隧道工程隧道掘进机开挖技术

1、 隧道掘进机开挖技术10.3 掘进机施工10.1 概 述10.2 掘进机的类型与构造 隧道掘进机开挖技术10.1 概 述 钻爆法 明挖法 机械法机械法掘进机法掘进机法 沉埋法 . 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 鉴于学术及现实中称法混乱，造成许多麻烦，有些学者提出采用“硬岩tbm”和“软岩tbm（也即盾构机）”两种来规范。 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 1846年tbm由意大利人maus发明。 1851年美国人威尔逊开发了一台tbm，在花岗岩中试用未获 成功。 1881年波蒙特开发了压气式tbm，

2、成功应用于英吉利海峡隧 道直径为2.1m的勘探导坑。 1952年美国罗宾斯公司研制了现代意义上的第1台软岩tbm。 1956年美国罗宾斯公司又研制成功中硬岩tbm。 从此，tbm 进入快速发展时期。10.1.4 10.1.4 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展 隧道掘进机开挖技术 近年来，国外采用掘进机完成的大型隧道有： (1) 英法海底铁路隧道单洞长约50km，使用11台掘进机，工期 三年多时间； (2) 瑞士费尔艾那隧道长19km，其中约9.5km采用掘进机施工； (3) 瑞士穿越阿尔卑斯山新圣哥达铁路隧道长达57km； (4) 美国芝加哥tarp工程排水隧道大约40多km，全部采用 掘

3、进机施工。 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 开挖直径范围为1.8-11.87m； 可在抗压强度360mpa的岩体中掘进80-100m2大断面隧道， 平均掘进速度350-400m/月； 能开挖45的斜井； 盘形滚刀的最大直径达483mm，其承载能力达312kn；刀具 的寿命达300500m； 单台掘进机的最大总进尺已超过40km。 隧道掘进机开挖技术 美 国：罗宾斯(obbins)公司(已归属阿特拉斯公司) 佳瓦(jarva)公司 德 国：维尔特(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

4、)公司 日 本：川崎(kawasaki)公司 三菱(mitsubishi)公司 日立(hitachi)公司 隧道掘进机开挖技术10.2 掘进机的类型与构造隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式 掘进机的类型掘进机的类型 隧道掘进机开挖技术10.2.1 10.2.1 全断面掘进机全断面掘进机 适合于软岩隧道； 顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。 适合于硬岩隧道； 顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面提供；(1) 开敞式掘进机(2) 护盾式掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术中铁隧道局研发的开敞式隧

5、道掘进机中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机型型 号：号：tb880e开开 挖挖 直直 径：径：8.8米米掘掘 进进 速速 度：度：3.5m/h西康铁路秦岭隧道西康铁路秦岭隧道西安西安-南京线磨沟岭隧道南京线磨沟岭隧道 最高月进度：最高月进度：574米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道） 最高日进度：最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道） 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘

6、进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术开敞式掘进机模型开敞式掘进机模型 隧道掘进机开挖技术护盾式隧道掘进机护盾式隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术10.2.1.1 10.2.1.1 开敞式掘进机开敞式掘进机图10-2 单水平支撑掘进机示意图1.掘进刀盘；2.拱顶护盾；3.驱动组件；4.主梁；5.出碴输送机；6.后下支撑；7.撑靴；8.推进千斤顶；9.侧护盾；10.下支撑；11.刀盘支撑1111098234765开敞式掘进机基本有两种型式：单撑靴式、双撑靴式。.掘进刀盘；2.顶护盾；3.轴承外壳；4、前水平撑靴

7、；5.后水平撑靴；6.齿轮箱；7.出碴输送机；8.驱动电机；9.星形变速箱；10.后下支撑；11.扭矩筒；12.推进千斤顶；13.主机架；14.前下支撑(仰拱括板)图10-3 双水平支撑掘进机示意图1413121112435910867 隧道掘进机开挖技术10.2.1.1 开敞式掘进机构造(1)刀 盘 隧道掘进机开挖技术主要构造：刀盘；控制系统，支撑和推进系统；后部配套设备。21铲斗；2.中心刀；3.扩孔边；4.扩孔刮碴器；5.面刀；6.铲齿；7.边刀图10-5 掘进机刀盘示意图34567 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道

8、掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术 the biggest hard rock tunnel boring 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. 隧道掘进机开挖技术 隧道掘进机开挖技术(2)刀具的力学特性 隧道掘进机开挖技术(3)滚刀数量的确定3094107856102013

9、111412705040608010090图10-6 刀盘直径与滚刀数量关系曲线图刀盘直径（m）滚刀数量（个） 切削刀盘上滚刀平面布置是根据滚刀类型和合理刀间距确定的。在一定间距下，刀盘直径与滚刀数量间的关系可以从右图中查验。 (4)支撑和推进系统 隧道掘进机开挖技术单撑靴式双撑靴式图10-4 掘进机撑靴型式推力千斤顶单撑靴型双撑靴型撑靴推力千斤顶x型配置t型配置撑靴主梁(5) 驱动系统 隧道掘进机开挖技术 刀盘驱动方式有两大类：电动和液压。 电动又分单速电机、双速电机和调频电机。 液压系统 供电系统 运输系统 通风系统 降温、防尘、供水及安全系统 隧道支护设备系统 其它辅助设施(6) 后配套

10、设备 隧道掘进机开挖技术tbm组装图 隧道掘进机开挖技术tbm组装图 隧道掘进机开挖技术tbm组装图 隧道掘进机开挖技术tbm组装图(1) 单护盾tbm常用于劣质地层。(2) 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。 对比：单护盾tbm推进时，要利用管片作为支撑，与双护盾tbm相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，速度较慢。10.2.1.2 护盾式掘进机 隧道掘进机开挖技术图10-7 单护盾掘进机示意图掘进刀盘；2.护盾；3.驱动组件；4.推进千斤顶；5.管片安装机；6.超前钻机；7.出碴输送机；8.拼装好的管片；9.提升机；10.铰接千斤顶；11.主轴承、大齿圈

11、；12.刀盘支撑121110123459867 隧道掘进机开挖技术掘进刀盘；2.前护盾；3.驱动组件；4.推进油缸；5.铰接油缸；6.撑靴护盾；7.尾护盾；8.出碴输送机；9.拼装好的管片；10.管片安装机；11.辅助推进靴；12.水平撑靴；13.伸缩护盾；14.主轴承大齿圈；15.刀盘支撑1514123图10-8 双护盾掘进机示意图134101211546798 隧道掘进机开挖技术10.2.2 10.2.2 臂式掘进机臂式掘进机 隧道掘进机开挖技术 可以适应任意形状的断面； 对地质条件的要求较低，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1

12、5%左右。 中短隧道施工更为适用。壁式掘进机的特点 隧道掘进机开挖技术 臂式掘进机开挖与支护平行作业示意图 隧道掘进机开挖技术 臂式掘进机开挖作业示意图 隧道掘进机开挖技术重型隧道掘进机 隧道掘进机开挖技术 臂式掘进机切削头 隧道掘进机开挖技术10.3 掘进机施工10.3.1 10.3.1 破岩机理破岩机理岩石龟裂纹图10-11 掘进机切削岩石机理示意图相邻刀具产生的粉碎岩石粒切削石碴滚刀粉碎岩石粒1.机理 隧道掘进机开挖技术2.影响因素 隧道掘进机开挖技术10.3.2 10.3.2 掘进作业掘进作业 隧道掘进机开挖技术前下支撑水平撑靴后下支撑水平撑靴后下支撑前下支撑前下支撑水平撑靴后下支撑

13、开敞式掘进机作业循环 10.3.3 10.3.3 施工管理施工管理1.保证有效作业时间 将整个有效的作业时间作为净掘进时间是不可能的，因为：。在一般地质条件下，掘进机净掘进时间在50%左右是较为理想的。 例如，某掘进机工点作业时间分配为：重新支撑3.2%、刀具更换13.8%、检修5.5%、后配套检修6.6%、支护1.7%、工地延误3.8%、其它11.1%、掘进54.3%。 隧道掘进机开挖技术2.提高设备完好率3.合理选用刀具参数4.保证配件供应5.管理人员对掘进方向的地质情况应有足够的了解6.提高隧道控制测量和施工测量的精度7.应建立专门的供电机构，确保供电质量8.精心设计，统筹安排，严格施工

14、 隧道掘进机开挖技术10.4 与掘进机施工配套的支护型式衬砌结构的组成 隧道掘进机开挖技术10.4.1 10.4.1 管片衬砌管片衬砌图10-13 全周预制钢筋混凝土管片衬砌示意图仰拱块管片厚度标准块注浆充填tbm开挖断面相邻块封顶块1. 构成 隧道掘进机开挖技术10.4.1 10.4.1 管片衬砌管片衬砌2. 特点 隧道掘进机开挖技术10.4.2 10.4.2 复合式衬砌复合式衬砌图10-14 复合式衬砌示意图预制仰拱块模注混凝土衬砌1. 构造 隧道掘进机开挖技术10.4.3 10.4.3 在软弱破碎地层中的辅助支护措施1. 安装地质超前钻机 将地质超前钻机安装在切削刀盘后部的主机顶部平台上，它在主机停机时进行掌子面前方约30m的超前钻孔，以预报前方的地质情况，为掘进提供可靠消息。超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，使掘进机具备加固前方地层的能力(图10-14)。 隧道掘进机开挖技术10.4.3 10.4.3 在软弱破碎地层中的辅助支护措施图10-15从tvm机内进行的超前支护示意图 隧道掘进