1、隧 道 工 程 隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.4 與掘進(jìn)機(jī)施工配套的支護(hù)方式,10.3 掘進(jìn)機(jī)施工,10.1 概 述,10.2 掘進(jìn)機(jī)的類型與構(gòu)造,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.1.1 有關(guān)概念和TBM發(fā)展歷史,10.1 概 述,1.隧道常用施工方法,鉆爆法 明挖法 機(jī)械法掘進(jìn)機(jī)法 沉埋法 .,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),2.隧道掘進(jìn)機(jī)械, 隧道掘進(jìn)機(jī)械，一般分為兩種： （1）臂式掘進(jìn)機(jī)(Boom-type Roadheader)； （2）全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)，簡稱TBM。,隧道掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM ，是利用回轉(zhuǎn)刀具切削破巖及掘進(jìn)，形成整個隧道斷面的

2、一種新型、先進(jìn)的隧道施工機(jī)械。,3.定 義,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)又稱為部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。,3.定 義,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),(1) 在巖石中開挖隧道的TBM 通常適用于穩(wěn)定性良好、中厚埋深、中高強(qiáng)度的巖層中掘進(jìn)長大隧道。 (2) 在松軟地層中掘進(jìn)隧道的TBM 一般適用于在具有有限壓力的地下水位以下基本均質(zhì)的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。,10.1.2 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)分類,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),1. 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)分類I（Grandori，1996年）,目前在國內(nèi)通常有兩種提法： (1)巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM ) ； (

3、2) 盾構(gòu)機(jī)。 巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM )就是適合硬巖開挖的隧道掘進(jìn)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)指的是適于在軟巖、土中的隧道掘進(jìn)機(jī)。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),2. 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的分類II,鑒于學(xué)術(shù)及現(xiàn)實中稱法混亂，造成許多麻煩，有些學(xué)者提出采用“硬巖TBM”和“軟巖TBM（也即盾構(gòu)機(jī)）”兩種來規(guī)范。,3. 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的分類III,(1) 安全人員在局部或整體的護(hù)盾下工作 (2) 快速常規(guī)鉆爆法掘進(jìn)速度的310倍 (3) 優(yōu)質(zhì)洞壁光滑美觀 (4) 自動化和機(jī)械化程度高（節(jié)省勞動力經(jīng)濟(jì)） (5) 圍巖擾動小 (6) 對環(huán)境影響小,10.1.3 隧道掘進(jìn)機(jī)施工特點,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),1. 優(yōu) 點,(1) 能耗大

4、(2) 斷面單一 (3) 對巖層變化的適應(yīng)性差 (4) 一次性購買TBM投資高 (5) 主機(jī)重量大，運(yùn)輸不方便，安裝工作量大 (6) 短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)越性(不經(jīng)濟(jì)),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),2. 缺 點,10.1.3 隧道掘進(jìn)機(jī)施工特點,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),1846年TBM由意大利人Maus發(fā)明。 1851年美國人威爾遜開發(fā)了一臺TBM，在花崗巖中試用未獲 成功。 1881年波蒙特開發(fā)了壓氣式TBM，成功應(yīng)用于英吉利海峽隧 道直徑為2.1m的勘探導(dǎo)坑。 1952年美國羅賓斯公司研制了現(xiàn)代意義上的第1臺軟巖TBM。 1956年美國羅賓斯公司又研制成功中硬巖TBM。 從此，TBM 進(jìn)入快速發(fā)展時期。

5、,1.發(fā)展歷史大事記,10.1.4 掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用與發(fā)展,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),2.應(yīng) 用國外,近年來，國外采用掘進(jìn)機(jī)完成的大型隧道有： (1) 英法海底鐵路隧道單洞長約50km，使用11臺掘進(jìn)機(jī)，工期 三年多時間； (2) 瑞士費(fèi)爾艾那隧道長19km，其中約9.5km采用掘進(jìn)機(jī)施工； (3) 瑞士穿越阿爾卑斯山新圣哥達(dá)鐵路隧道長達(dá)57km； (4) 美國芝加哥TARP工程排水隧道大約40多km，全部采用 掘進(jìn)機(jī)施工。,(1) 1970年代末，甘肅引大入秦和山西萬家寨引水工程采用掘進(jìn)機(jī)獲得成功(意大利CMC公司承包)。 (2) 1998.11999.8，西康鐵路秦嶺特長隧道引入德國Wirth公司T

6、B880E型掘進(jìn)機(jī)，進(jìn)行長18.5km，直徑8.8m的I線隧道施工，平均掘進(jìn)速度為313.7/月。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),3.應(yīng) 用國內(nèi),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),4.國外掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展技術(shù)水平,開挖直徑范圍為1.8-11.87m； 可在抗壓強(qiáng)度360MPa的巖體中掘進(jìn)80-100m2大斷面隧道， 平均掘進(jìn)速度350-400m/月； 能開挖45的斜井； 盤形滾刀的最大直徑達(dá)483mm，其承載能力達(dá)312kN；刀具 的壽命達(dá)300500m； 單臺掘進(jìn)機(jī)的最大總進(jìn)尺已超過40km。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),5.世界上著名的巖石掘進(jìn)機(jī)制造廠商,美 國：羅賓斯(obbins)公司(已歸屬阿特拉斯公司) 佳瓦(Jar

7、va)公司 德 國：維爾特(Wirth)公司 海瑞克(Herrenknecht)公司 瑞 典：阿特拉斯.科普柯 (Atlas.Copco)公司 加拿大：拉瓦特(Lovat)公司 日 本：川崎(Kawasaki)公司 三菱(Mitsubishi)公司 日立(Hitachi)公司,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.2 掘進(jìn)機(jī)的類型與構(gòu)造, 掘進(jìn)機(jī)的類型,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.2.1 全斷面掘進(jìn)機(jī), 適合于軟巖隧道； 頂推反力利用尾部安裝的襯砌管片。, 適合于硬巖隧道； 頂推反力與刀盤扭矩力依靠圍巖堅硬壁面提供；,(1) 開敞式掘進(jìn)機(jī),(2) 護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)

8、機(jī)開挖技術(shù),中鐵隧道局研發(fā)的開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),型 號：TB880E 開 挖 直 徑：8.8米 掘 進(jìn) 速 度：3.5m/h,西康鐵路秦嶺隧道 西安-南京線磨溝嶺隧道,最高月進(jìn)度：574米（磨溝嶺隧道） 最高日進(jìn)度：41.3米（磨溝嶺隧道）,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式掘進(jìn)機(jī)模型,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),護(hù)盾式隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù)

9、,10.2.1.1 開敞式掘進(jìn)機(jī),開敞式掘進(jìn)機(jī)基本有兩種型式：單撐靴式、雙撐靴式。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù), 刀座 吊耳 人工檢查用腳踏點和把手 周邊鏟斗，可更換鏟齒或鏟碴板 帶防護(hù)罩噴水孔 人孔通道 與刀盤回轉(zhuǎn)軸承相連接的精加工部件及螺栓孔,10.2.1.1 開敞式掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造,(1)刀 盤,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),主要構(gòu)造：刀盤；控制系統(tǒng)，支撐和推進(jìn)系統(tǒng)；后部配套設(shè)備。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),The biggest hard rock tunnel boring

10、machine in the world is set to start work on the Brisbane North-South Bypass Tunnel inDecember 2007.,The machine is 250M long, weighs 4000T and is almost 13M in diameter.,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),掘進(jìn)中，刀具受順刀圈徑向和側(cè)向復(fù)合壓力及刀圈和巖石間摩擦力。 在均一完整巖石中，刀具主要受徑向壓力，而所受側(cè)向力并不大。 實際巖石是不均質(zhì)和有裂紋的，每把滾刀受力不均一。 刀具破碎巖石過程，機(jī)械能轉(zhuǎn)換成熱能，產(chǎn)生大量熱能，將降低刀圈壽命，

11、因此須作降溫處理。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),(2)刀具的力學(xué)特性,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),(3)滾刀數(shù)量的確定,切削刀盤上滾刀平面布置是根據(jù)滾刀類型和合理刀間距確定的。 在一定間距下，刀盤直徑與滾刀數(shù)量間的關(guān)系可以從右圖中查驗。,(4)支撐和推進(jìn)系統(tǒng),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),單撐靴式雙撐靴式,(5) 驅(qū)動系統(tǒng),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù), 刀盤驅(qū)動方式有兩大類：電動和液壓。 電動又分單速電機(jī)、雙速電機(jī)和調(diào)頻電機(jī)。, 液壓系統(tǒng), 供電系統(tǒng), 運(yùn)輸系統(tǒng), 通風(fēng)系統(tǒng), 降溫、防塵、供水及安全系統(tǒng), 隧道支護(hù)設(shè)備系統(tǒng), 其它輔助設(shè)施,(6) 后配套設(shè)備,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),TBM組裝圖,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),TBM組裝圖,

12、隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),TBM組裝圖,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),TBM組裝圖,(1) 單護(hù)盾TBM常用于劣質(zhì)地層。 (2) 雙護(hù)盾TBM適用于各種地質(zhì)，既適應(yīng)軟巖，也適應(yīng)硬 巖或軟硬巖交互地層。 對比：單護(hù)盾TBM推進(jìn)時，要利用管片作為支撐，與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片兩者不能同時進(jìn)行，速度較慢。,10.2.1.2 護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)又稱為部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機(jī)械。,10.2.2 臂式掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)具有效率高、機(jī)動性強(qiáng)、對圍巖擾動小、超挖量小、安全

13、性高、適應(yīng)性強(qiáng)，以及費(fèi)用相對較低等優(yōu)點。, 可以適應(yīng)任意形狀的斷面； 對地質(zhì)條件的要求較低，適合軟巖及中硬巖隧道的掘進(jìn)； 連續(xù)掘進(jìn)，支護(hù)可實現(xiàn)平行作業(yè) 基本投資費(fèi)用少，約為全斷面掘進(jìn)機(jī)的15%左右。 中短隧道施工更為適用。,壁式掘進(jìn)機(jī)的特點,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)開挖與支護(hù)平行作業(yè)示意圖,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)開挖作業(yè)示意圖,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),重型隧道掘進(jìn)機(jī),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),臂式掘進(jìn)機(jī)切削頭,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),在掘進(jìn)時切削刀盤上的滾刀沿巖石開挖面滾動，切削刀盤均勻地對每個滾刀施加壓力，形成對巖面的滾動擠壓，切削刀盤每轉(zhuǎn)動一圈，就會貫入巖面一定深度，在滾刀刀刃與巖石接觸處

14、，巖石被擠壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴，從而實現(xiàn)破巖，如右圖。,10.3 掘進(jìn)機(jī)施工,10.3.1 破巖機(jī)理,1.機(jī)理,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),貫入深度 堅硬和裂隙很少巖石，一般為2.5-3.5mm/轉(zhuǎn),中等堅硬和裂隙較多巖石中，一般為5-9mm/轉(zhuǎn)。 滾刀間距 滾刀間距太大，滾刀產(chǎn)生壓力達(dá)不到與相鄰滾刀的影響范圍相接，從而使開挖效率降低。反之，如果刀間距太小，則會浪費(fèi)設(shè)備的功率。 巖體的裂隙 掘進(jìn)機(jī)施工不僅要注意巖石抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)注意巖石磨蝕性和巖體裂隙程度，當(dāng)巖體節(jié)理裂隙面間距越大時，切割也就會越困難。,2.影響因素,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.3.2 掘進(jìn)

15、作業(yè),隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),開敞式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)循環(huán),掘進(jìn)機(jī)開挖隧道的高效率源于隧道施工的工廠化，但要發(fā)揮最佳效益，就必須加強(qiáng)管理。,10.3.3 施工管理,1.保證有效作業(yè)時間,將整個有效的作業(yè)時間作為凈掘進(jìn)時間是不可能的，因為：。在一般地質(zhì)條件下，掘進(jìn)機(jī)凈掘進(jìn)時間在50%左右是較為理想的。 例如，某掘進(jìn)機(jī)工點作業(yè)時間分配為：重新支撐3.2%、刀具更換13.8%、檢修5.5%、后配套檢修6.6%、支護(hù)1.7%、工地延誤3.8%、其它11.1%、掘進(jìn)54.3%。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),2.提高設(shè)備完好率,3.合理選用刀具參數(shù),4.保證配件供應(yīng),5.管理人員對掘進(jìn)方向的地質(zhì)情況應(yīng)有足夠的了解,6.提高隧

16、道控制測量和施工測量的精度,7.應(yīng)建立專門的供電機(jī)構(gòu)，確保供電質(zhì)量,8.精心設(shè)計，統(tǒng)籌安排，嚴(yán)格施工,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),一般仍是由初期支護(hù)和二次襯砌組成。 初期支護(hù)：噴射混凝土 二次襯砌：噴射混凝土 模筑混凝土 管片襯砌 不管是哪種類型的襯砌，為了安放軌道運(yùn)碴，都必須設(shè)置預(yù)制仰拱塊，它也是最終襯砌的一部分。,10.4 與掘進(jìn)機(jī)施工配套的支護(hù)型式,襯砌結(jié)構(gòu)的組成,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),見圖10-13，使用護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)時，一般采用圓形管片襯砌，分為57塊，在洞內(nèi)拼裝而成。,10.4.1 管片襯砌,1. 構(gòu)成,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),優(yōu)點：適合軟弱圍巖，特別是當(dāng)圍巖允許承載力很低，撐靴不能支撐巖面時，可利

17、用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進(jìn)反力；當(dāng)撐靴可以支撐巖面時，雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)可以使掘進(jìn)和換步同時進(jìn)行，提高了循環(huán)速度；利用管片安裝機(jī)安裝管片速度快、支護(hù)效果好，安全性強(qiáng)。 缺點：造價高。為了防水需要，塊與塊之間必須安裝止水帶，并需在管片外壁和巖壁間隙中壓入豆石和注漿。為了生產(chǎn)預(yù)制管片，需要有管片工廠，如工地施工場地允許，最好是設(shè)在現(xiàn)場，以方便運(yùn)輸，如秦嶺鐵路隧道就是如此。,10.4.1 管片襯砌,2. 特點,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),使用開敞式掘進(jìn)機(jī)，可以先施作初期支護(hù)，然后澆灌二次模筑混凝土永久性襯砌，即復(fù)合式襯砌，見圖10-14，其底部為預(yù)制仰拱塊。如秦嶺線鐵路隧道。,10.4.2 復(fù)合式

18、襯砌,1. 構(gòu)造,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),一般而言，掘進(jìn)機(jī)宜用于地質(zhì)條件較好的隧道，但任何一座總體地質(zhì)條件好的隧道，都有可能出現(xiàn)局部地質(zhì)較差地段，這就需要掘進(jìn)機(jī)對于這樣的地質(zhì)情況具有一定的處理能力。為了實現(xiàn)這一目的，可以在掘進(jìn)機(jī)上安裝一些輔助設(shè)備進(jìn)行特殊功能的作業(yè)。,10.4.3 在軟弱破碎地層中的輔助支護(hù)措施,1. 安裝地質(zhì)超前鉆機(jī),將地質(zhì)超前鉆機(jī)安裝在切削刀盤后部的主機(jī)頂部平臺上，它在主機(jī)停機(jī)時進(jìn)行掌子面前方約30m的超前鉆孔，以預(yù)報前方的地質(zhì)情況，為掘進(jìn)提供可靠消息。超前鉆機(jī)還具備注漿和安裝管棚的功能，使掘進(jìn)機(jī)具備加固前方地層的能力(圖10-14)。,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),10.4.3 在軟弱破碎地層中的輔助支護(hù)措施,圖10-15從TVM機(jī)內(nèi)進(jìn)行的超前支護(hù)示意圖,隧道掘進(jìn)機(jī)開挖技術(shù),緊靠刀盤的后部設(shè)有鋼拱環(huán)安裝器，利用工字鋼拱