隧道掘进机开挖技术解析PPT课件

1、 2.隧道掘进机械 隧道掘进机械一般分为两种:（1）臂式掘进机;（2）全断面隧道掘进机，简称TBM第1页/共63页 3.定 义 隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)，简称TBM ，是利用回转刀具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。 第2页/共63页 臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。 第3页/共63页 (1) 在岩石中开挖隧道的TBM 通常适用于稳定性良好、中厚埋深、中高强度的岩层中掘进长大隧道。 (2) 在松软地层中掘进隧道的TBM 一般适用于在具有有限压力的地下水位以下基本

2、均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。第4页/共63页 )目前在国内通常有两种提法： (1)岩石掘进机(TBM ) ； (2) 盾构机。 岩石掘进机(TBM )就是适合硬岩开挖的隧道掘进机，盾构机指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。 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 第5页/共63页(1) 安全人员在局部或整体的护盾下工作(2) 快速常规钻爆法掘进速度的310倍(3) 优质洞壁光滑美观(4) 自动化和机械化程度高（节省劳动力经济）(5) 围岩扰动小 (6) 对环境影响小第6页/共63页 (1) 能耗大 (2) 断面单一

3、 (3) 对岩层变化的适应性差(4) 一次性购买TBM投资高(5) 主机重量大，运输不方便，安装工作量大 (6) 短隧道不能发挥其优越性(不经济)第7页/共63页6.1.4 掘进机的应用与发展 第8页/共63页第9页/共63页 (1) 1970年代末，甘肃引大入秦和山西万家寨引水工程采用掘进机获得成功(意大利CMC公司承包)。 (2) 1998.11999.8，西康铁路秦岭特长隧道引入德国Wirth公司TB880E型掘进机，进行长18.5km，直径8.8m的I线隧道施工，平均掘进速度为313.7/月。第10页/共63页 开挖直径范围为1.8-11.87m； 可在抗压强度360MPa的岩体中掘进

4、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。 第11页/共63页 美 国：罗宾斯(obbins)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)公司 日 本：川崎(Kawasaki)公司 三菱(Mitsubishi)公司 日立(Hitachi)公司 第12页/共63页6.2 掘进机的类型与构造

5、 掘进机的类型 第13页/共63页6.2.1 全断面掘进机 (1) 开敞式掘进机 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；(2) 护盾式掘进机 适合于软岩隧道； 顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。 第14页/共63页开敞式隧道掘进机第15页/共63页 型 号：TB880E 最高月进度：574米 最高日进度：41.3米 开 挖 直 径：8.8米 掘 进 速 度：3.5m/h第16页/共63页开敞式隧道掘进机第17页/共63页开敞式隧道掘进机第18页/共63页开敞式隧道掘进机第19页/共63页开敞式隧道掘进机第20页/共63页开敞式隧道掘进机第21页/共63页开敞式隧道掘进机第2

6、2页/共63页开敞式隧道掘进机模型第23页/共63页护盾式隧道掘进机第24页/共63页 6.2.1.1 开敞式掘进机 开敞式掘进机基本有两种型式：单撑靴式、双撑靴式。 第25页/共63页第26页/共63页 6.2.1.1 开敞式掘进机构造 主要构造：刀盘；控制系统，支撑和推进系统；后部配套设备 第27页/共63页第28页/共63页第29页/共63页第30页/共63页第31页/共63页第32页/共63页第33页/共63页第34页/共63页第35页/共63页第36页/共63页 (4)支撑和推进系统单撑靴式双撑靴式 第37页/共63页(5) 驱动系统 刀盘驱动方式有两大类：电动和液压。电动又分单速电

7、机、双速电机和调频电机 (6) 后配套设备 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 其它辅助设施第38页/共63页TBM组装图第39页/共63页TBM组装图第40页/共63页TBM组装图第41页/共63页TBM组装图第42页/共63页TBM组装图第43页/共63页6.2.1.2 护盾式掘进机 (1) 单护盾TBM常用于劣质地层。 (2) 双护盾TBM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。第44页/共63页第45页/共63页第46页/共63

8、页6.2.2 臂式掘进机 臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。 第47页/共63页壁式掘进机的特点 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15%左右。 中短隧道施工更为适用。 臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动小、超挖量小、安全性高、适应性强，以及费用相对较低等优点。 第48页/共63页第49页/共63页第50页/共63页第51页/共63页第52页/共63页 6.3 掘进机施工 6.3.1 破岩机理 1.机理在掘进时

9、切削刀盘上的滚刀沿岩石开挖面滚动，切削刀盘均匀地对每个滚刀施加压力，形成对岩面的滚动挤压，切削刀盘每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在滚刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石碴，从而实现破岩，如下图。 第53页/共63页第54页/共63页 2.影响因素 贯入深度 坚硬和裂隙很少岩石，一般为2.5-3.5mm/转,中等坚硬和裂隙较多岩石中，一般为5-9mm/转。 滚刀间距 滚刀间距太大，滚刀产生压力达不到与相邻滚刀的影响范围相接，从而使开挖效率降低。反之，如果刀间距太小，则会浪费设备的功率。 岩体的裂隙 掘进机施工不仅要注意岩石抗压强度，还应

10、注意岩石磨蚀性和岩体裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距越大时，切割也就会越困难。 第55页/共63页第56页/共63页 6.3.3 施工管理 掘进机开挖隧道的高效率源于隧道施工的工厂化，但要发挥最佳效益，就必须加强管理。 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%。第57页/共63页 2.提高设备完好率 3.合理选用刀具参数 4.保证配件

11、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 8.精心设计，统筹安排，严格施工专门的供电机构，确保供电质量 第58页/共63页 6.4 与掘进机施工配套的支护型式 衬砌结构的组成 一般仍是由初期支护和二次衬砌组成。 初期支护：喷射混凝土 二次衬砌：模筑混凝土 管片衬砌 不管是哪种类型的衬砌，为了安放轨道运碴，都必须设置预制仰拱块，它也是最终衬砌的一部分。 第59页/共63页 6.4.1 管片衬砌 1. 构成 使用护盾掘进机时，一般采用圆形管片衬砌，分为57块，在洞内拼装而成。 第60页/共63页 6.4.1 管片衬砌 2. 特点 优点：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低，撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反力；当撑靴可以支撑岩面时，双护盾掘进机可以使掘进和换步同时进行，提高了循环速度；利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好，安全性强。 缺点：造价高。为了防水需要，块与块之间必须安装止水带，并需在管片外壁和岩