1、中鐵隧道集團有限公司,演講者： 高級工程師 董天鴻,TBM結(jié)構(gòu)和工作原理,中鐵隧道集團有限公司 2008年11月19日,第一部分 掘進機的發(fā)展概況 第二部分 TBM分類 第三部分 TBM的結(jié)構(gòu)和原理 第四部分 施工錄像資料,目 錄,第一部分,掘進機的發(fā)展概況,掘進機的發(fā)展概況1,隧道掘進技術(shù)是由早期的盾構(gòu)（適用于軟土層掘進的又稱盾構(gòu)）技術(shù)發(fā)展而來，是地下暗挖隧道的一種工程建設(shè)技術(shù)，是隨著現(xiàn)代交通運輸、地下工程、礦山開采、水利工程、市政建設(shè)以及電氣通訊設(shè)施的發(fā)展而發(fā)展起來的。 全斷面隧道掘進機問世已有180年的歷史。1818年，英國布魯諾（M.I.Brunel）在蛀蟲鉆孔的啟示下，最早提出了用于

2、施工地下隧道的掘進機的雛形及施工方法。1825年，他第一次在倫敦泰晤士河下用一個斷面高6.8m，寬11.4m的矩形盾構(gòu)修建了一條隧道。由于初始未能掌握抵制泥水涌入隧道的方法，隧道施工兩次被淹，后來在東倫敦地下鐵道公司的合作下，經(jīng)過對盾構(gòu)施工的改進，用氣壓輔助施工，于1843年完成了全長458m的第一條盾構(gòu)法隧道。 早期的盾構(gòu)，主要是利用盾構(gòu)機械所特有的盾殼作為支護，防止地層的坍塌，以保證在其內(nèi)部安全地進行開挖和襯砌等各種作業(yè)，開挖基本上是采用人工開挖方式。隨著隧道工程的不斷增多，為適應(yīng)不同條件下的施工要求和提高施工效率，隧道掘進機器人得以應(yīng)用并不斷地發(fā)展，除不斷完善軟土隧道掘進機（即盾構(gòu)）及應(yīng)

3、用技術(shù)，又開發(fā)出能夠適應(yīng)巖石地層施工的巖石隧道掘進機及應(yīng)用技術(shù)。到目前為止，隧道掘進機已經(jīng)發(fā)展到比較高的水平。全世界共生產(chǎn)各種類型的隧道掘進機約8000余臺，并且在工程應(yīng)用中獲得了滿意效果。 隨著地下空間的開發(fā)，盾構(gòu)技術(shù)已廣泛地應(yīng)用于軟土層的地鐵、隧道、市政管道等工程領(lǐng)域。為適應(yīng)不同工程的需要，盾構(gòu)機的形式也越來越多，目前，已生產(chǎn)了斷面為圓形、矩形、雙圓、三圓、球型盾構(gòu)、子母盾構(gòu)等，尺寸也從直徑200mm到18 m。盾構(gòu)機的類型較多，但其工作原理基本相同，主要由切削刀盤、動力機構(gòu)、液壓主軸頂進機構(gòu)、液壓糾偏機構(gòu)、液壓中繼頂進機構(gòu)、液壓主推進機構(gòu)、襯砌及巖土排運機構(gòu)以及檢測導(dǎo)向機構(gòu)等幾個部分。,

4、掘進機的發(fā)展概況2,隨著高新技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)機的控制技術(shù)科技含量越來越高，遙控控制技術(shù)、激光制導(dǎo)技術(shù)以及陀螺儀定位系統(tǒng)已普遍應(yīng)用于盾構(gòu)機中，使得盾構(gòu)機的操作、地表沉降的控制更趨簡易，隧道的施工質(zhì)量也越來越好。 為適應(yīng)工程建設(shè)發(fā)展的需要，盾構(gòu)機的斷面尺寸具有向超大、微小兩個方向發(fā)展的趨勢。直徑18 m的盾構(gòu)機已在研制，小到直徑200 mm的微型盾構(gòu)已在工程中得到應(yīng)用。盾構(gòu)技術(shù)的應(yīng)用越來越廣，如水工隧道、地鐵隧道、市政管道、共同溝等。 近幾年來，我國隧道及地下工程的建設(shè)發(fā)展很快，目前我國鐵路隧道總數(shù)達5300余座，總長度達到2500km；公路隧道達到450多座，總長度達到120km；水電站地下工程

5、和水工隧洞達到100km；已建和正在建設(shè)的地鐵長度達到170km。在這些工程中，其中有不少是采用盾構(gòu)技術(shù)進行施工。在2000年2009年的十年中，新建鐵路隧道的長度將達到300400km；地鐵建設(shè)長度將達到700km；城市市政隧道工程將達100km；水電隧道將達400km。由此可見隧道掘進技術(shù)在我國將有廣闊的應(yīng)用前景。 我國在盾構(gòu)施工技術(shù)方面已有多年經(jīng)驗，在北京、上海、廣州等地下鐵道、排水隧道工程中應(yīng)用了盾構(gòu)施工并取得成功。九十年代以來，我們已成功地研制了3.8m6.34m的土壓平衡隧道掘進機10余臺，技術(shù)水平已接近國際先進，用于地鐵隧道、引排水隧道、電纜隧道工程；在導(dǎo)向技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)方面的研

6、究也達到了國際先進。最近，上海已研制了國內(nèi)第一臺3.8m3.8m組合刀盤土壓平衡矩形盾構(gòu)，完成2條62m長的地下人行通道，使我國在異形隧道的開發(fā)研究方面進入世界行列。 北京首臺加泥式土壓平衡盾構(gòu)機“京盾一號”也在最近研制并試運轉(zhuǎn)成功，該機是專門針對北京地區(qū)含水砂卵石地層面研制的盾構(gòu)機，直徑3.63米，日掘進速度10米，是傳統(tǒng)開槽施工的10倍。 為什么把盾構(gòu)機與機器人相提并論呢？第一，盾構(gòu)機采用了類似機器人的技術(shù)，如控制、遙控、傳感器、導(dǎo)向、測量、探測、通訊技術(shù)等，這些也是廣義的自動化技術(shù)。第二，信息時代既展現(xiàn)了多學(xué)科的相通又體現(xiàn)了多技術(shù)的集成，信息一詞本身的內(nèi)涵就有了巨大的變化，機器人也同樣在

7、傳統(tǒng)的概念上及應(yīng)用領(lǐng)域方面不斷創(chuàng)新。,第二部分,TBM分類,TBM分類1,1從適應(yīng)掘進的地層分類： 1）硬巖掘進機（hard-rock tunnel boring machine）或敞開式掘進機（Open tunnel boring machines）： （1）撐靴式掘進機Gripper TBM：水平支撐和X型支撐 （2）斜井掘進機（Inclined TBM） （3）擴挖掘進機（TBE -Tunnel reaming machines） （4）護盾掘進機（Shielded tunnel boring machines）： 單、雙護盾(Single and telescopic shield m

8、achine) 2）混和巖石掘進機（TBM for mixed rock）： （1）在同一臺掘進機上采用兩種處理技術(shù)聯(lián)合的TBM （2）類似護盾掘進機、使用新設(shè)計 （3）應(yīng)用在穩(wěn)定和不穩(wěn)定地層的斷面。,TBM分類2,3）軟巖掘進機：（soft-rock TBM） （1）敞開式Open-face TBM or open mode：使用在穩(wěn)定而且少水的地層。 （2）封閉（壓力平衡）式（Closed-face TBM or in closed mode）： a. 土壓平衡式（Earth Pressure Balance TBMs）簡稱EPB b. 泥水平衡式（Slurry Shield TBM）,T

9、BM分類3,2. 從開挖不同形狀的隧道分類： 1）單圓掘進機 2）多圓掘進機 3）異型（特殊形狀）掘進機 4）微型掘進機（minimum）,撐靴式掘進機Gripper TBM,CHINA REAILWAY TUNNEL GROUP CO,. LTD. 中鐵隧道集團有限公司 CHINA REAILWAY TUNNEL GROUP CO,. LTD.,撐靴式掘進機Gripper TBM,斜井掘進機（Inclined TBM）,擴挖掘進機（TBE -Tunnel reaming machines）,護盾掘進機（Shielded tunnel boring machines）,護盾掘進機（Shield

10、ed tunnel boring machines）,混和巖石掘進機（TBM for mixed rock）,土壓平衡式（Earth Pressure Balance TBMs）簡稱EPB,泥水平衡式（Slurry Shield TBM）,多圓掘進機,微型掘進機（minimum）,三、TBM結(jié)構(gòu)和工作原理,1硬巖撐靴式掘進機結(jié)構(gòu)及工作原理 2護盾掘進機結(jié)構(gòu)及工作原理 3軟巖掘進機結(jié)構(gòu)及工作原理,硬巖撐靴式掘進機結(jié)構(gòu)及工作原理,護盾掘進機結(jié)構(gòu)及工作原理,土壓平衡盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)與工作原理,刀盤 土倉 螺旋輸送機 土倉隔板 推進油缸 襯砌管片 盾尾密封刷,工作原理： 由刀盤切削土層，切削后的泥土進入土

11、倉（工作室），土倉內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時由土腔內(nèi)的螺旋輸送機出土，裝于排土口的排土裝置在出土量與推進量取得平衡的狀態(tài)下，進行連續(xù)出土。,泥水平衡盾構(gòu)機的機構(gòu)與工作原理,刀盤 泥漿 壓縮空氣 推進油缸 襯砌管片 盾尾密封刷 進漿管 排漿管 管片背后注漿,工作原理： 在機械式盾構(gòu)大刀盤的后方設(shè)置一道隔板，隔板與大刀盤之間作為泥水室，在開挖面和泥水室中充滿加壓的泥水，通過加壓作用和壓力保持機構(gòu)，保證開挖面土體的穩(wěn)定。,土壓平衡盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)與工作原理,刀盤 土倉 螺旋輸送機 土倉隔板 推進油缸 襯砌管片 盾尾密封刷,工作原理： 由刀盤切削土層，切削后的泥土進入土倉（工作室），土倉內(nèi)的泥土與開挖面壓力取得平衡的同時由土腔內(nèi)的螺旋輸送機出土，裝于排土口的排土裝置在出土量與推進量取得平衡的狀態(tài)下，進行連續(xù)出土。,泥水平衡盾構(gòu)機（城陵磯長江隧道，前灣過海隧道）,泥水平衡盾構(gòu)機的機構(gòu)與工作原理,刀盤 泥漿 壓縮空氣