，不用撑靴与伸缩盾。副推进液压缸在相应的四组内，连到一共同的推力靴上。,3、连接桥及后配套系统,根据国内用户的施工习惯设计，设备布置合理、人性化，操作便利； 满足过站、始发期间特殊空间要求，拖车左右尺寸小。,管片拼装机固定在盾尾区域，用于安装衬砌管片。 主要由主支撑梁、回转机架、移动机架、管片抓取机构和提升油缸等组成。由单独的液压系统提供动力，通过对液压马达和液压油缸等执行机构动作的比例控制，可实现拼装管片的纵向移动、径向移动、横向移动、回转、横摇和俯仰动作。,3.1、管片拼装系统,管片吊运系统将管片从位于TBM一号拖

11、车中部的管片卸载区运至管片小车上，再由管片小车转运至管片拼装机工作区域。 管片吊运系统起升机构采用电动环链葫芦，行走机构采用电机+链轮链条驱动，制动可靠，维护保养方便。,管片小车主要由底架、内托梁、外托梁、拖拉油缸、顶升油缸、输送油缸等组成。顶升油缸和输送油缸的配合动作将管片运送到管片拼装机工作区域，管片小车上可根据设计同时存放3-6块管片 。,皮带机包含主机皮带机、后配套皮带机、连续皮带机系统。皮带机具有自动清理、刮渣、防跑偏、耐磨、防滑、张紧等功能，使用寿命长。皮带机具有与掘进和检修相匹配的调速功能。,3.2、皮带机系统,通过主机皮带，可将刀盘接碴斗收集到的石碴转运到后配套皮带机上。 当需

12、要人员进入刀盘检修或更换刀具时，TBM停机后，可通过主机皮带机伸缩液压油缸将主机皮带机从盾体内拉出3米至4米的距离，可留出供人员通过的空间。 主要由尾部改向滚筒、头部驱动滚筒、驱动马达、减速机、托辊、滑移轨道、清扫器、张紧装置、速度检测装置、拉绳开关、跑偏开关等部件组成。,主机皮带机,通过后配套皮带机，可将主机皮带机倒运过来的的碴石转运至后配套后部的连续皮带机上。 后配套皮带机采用变频电机、减速机驱动，可实现无级调速，具有正反转功能。 配置大行程液压油缸张紧，可满足长皮带的张紧需求。,后配套皮带机,连续皮带机,主要由豆砾石罐、豆砾石罐体吊机、豆砾石皮带机、豆砾石料斗和豆砾石喷射机组成。其主要作

13、用是在管片与洞壁之间的空隙内及时回填豆砾石以保证管片结构的稳定性。,3.3豆砾石回填系统,安装好的管片在脱出尾盾后进行管片豆砾石充填与灌浆。先通过管片上预留的注浆孔对隧洞底部90范围灌浆，再对隧洞上部270范围通过管片上预留的注浆孔充填豆砾石，再进行灌浆。豆砾石充填顺次按先拱底、次两侧、后拱顶的顺序，避免充填的豆砾石出现架空。,喷射豆砾石 豆砾石,豆砾石回填系统,其主要作用是在管片脱离盾尾后，及时在底管片下部注入砂浆来稳定管片，以防止管片下沉、错台。 操作人员通过物料吊机将存储区域的水泥、沙子等物料倒入砂浆搅拌罐中，搅拌罐快速拌制成砂浆，再通过与搅拌罐底部连接的柱塞式砂浆泵将砂浆泵送至注浆管路

14、，经过注浆管路注入到底管片下部间隙中。,3.4、注浆系统,主要由柱塞砂浆泵、砂浆搅拌罐、物料吊机、注浆管路、物料存储区域等组成。,由空气压缩机、储气罐和管路等构成。 其主要作用是为豆砾石系统、除尘风机系统、气动泵、超前钻机系统等提供压力气源。空压机布置于后配套中部位置的一侧，沿后配套向前至主机、向后至后配套尾部都布置有气动管路，每节台车都有气动接口,3.5压缩空气系统,主要由一级水循环系统、二级水循环系统和刀盘除尘水系统组成。,3.6供排水系统,一级循环水系统主要作用是冷却二级循环水，将热量带出隧道外边，同时提供工业用水（每节拖车预备有工业用水），为皮带机喷雾除尘、皮带机冲洗和主驱动内外密封等

15、提供水源。 二级循环水用于冷却主驱动电机和减速机、液压系统各泵站、空压机、润滑泵站、主驱动变频器、配电柜等发热设备，将各设备发热热量带走保证其正常运行。 刀盘除尘水系统配备2台水泵，为刀盘喷雾除尘、超前钻机冲洗提供用水。,3.6供排水系统,如果有需要，可以在护盾内部方便的位置安装更多的排水泵； 排污系统中有个污水箱，有两个排沙泵安装在污水箱内部，安装有液位开关，控制排沙泵启动和停止。污水通过软管卷筒、隧道内排水管流出隧道外。,3.6供排水系统,由干式除尘器、除尘风机、粉尘收集装置、除尘风管等组成。 除尘器通过除尘风管抽取刀盘内带粉尘的空气，经过除尘器过滤后，干净的空气排放到后配套的尾部，粉尘则

16、留在除尘器内，通过粉尘收集装置清理粉尘。,3.7除尘通风,二次通风机 由二次风机、风筒存储器、硬风筒、软风管等组成。 新鲜空气通过洞外的一次风机送至后配套尾部的风筒储存器，经过二次风机压入输送至TBM前部工作区域。隧道回风则由除尘风机带走部分，其余污风通过除尘风机的负压和二次风机的正压形成空气对流循环，新鲜空气循环置换出污风并由隧道派送至洞外。,49,TBM 通风、除尘、冷却系统,冷却系统,除尘设备,50,四、铁建重工双护盾TBM设计特点,51,钢结构采用Q345C，焊后整体退火,消除应力，有效应对开挖面破碎等问题，保证使用寿命。,刀盘为整体焊接结构，抗冲击能力更强，可靠性更高，有效应对岩爆、

17、破碎带等地质问题。,合理的刀间距，有效地提高破岩效率,刀盘高强度、高脱困扭矩设计：,1、刀盘,52,刀盘铲斗可变开口设计，方便更换的高强度耐磨铲斗,弧面和锥面密布Hardox500条形耐磨板,外环焊接镶嵌合金的耐磨板,正面Hardox500小块耐磨板,53,可拆式、整体式C型块，提高强度、刚度,采用19”大直径滚刀，提高刀具寿命，减少换刀次数，可换装20寸刀圈,Hardox500 先行保护块,采用分体刀座，节省刀座安装空间,可拆式整体式C型块,圆弧过渡区采用整体双刀座，定位更准确，提高刀座强度、刚度,54,2、主驱动,采用双列主推滚子的重载大直径主轴承，保证长距离掘进和使用寿命,表面淬火可调节

18、式整体耐磨环,主轴承与大齿圈分体式设计,正反均可使用亦可单独更换的设计,55,EP2润滑脂,密封泄露检测,齿轮油,密封隔环,密封环表面淬火，磨损位置可调节两次，提高密封结构使用寿命,唇形密封,第一道密封外侧同时备用水冲刷、HBW润滑接口,2、主驱动,效率高，发热少，易维护； 小齿轮为双边重型轴承支撑可调心结构，啮合精度高。,57,六自由度，动作灵活、精度高； 扣头螺钉为优质合金锻件精加工而成，承载能力强； 伸缩内筒、外筒为热轧方钢管整体机加而成，强度高；,57,3、管片拼装机,齿圈模数大，承载大，耐磨损； 电液比例控制，精度高，反应快；,58,液压泵站,采用通用成熟进口液压元件，性能稳定，配件通用； 标配内循环冷却，功率富裕大； 补油和冷却过滤系统采用污染敏感度高的叶片泵，有效保护柱塞泵。,58,4、液压系统,59,配置关键部件运行状态实时监测系统； 配置干式变压器，具有温度监测、报警及保护功能； 配电系统具有动态无功功率补偿功能，COS0.9，配电防护等级IP55，采用优质软电缆，防水接头锁紧； 功率大于30kW电机均采用软启动器； 控制系统采用西门子PLC；,5、电气系统,60,6、TBM远程监控系统,在TBM施工指挥总部和者TBM制