Tunnelconstruction

隧道施工

項(xiàng)目十二掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)任務(wù)一隧道掘進(jìn)機(jī)學(xué)習(xí)目標(biāo)www.islide.cc2知識(shí)目標(biāo)通過(guò)本任務(wù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)了解隧道掘進(jìn)機(jī)的類型、結(jié)構(gòu)組成和適用范圍；明確隧道掘進(jìn)機(jī)的施工技術(shù)特點(diǎn)；掌握隧道掘進(jìn)機(jī)施工工序及技術(shù)措施。能力目標(biāo)通過(guò)本任務(wù)的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠具備組織隧道掘進(jìn)機(jī)施工能力；能分析硬巖掘進(jìn)機(jī)施工的主要技術(shù)問(wèn)題，并提出相應(yīng)的解決方法的能力。一、隧道掘進(jìn)機(jī)概述隧道掘進(jìn)機(jī)，英文名稱為TunnelBoringMachine簡(jiǎn)稱TBM），是一種機(jī)械化的隧道掘進(jìn)設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)法是利用掘進(jìn)機(jī)切削破巖，開鑿隧道的施工方法。掘進(jìn)機(jī)施工有著鉆爆法施工不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。世界上采用掘進(jìn)機(jī)施工的隧道已有1000余座，總長(zhǎng)度在4000km左右。TB880E修建的秦嶺18.4km鐵路隧道隧道掘進(jìn)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：采用隧道掘進(jìn)機(jī)開挖隧道具有一次成洞；洞壁光滑；施工質(zhì)量好；速度快；勞動(dòng)條件好；對(duì)圍巖的損傷小，幾乎不產(chǎn)生松弛，掉塊、崩塌的危險(xiǎn)小，支護(hù)的工作量小；超挖小，襯砌也??；震動(dòng)、噪音小，對(duì)周圍的居民和結(jié)構(gòu)物的影響小等系列優(yōu)越性。一、隧道掘進(jìn)機(jī)概述隧道掘進(jìn)機(jī)的缺點(diǎn)：隧道掘進(jìn)機(jī)雖然機(jī)械化設(shè)備較高，作業(yè)效率快，安全性高，但也存在一些不足，諸如：①機(jī)械的購(gòu)置費(fèi)和運(yùn)輸、組裝解體等的費(fèi)用高；②機(jī)械的設(shè)計(jì)制造時(shí)間長(zhǎng)，初期投資高；③施工途中不能改變開挖直徑；④硬巖掘進(jìn)機(jī)械施工方式一經(jīng)確定，就不可能像鉆爆法施工那樣自由變更，難于適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)變化情況，對(duì)斷層、破碎帶和軟弱層掘進(jìn)困難；⑤開挖斷面的大小、形狀變更困難。開敞式TBM：配置鋼拱架安裝器與噴錨等輔助設(shè)備。常用于硬巖，采取有效支護(hù)手段后也可應(yīng)用于軟巖隧道。雙護(hù)盾TBM：適用于各種地質(zhì)，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層。單護(hù)盾TBM：常用于劣質(zhì)地層。單護(hù)盾TBM推進(jìn)時(shí)利用管片作支撐，其原理類似于盾構(gòu)。與雙護(hù)盾TBM相比，掘進(jìn)與安裝管片不能同時(shí)進(jìn)行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0m二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型（一）開敞式掘進(jìn)機(jī)二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型開敞式掘進(jìn)機(jī)，也稱為支撐式掘進(jìn)機(jī)，是指利用支撐機(jī)構(gòu)撐緊洞壁以承受向前推進(jìn)的反作用力及反扭矩的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)，適用于巖石整體性較好的隧洞。掘進(jìn)機(jī)支撐板撐緊洞壁以承受刀盤掘進(jìn)時(shí)傳來(lái)的反作用力、反扭矩；刀盤旋轉(zhuǎn)，推進(jìn)液壓缸推壓刀盤，一組盤形滾刀切入巖石，在巖石面上作同心圓軌跡滾動(dòng)破巖，巖碴靠自重掉入洞底，由鏟斗鏟起巖碴靠巖碴自重經(jīng)溜槽落入皮帶機(jī)出碴，這樣連續(xù)掘進(jìn)成洞。開敞式掘進(jìn)機(jī)有單支撐和雙支撐兩種型式。二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型單水平支撐掘進(jìn)機(jī)示意圖1-刀盤；2-拱頂護(hù)盾；3-驅(qū)動(dòng)組件；4-主梁；5-出渣輸送機(jī)；6-后下支撐；7-撐靴；8-推進(jìn)千斤頂；9-側(cè)護(hù)盾；10-下支撐；11-刀盤支撐1、單支撐式掘進(jìn)機(jī)單水平支撐掘進(jìn)機(jī)在刀盤支架的前部安裝主軸承和大內(nèi)齒圈，它的四周安裝了刀盤護(hù)盾，利用可調(diào)式頂盾、側(cè)盾和下支撐保持與開挖洞面的浮動(dòng)支承，從而保證了刀盤的穩(wěn)定。主梁上安裝推力千斤頂和支撐系統(tǒng)，如圖所示。由于采用了一對(duì)水平支撐，因此它在掘進(jìn)過(guò)程中，方向的調(diào)整是隨時(shí)進(jìn)行的，掘進(jìn)的軌跡是曲線。2.雙支撐式掘進(jìn)機(jī)雙水平支撐掘進(jìn)機(jī)在主機(jī)架中間有兩對(duì)水平支撐，它可以沿著鑲著銅滑板的主機(jī)架前后移動(dòng)。主機(jī)架的前端與刀盤、軸承、大內(nèi)齒圈相連接，后端與后下支撐連接，推進(jìn)千斤頂借助水平支撐推動(dòng)主機(jī)架及刀盤向前，布置在水平支撐后部的驅(qū)動(dòng)裝置通過(guò)傳動(dòng)軸將扭矩傳到刀盤。雙水平支撐掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)中由兩對(duì)水平支撐撐緊洞壁，因此掘進(jìn)方向一經(jīng)定位，只能沿著直線掘進(jìn)。只有在重新定位時(shí)，才能調(diào)整方向，所以掘進(jìn)機(jī)軌跡是折線。二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型雙水平支撐掘進(jìn)機(jī)示意圖1-刀盤;2-頂護(hù)盾;3-軸承外殼;4、5-水平支撐（前、后）;6-齒輪箱;7-出渣輸送機(jī)；8-驅(qū)動(dòng)電機(jī)；9-星形變速箱；10-后下支撐；11-扭矩筒；12-推進(jìn)千斤頂；13-主機(jī)架；14-仰拱刮板（前下支撐）（二）護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)是在整機(jī)外圍設(shè)置一個(gè)與機(jī)器直徑相一致的圓筒形保護(hù)結(jié)構(gòu)以利于掘進(jìn)破碎或復(fù)雜巖層的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)中利用尾部已安裝的襯砌管片作為推進(jìn)的支撐，圍巖由于有護(hù)盾防護(hù)，在護(hù)盾長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，不暴露。因此護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)更適用于軟巖。護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)又分為單護(hù)盾和雙護(hù)盾兩種類型。二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型1.單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)和安裝襯砌管片時(shí)是依次順序進(jìn)行的，即不能同時(shí)作業(yè)。掘進(jìn)中，它依靠后部的推進(jìn)千斤頂頂推已安裝好的襯左管片得以向前掘進(jìn)，掘進(jìn)停止后，利用管片安裝機(jī)將分成若干塊的一環(huán)管片安裝到隧道上，如圖所示。單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)適用于軟巖地層以及自穩(wěn)時(shí)間相對(duì)較短的地質(zhì)條件較差的地層。二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型①護(hù)盾；②液壓推進(jìn)油缸；③管片；④刀盤；⑤裝渣斗；⑥皮帶輸送機(jī)單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖2、雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)在軟巖及硬巖中都可以使用。當(dāng)它在自穩(wěn)條件不良的地層中施工時(shí)，其優(yōu)越性更突出。它與單護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)的區(qū)別在于增加了一個(gè)護(hù)盾，如圖12-4所示。在硬巖中施工時(shí)利用水平支撐，支撐洞壁傳遞反力，所以它既可利用尾部的推力千斤頂頂推尾部安裝好的襯砌管片推進(jìn)，也可以在利用水平支撐進(jìn)行開挖時(shí)，同時(shí)安裝襯砌管片，因此雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)使用開挖和安裝襯砌管片的停機(jī)換步時(shí)間大大縮短。二、隧道掘進(jìn)機(jī)的類型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)基本構(gòu)造有刀盤開挖系統(tǒng)、支撐與推進(jìn)系統(tǒng)、后配套等三大部分。（一）刀盤

刀盤是鋼結(jié)構(gòu)焊接件，其前端是加強(qiáng)了的雙層壁，通過(guò)溜渣槽與后隔板相連接，刀盤后隔板是用螺栓與刀盤軸承聯(lián)接。刀盤上裝有若干個(gè)盤形滾刀用于擠壓切削巖石，同時(shí)在前端還裝有徑向帶齒的石渣鏟斗用于軟巖開挖。刀座是刀盤的一部分，做成凹形，使盤形刀刀圈凸出刀盤。這樣可以防止破碎圍巖中大塊巖石阻塞刀盤。三、隧道掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)造（二）支撐與推進(jìn)系統(tǒng)1.支撐系統(tǒng)三、隧道掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)造支撐系統(tǒng)是掘進(jìn)機(jī)的固定部分。當(dāng)掘進(jìn)時(shí)，它支承著掘進(jìn)機(jī)的重量并將開挖推力和扭矩傳遞給巖壁形成反力。不同結(jié)構(gòu)形式的掘進(jìn)機(jī)，支撐系統(tǒng)對(duì)掘進(jìn)方向的控制不同。雙水平支撐的開敝式掘進(jìn)機(jī)在換步時(shí)得用后下支撐來(lái)調(diào)整機(jī)器的方位，一經(jīng)確定，刀盤只能按預(yù)定方向掘進(jìn)。2.掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)方式隧道掘進(jìn)機(jī)的推進(jìn)是通過(guò)交叉換步實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)循環(huán)的，開敞式TBM循環(huán)掘進(jìn)如圖所示。（1）擴(kuò)張支撐靴，固定掘進(jìn)機(jī)的機(jī)體在隧道壁上；（2）回轉(zhuǎn)刀盤，開動(dòng)千斤頂前進(jìn)；（3）推進(jìn)一行程后，縮回支撐靴，把支撐靴移置到前方，返回（1）的狀態(tài)。三、隧道掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)造雙護(hù)盾式TBM在圍巖穩(wěn)定性較好的地層中掘進(jìn)時(shí)，位于后護(hù)盾的撐靴緊撐在洞壁上，為刀盤掘進(jìn)提供反力，在主推進(jìn)油缸的作用下，使TBM向前推進(jìn)。此時(shí)TBM作業(yè)循環(huán)為：掘進(jìn)與安裝管片→撐靴收回?fù)Q步→再支撐→再掘進(jìn)與安裝管片，具體見下圖。雙護(hù)盾掘進(jìn)模式適用于穩(wěn)定性較好的硬巖地層施工，在此模式下，掘進(jìn)與安裝管片同時(shí)進(jìn)行，施工速度快。三、隧道掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)造①掘進(jìn)與安裝管片②撐靴收回?fù)Q步③再支撐④再掘進(jìn)與安裝管片（三）后配套設(shè)備后配套設(shè)備包括液壓傳動(dòng)站、變電設(shè)備、開關(guān)柜、主駕駛室、通訊系統(tǒng)、備用發(fā)電機(jī)、空壓機(jī)、通風(fēng)系統(tǒng)、噴射混凝土設(shè)備、圍巖加固堵水注漿設(shè)備以及供水系統(tǒng)。三、隧道掘進(jìn)機(jī)的構(gòu)造（一）掘進(jìn)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)法是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。掘進(jìn)時(shí)盤形刀沿巖石開挖面滾動(dòng)，同時(shí)通過(guò)刀盤均勻地在每個(gè)盤形刀上對(duì)巖面施加壓力，形成滾動(dòng)擠壓切削而實(shí)現(xiàn)破巖的。刀盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，將貫入巖面一定深度，在盤形刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個(gè)區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石渣。四、隧道掘進(jìn)機(jī)施工（二）襯砌施工掘進(jìn)機(jī)施工的隧道，其襯砌結(jié)構(gòu)一般是初期支護(hù)和二次襯砌組成。初期支護(hù)是隧道開挖中保證掘進(jìn)期圍巖穩(wěn)定和掘進(jìn)機(jī)順得掘進(jìn)所不可缺少的。掘進(jìn)開挖成洞后，視地質(zhì)情況采用二次噴射混凝土或二次混凝土做為永久襯砌。1.管片式襯砌使用護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)，一般采用圓形全周管片式襯砌。如圖所示。其優(yōu)點(diǎn)是：適合軟弱圍巖，特別是當(dāng)圍巖允許承載力很低，支撐靴不能支撐巖面時(shí)，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推力反力；當(dāng)支撐靴可以支撐巖面時(shí)，雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)可以使用掘進(jìn)和換步同進(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)，但是它的造價(jià)高。為了防水的需要，每塊之間要安裝止水條，并需在管片外圓和洞壁需壓入豆礫石和注漿。四、隧道掘進(jìn)機(jī)施工2.二次混凝土襯砌二次混凝土襯砌，根據(jù)地地質(zhì)條件可用噴射混凝土做為永久襯砌，如歐洲多數(shù)隧道即是以噴射混凝土作為永久支護(hù)的；亦可采取二次模筑混凝土襯砌，使用穿行式模板臺(tái)車，進(jìn)行永久襯砌。使用開敞式掘進(jìn)機(jī)，一般是隨開挖先施作初期支護(hù)，然后進(jìn)行二次模筑混凝土永久性襯砌以保證掘進(jìn)機(jī)的高速度度掘進(jìn)，而不可能使開挖作業(yè)與?；炷烈r砌作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。此外，在機(jī)械上部進(jìn)行混凝土襯砌作業(yè)，會(huì)給掘進(jìn)機(jī)設(shè)備代來(lái)嚴(yán)重的混凝土污染，因此只在刀盤后部只進(jìn)行必要的初期支護(hù)如錨桿、噴射混凝土、架鋼拱架。四、隧道掘進(jìn)機(jī)施工（三）不良地質(zhì)地段施工全