全断面岩石掘进机TBM讲解PPT

全断面面岩石石掘进进机TBM秦岭隧隧道TBMTBM步入出出发洞洞CuttingfacesideMachinesideKeyBlockFloatingSealShaftCutterRingBearingCutterheadBulkheadCuttercasingBoltCutterRingCutterHubRetainerKomatsuHardRockTBMDiscCutter(BackLoadingType)TBM刀具TBM与盾构构隧道（（洞））掘进进机一一般分分为盾盾构和和岩石石掘进进机两两种，，盾构构主要要应用用于软软土地地层的的开挖挖，岩岩石掘掘进机机主要要用于于硬质质地层层的开开挖，，两种种掘进进机在在破岩岩机理理上不不同。。本文文介绍绍的是是适于于硬岩岩开挖挖的全全断面面岩石石掘进进机（（英文文FullFaceTunnelBoringMachine，简称TBM）。。TBM的工作作原理理主机前前部是是装有有若干干滚刀刀的刀刀盘，，由刀刀盘驱驱动系系统驱驱动刀刀盘旋旋转，，并由由TBM推进系系统给给刀盘盘提供供推进进力，，在推推进力力的作作用下下滚刀刀切入入掌子子面岩岩石，，不同同部位位的滚滚刀在在掌子子面上上留下下不同同半径径的同同心圆圆切槽槽轨迹迹，在在滚刀刀的挤挤压下下，相相邻切切槽的的岩石石在剪剪切力力作用用下从从岩体体上剥剥落下下来形形成石石碴，，石碴碴则随随着刀刀盘的的旋转转由刀刀盘上上的铲铲碴斗斗自动动拾起起，经经刀盘盘内的的溜碴碴槽输输送到到装在在主机机上的的皮带带机上上，再再运到到后配配套系系统处处经隧隧道出出碴运运输系系统运运出洞洞外。。破岩轨轨迹TBM类型TBM由主机机和后后配套套系统统组成成，一一般又又分为为敞开开式TBM和护盾盾式TBM两大类类型，，护盾盾式TBM又有双双护盾盾TBM和单护护盾TBM之分；；敞开开式TBM目前主主要有有两种种结构构形式式，即即前后后共有有两组组“X”支撑的的凯氏氏TBM（含有内内凯机机架InnerKelly和外凯凯机架架OuterKelly），，另一种种为单单支撑撑主梁梁式TBM。软弱围围岩所所占比比例较较大的的隧道道一般般选用用护盾盾式TBM，而岩石石稳定定性好好软弱弱围岩岩较少少的隧隧道一一般选选用敞敞开式式TBM，此外，，还要要根据据工程程设计计及工工程造造价进进行综综合分分析确确定。。双护盾盾TBM双护盾盾TBM的主机机在护护盾的的保护护下进进行掘掘进作作业，，主机机后部部一般般装有有衬砌砌管片片安装装器，，随着着TBM的向前前掘进进，双双护盾盾TBM可同时时进行行管片片安装装作业业，后后配套套系统统则完完全在在已经经完成成管片片衬砌砌的隧隧道内内作业业；当当无法法实现现径向向支撑撑而需需要辅辅助推推进油油缸提提供所所需推推进力力时，，推力力作用用于管管片衬衬砌上上，掘掘进作作业与与管片片安装装作业业此时时不能能同时时进行行，相相当于于“单单护盾盾模式式”的的作业业方式式，相相应掘掘进效效率较较低。。敞开式式TBM敞开式式TBM则只设设有较较短的的刀盘盘护盾盾，在在其主主机和和后配配套上上安装装有支支护设设备，，随着着TBM的向前前掘进进，一一般可可以同同时进进行安安装锚锚杆、、挂网网和喷喷射混混凝土土等支支护作作业。。敞开开式TBM刀盘推推力和和扭矩矩通过过机架架或主主梁传传递到到支撑撑系统统，支支撑系系统径径向作作用于于岩壁壁上承承受推推力和和扭矩矩。系统构构成刀盘刀盘护护盾刀盘支支承和和主轴轴承刀盘驱驱动主梁推进系系统支撑系系统液压系系统电气系系统主机辅辅助设设备此外，，TBM主机上上的辅辅助设设备主主要有有：主机出出渣皮皮带机机、钢拱架架安装装器、、洞底底石渣渣清理理皮带带机、、超前钻钻机、、锚杆杆钻机机、通通风设设施和和除尘尘系统统、通通讯系系统、、数据据采集集记录录系统统、激激光导导向系系统、、安全全控制制系统统、甲甲烷监监测器器、支护材料转转运系系统、、紧急急手动动混凝凝土喷喷射系系统等等。TBM后配套套系统统后配套套系统统由钢钢结构构件主主机连连接桥桥和若若干平平台车车组成成，其其上有有供水水、供供电、、通风风、支支护、、出渣渣等作作业所所需设设备、、设施施和作作业空空间。。包括括：液液压动动力装装置、、电气气开关关装置置、变变压器器、主主断路路开关关、电电缆卷卷筒、、应急急发电电机、、除尘尘器、、通风风管道道、控控制室室、拌拌浆装装置、、材料料转运运吊机机、皮皮带输输送机机系统统、集集装箱箱式修修理间间、人人员休休息室室及厕厕所、、喷混混系统统、锚锚杆系系统、、供水水系统统等。。TBM施工主主要关关键技技术（1））TBM选型及及系统统集成成设计计TBM系统结结构庞庞大复复杂，，各种种高技技术系系统集集成，，是价价值数数亿元元的大大型成成套工工厂化化作业业系统统，属属于典典型的的非标标定制制产品品，其其机型型、系系统设设备配配置和和主要要技术术参数数均需需要承承包商商与制制造商商根据据具体体的工工程设设计、、地质质条件件和施施工工工艺共共同研研究确确定。。TBM及其后后配套套系统统的选选型及及集成成设计计是否否合理理是工工程能能否顺顺利完完成的的首要要问题题。TBM施工主主要关关键技技术（2））TBM施工组组织管管理技技术TBM施工时时，掘掘进、、出碴碴、支支护、、进料料运输输等工工序平平行连连续作作业，，系统统性强强，要要求各各环节节紧密密配合合，以以TBM掘进作作业为为中心心，其其他配配套设设施和和系统统要尽尽可能能满足足TBM掘进的的需要要，与与钻爆爆法施施工在在组织织管理理上具具有完完全不不同的的技术术特点点，这这给TBM施工组组织管管理技技术提提出了了挑战战。TBM掘进平平均机机时利利用率率是衡衡量TBM施工组组织管管理技技术水水平的的主要要指标标，目目前国国际水水平在在40%左左右。。TBM施工主要关键键技术（3）TBM掘进参数匹配配技术TBM施工中隧道地地质条件不断断变化，而不不同岩石条件件下选取的掘掘进参数对TBM施工的安全、、掘进速度、、掘进效益影影响很大，只只有根据不同同的围岩条件件进行刀盘转转速、刀盘推推力、刀盘扭扭矩、推进速速度、撑靴压压力、推进行行程等主要参参数的合理匹匹配，才能使使TBM能够安全、快快速和高效掘掘进。TBM施工主要关键键技术（4）TBM在软弱围岩和和不良地质地地段施工技术术软弱围岩条件件下容易出现现掌子面不稳稳定、围岩坍坍塌、刀盘被被卡、支撑系系统撑不住、、刀盘下沉、、掘进方向难难以控制等技技术问题。另另外断层、涌涌水、岩爆等等不良地质地地段也对TBM施工带来很大大技术难题。。因此，TBM在软弱围岩下下的掘进技术术和不良地质质地段的施工工技术是TBM工程能否安全全贯通的关键键。TBM施工主要关键键技术（5）TBM状态监测与故故障诊断和维维护技术TBM是机、电、液液、光一体化化的大型复杂杂隧道施工作作业系统，且且作业环境恶恶劣，作业空空间狭窄。由由于TBM和后配套系统统庞大复杂以以及实际地质质条件的复杂杂性，在国际际TBM工程施工中发发生重大事故故的情况多有有报道，造成成了巨大的经经济损失和社社会影响。如如何建立先进进可靠的TBM监测诊断和维维护技术，保保证TBM处于安全完好好掘进状态和和提高机时利利用率是需要要解决的关键键技术问题。。TBM施工主要关键键技术（6）TBM刀具技术TBM刀具是其破岩岩的核心技术术，而且硬岩岩TBM施工中刀具检检查、更换、、维修等作业业时间和刀具具消耗费用占占TBM施工总时间和和施工总费用用的很大比例例。因此，硬硬岩TBM施工中的刀具具技术是制约约掘进效率和和效益的首要要问题，也是是制约我国TBM国产化和降低低TBM施工成本的关关键技术问题题。TBM施工中设立专专门的刀具班班组，建立合合理的TBM刀具使用、检检查、更换和和维修的技术术规范是至关关重要的。TBM施工主要关键键技术（7）TBM掘进方向测量量控制技术TBM掘进过程中需需要不断进行行掘进方向的的测量和调整整控制，掘进进方向的准确确控制关系到到隧道（洞））能否贯通和和达到贯通精精度要求，而而且调向技术术的好坏对刀刀具的消耗和和掘进速度也也有很大影响响，特别是软软弱围岩掘进进中容易出现现刀盘下沉、、撑靴打滑、、机身滚动等等问题，需要要合理的掘进进和调向控制制技术。TBM施工主主要关关键技技术（8））TBM出渣和和物料料运输输技术术TBM施工隧隧道掘掘进速速度快快、出出渣量量大、、运输输距离离长，，且要要求掘掘进、、出渣渣、支支护并并行作作业。。如果果出渣渣和物物料运运输不不能满满足掘掘进要要求将将影响响TBM快速施施工的的优势势，因因此长长大隧隧道TBM施工出出渣和和物料料运输输技术术也是是重要要的关关键保保障技技术。。目前前，常常用的的技术术方案案为有有轨运运输技技术和和连续续皮带带机出出渣技技术。。特别别是连连续皮皮带机机出渣渣技术术已成成为国国外长长大隧隧道TBM施工的的重要要技术术选择择，我我国还还没有有成功功应用用的先先例。。TBM施工主主要关关键技技术（9））TBM施工供供电技技术TBM施工用用电量量大，，用电电设备备多，，高压压进洞洞供电电距离离长，，供电电系统统复杂杂，安安全性性要求求高。。因此此，TBM施工供供电技技术也也是需需要重重点考考虑的的技术术问题题。TBM施工主主要关关键技技术（10）TBM施工通通风技技术TBM施工一一般通通风距距离较较长，，特别别是近近年来来超过过10km的隧道道越来来越多多，这这对我我国隧隧道施施工通通风也也带来来很大大的技技术难难度。。TBM施工主主要关关键技技术（11）TBM施工作作业分分析方方法TBM施工过过程中中随时时有大大量相相对应应的不不同围围岩地地质参参数、、TBM掘进工工作参参数、、TBM掘进性性能参参数，，采集集记录录和分分析处处理这这些数数据对对于指指导后后期施施工具具有重重要参参考价价值，，对我我国TBM技术数数据积积累和和施工工企业业自身身技术术和经经验的的积累累都是是非常常重要要的。。图7掘进分析中周统计界面7号变变速箱箱两次次油样样磨粒粒图谱谱沙粒异异常常磨损损前一次次图谱谱大量沙沙粒金金属属磨粒粒和聚聚合物物后一次次图谱谱TBM工程应应用实实例国外已已建成成的著著名工工程实实例：：（1））英吉利利海峡峡铁路路隧道道，由三三条平平行隧隧道组组成，，每条条约50km，，海底掘掘进长长度约约37km，，地层岩岩石为为白垩垩纪泥泥灰岩岩。该该工程程英、、法两两侧共共使用用了11台台TBM，在三年年内完完成了了任务务，1994年年底开开通运运营。。其中中一台台由Robbins公司生生产的的直径径8.36m的掘进进机创创造了了当时时月进进尺1719.1m的世界界记录录。国外已已建成成的著著名工工程实实例（2））瑞士士费尔尔艾那那铁路路隧道道全长长19km，，使用Wirth公司制制造的的直径径7.7m的敞开开式TBM，岩石条条件为为花岗岗岩，，该工工程1995年年开始始施工工，1998年年完工工，日日进尺尺为13.6~22.9m。国外在在建的的著名名工程程实例例：（1））南非非莱索索托南南水北北调工工程总总长约约200km，，有4条条引水水隧洞洞和2条输输水隧隧洞、、6座座大坝坝、2座电电站等等水工工建筑筑，其其中约约84km的施工工隧洞洞。该该工程程自80年年代末末动工工，总总工期期计划划30多年年。国外在在建的的著名名工程程实例例（2））瑞士士哥特特哈得得（Gotthard）铁路隧隧道工工程，，全长长57km，，开挖直直径9m，最大埋埋深2500m，计划采采用8台TBM进行施施工。。国外在在建的的著名名工程程实例例（3））法国国里昂昂至意意大利利都灵灵铁路路隧道道，全全长54km，，最大埋埋深超超过2000m,采用TBM进行施施工。。国内建建成的的TBM重要工工程（1））1985年年中国国在广广西隆隆林天天生桥桥水电电站的的引水水隧洞洞修建建中，，从美美国引引进了了Robbins公司直直径为为10.8m掘进机机，开开挖引引水隧隧洞总总长度度约10km，，掘进机机遇到到的岩岩石地地层系系石灰灰岩，，抗压压强度度150MPa，施工时时最高高月进进尺150m。这是中中国第第一条条采用用大断断面岩岩石掘掘进机机施工工的隧隧道。。国内建建成的的TBM重要工工程（2））1991年甘甘肃省省引大大入秦秦大型型跨流流域灌灌溉工工程中中，30A隧道全全长11.649km，，是一条条无压压输水水隧道道，由由意大大利CMC公司采采用双双护盾盾TBM进行施施工，，掘进进机直直径5.53m，采用预预制管管片衬衬砌。。该机机由美美国Robbins制造生生产的的188－－227型型TBM，遇到的的地层层岩性性单轴轴抗压压强度度26~133.7MPa。该隧洞洞历经经13个月月于1992年年1月月掘进进贯通通，最最高日日进尺尺65.5m，最高月月进尺尺1300m。国内建建成的的TBM重要工工程（3））山西西省万万家寨寨引黄黄工程程隧洞洞总长长161.1km，其中共采用6台直直径4.88m和5.96m双护盾TBM对8条隧洞进进行施工，TBM施工隧洞总长长121.8km，采用六边形预预制管片衬砌砌。该工程地地层主要岩性性为灰岩，由由意大利英波波基洛公司和和CMC公司及中国水水利水电四局局组成的万龙龙联营体承包包，1993年开始掘进进至今，创造造最高月进尺尺1821.5m的掘进记录。。国内建成的TBM重要工程（4）西康铁铁路秦岭隧道道工程由铁道道部从Wirth公司引进两台台直径8.8m敞开式TBM自主施工，该该隧道全长18.46km，岩石为坚硬的的混合片麻岩岩和混合花岗岗岩，抗压强强度105~325MPa，属于国际上TBM工程中十分罕罕见的极硬岩岩石条件，在在此条件下仍仍然创造了最最高月进尺531m和509m的记录。该工工程TBM自1997年年下半年开始始运至施工现现场组装，1999年掘掘进贯通。国内建成的TBM重要工程（5）秦岭隧隧道完工后，，这两台TBM又分别转移至至西安南京铁铁路磨沟岭隧隧道和桃花铺铺隧道施工，，成功地使敞敞开式TBM在这两个长距距离软弱围岩岩的隧道工程程中掘进贯通通，并分别创创造了573m和551.8m的新的掘进记记录。可以说说，通过秦岭岭隧道、磨沟沟岭隧道和桃桃花铺隧道成成功的TBM自主施工，真真正建立起了了我国自己独独立的TBM施工队伍和专专家队伍，并并创造性地积积累起我国独独立掌握的TBM施工技术体系系。TBM是先进的隧道道施工技术随着我国大规规模的基础建建设，铁路、、公路、水电电工程、南水水北调、西气气东输、城市市地铁、市政政供水供电和和排污等重大大工程越来越越多，需要修修建大量的长长、大隧道。。预计我国未未来二十年平平均每年有600km共12000km隧道（洞）需需要开挖。由由于工程规模模大、地质条条件复杂，工工程施工速度度、环保、质质量和效益要要求高，传统统钻爆法施工工技术已经难难以适应这一一艰巨挑战。。TBM在中国因此，全断面面岩石掘进机机(TBM)技术必将在我我国得到长足足发展，推动动我国大型施施工机械制造造业和施工企企业的科技进进步。掌握这这一技术将使使企业增强巨巨大的市场竞竞争力。可以说，中国国将成为世界界TBM施工工程和TBM制造业的主战战场。意大利隧道协协会主席S.Pelizza事实上，仅从从合格的TBM制造厂家订购购一台特定类类型的TBM是远远不够的的；相反，所有相相关各方之间间的持续合作作以及TBM的用户（承包包商）对设计计、施工所有有细节的控制制是极为重要要的。因为至今尚没没有任何类型型TBM设计与施工的的“认可标准准”，且TBM的设计、制造造是一个持续续的技术创新新过程。每项工程都有有自身的特点点，每家承包包商都有自身身的传统和意意见等，所以以制造的每台台TBM都与其他的TBM不同。美国地下建筑筑协会主席ReillyJohn中国今后20年乃至50年的规划，，面临极其复复杂的风险挑挑战和现实条条件限制，不不依赖具有现现代最高掘进进技术成就的的TBM，是不可想象的的。最重要的是获获取经验，而而不是设备，，仅通过购买买先进的TBM是达不到预期期效果的。可可根据地质条条件选用合适适TBM，并培养出不同同地质条件下下