盾构及TBM的应用概述（PPT92）

石家家庄庄铁铁道道大大学学2022年年10月月27日日郭京京波波盾构构/TBM及应应用用第一一部部分分盾构构第二二部部分分全断断面面岩岩石石掘掘进进机机（（TBM）第三三部部分分TBM/盾构构技技术术发发展展与与展展望望第一一部部分分盾构构技技术术一、、概概述述二、、盾盾构构基基本本概概念念三、、盾盾构构基基本本结结构构高铁铁发发展展迅迅速速“十十一一五五““铁铁路路固固定定资资产产投投资资：：2.42万亿亿元元；；“十十二二五五““铁铁路路固固定定资资产产投投资资：：3.5万亿亿元元；；“十十三三五五““铁铁路路固固定定资资产产投投资资：：3.5万亿亿元元；；到2020年，，中中国国以以高高铁铁为为骨骨架架的的快快速速客客运运网网，，运运营营里里程程到到5万公公里里以以上上，，基基本本覆覆盖盖80%的50万以以上上人人口口的的城城市市。。一、、概概述述轨道道交交通通发发展展迅迅速速已有有43个城城市市获获批批修修建建轨轨道道交交通通。。2014年新新增增42条新新线线，，858公里里，，566个车车站站，，投投资资5380.29亿元元；；此此外外，，2014年续续建建88条，，2136KM，1383座车车站站，，投投资资12735亿元元；；全全国国在在建建100条地地铁铁线线，，里里程程超超过过3000公里里。。到2020年，，50个城城市市有有地地铁铁，，轨轨道道交交通通里里程程6000公里里，，投投资资4万亿亿元元。。采用用全全断断面面隧隧道道掘掘进进机机修修建建隧隧道道是是发发展展方方向向一、、概概述述二、、盾盾构构基基本本概概念念全断断面面隧隧道道掘掘进进机机采采用用了了类类似似机机器器人人的的技技术术，，是是集集机机、、电电、、液液、、光光、、气气、、水水、、信信息息于于一一体体的的隧隧道道施施工工成成套套专专用用设设备备。。具具有有自自动动化化程程度度高高、、对对交交通通和和周周围围地地层层影影响响小小、、有有利利于于环环境境保保护护的的优优点点。。隧道道掘掘进进机机的的地地质质针针对对性性非非常常强强，，一一般般来来说说，，用用于于岩岩石石地地层层的的隧隧道道掘掘进进机机称称为为TBM，用用于于软软土土地地层层的的隧隧道道掘掘进进机机称称为为盾盾构构。。1掘进进机机分分类类2盾构构与与TBM的区区别别TBM是“TunnelBoringMachine”的英英文文缩缩写写，，一一般般指指全全断断面面硬硬岩岩隧隧道道掘掘进进机机，，通通常常定定义义中中的的TBM是以以岩岩石石地地层层为为掘掘进进对对象象，，不不具具备备泥泥水水压压、、土土压压等等维维护护掌掌子子面面稳稳定定的的功功能能。。盾构构施施工工主主要要由由稳定定开开挖挖面面、、掘掘进进及及排排土土、、管管片片衬衬砌砌及及壁壁后后注注浆浆三大大要要素素组组成成。。其其中中开开挖挖面面的的稳稳定定方方法法是是其其工工作作原原理理的的主主要要方方面面，，也也是是盾盾构构区区别别于于TBM及比比TBM复杂杂的的主主要要方方面面。。盾构构，，用用于于软软土土隧隧道道暗暗挖挖施施工工，，具具有有金金属属外外壳壳，，壳壳内内装装有有整整机机及及辅辅助助设设备备，，在在其其掩掩护护下下进进行行土土体体开开挖挖、、土土碴碴排排运运、、整整机机推推进进和和管管片片安安装装等等作作业业，，而而使使隧隧道道一一次次成成形形的的机机械械。二、盾盾构构基基本本概概念念3盾构构组组成成及及原原理理盾构机后配套设备管片衬砌辅助助设设施施二、、盾盾构构基基本本概概念念土压压平平衡衡盾盾构构（（EPB）施施工工原原理理图图二、、盾盾构构基基本本概概念念泥水水平平衡衡盾盾构构施工工原原理理图图二、、盾盾构构基基本本概概念念TBM全断断面面隧隧道道掘掘进进机机二、、盾盾构构基基本本概概念念二、、盾盾构构基基本本概概念念4盾构构施施工工特特点点盾构构施施工工具具有有以以下下优优点点：：（1）对对环环境境影影响响小小（2）施施工工进进度度快快（3）适适应应地地层层范范围围广广（4）施施工工质质量量容容易易保保证证（5）自自动动化化程程度度高高，，劳劳动动强强度度低低（6）施施工工作作业业安安全全、、整整洁洁（7）技技术术成成熟熟，，应应用用广广泛泛（8）工工程程造造价价优优势势较较明明显显二、盾构基本本概念5盾构机分类盾构按开挖面面与作业室之之间隔板构造造可分为全敞敞开式、半敞敞开式及闭胸胸式三种。具具体划分见下下图。手掘式半机械式机械式全敞开式半敞开式挤压式泥水式土压式闭胸式盾构土压平衡式加泥式土压平衡式二、盾构基本本概念通过土压作作用于开挖挖面以平衡衡开挖面的的水土压力力。通过螺旋输输送机排放放渣土。土压平衡、、土介质和和设备的要要求土压平衡盾盾构机二、盾构基基本概念二、盾构基本本概念2泥水平衡盾盾构机通过泥膜的的张力保持持水压力，，以平衡作作用于开挖挖面的土压压力和水压压力。开挖的渣土土以泥浆形形式输送到到地面，经经过分离再再循环至开开挖面。二、盾构基基本概念2泥水平衡盾盾构泥水平衡盾盾构通过配配置不同的的刀盘类型型，可以兼兼顾软土地地层和复合合地层隧道道施工，主主要应用在在富水地层层、透水系系数高的砂砂、卵石层层等。二、盾构基基本概念2、泥水平衡衡盾构二、盾构基基本概念◆泥水盾构有有两种体系系。泥水盾构根根据泥水仓仓构造形式式和对泥浆浆压力的控控制方式的的不同，泥泥水盾构分分为:直接控制型型间间接控制型型2、泥水平衡衡盾构二、盾构基本本概念整体结构盾体三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构刀盘三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构刀盘及驱动动系统三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构主驱动-马达三、盾构基基本结构主轴承承三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构推进和拼装装系统三、盾构基基本结构拼装机三、盾构基基本结构桥架(连接盾体和和后配套系系统)三、盾构基基本结构桥架(连接盾体和和后配套系系统)三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构后配套系统统三、盾构基基本结构遥控器三、盾构基基本结构润滑、密封封及注浆三、盾构基基本结构盾尾三、盾构基基本结构注浆系统三、盾构基基本结构水路系统三、盾构基基本结构液压系统三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构三、盾构基基本结构第二部分全断面岩石石掘进机（（TBM）一、TBM概述二、TBM分类三、TBM系统构成四、TBM工作原理目录一、TBM概述隧道掘进机机（TBM）是一种集集掘进、出出碴、支护护和通风防防尘等多功功能为一体体的大型高高效隧道施施工机械。。由于采用用非爆破开开挖方法，，与传统的的钻爆法相相比，具有有以下明显显特点：1TBM的优点①作业连续，，施工效率率高。它可可进行掘进进、出碴、、支护一条条龙，在中中硬岩条件件下，施工工速度为钻钻爆法的3～5倍。②开挖轮廓廓园顺，超超挖量少，，减少支护护工作量，，降低工程程费用。③对围岩扰扰动少，避避免因爆破破振动可能能引起的围围岩松动坍坍塌，施工工安全性好好。④使用劳力力少，劳动动强度低，，作业环境境好，有利利维护作业业人员的健健康。一、TBM概述2TBM施工法与钻钻爆法的比比较钻爆法和TBM法是当今国国内外隧道道工程的两两种主要施施工方法。。TBM在速度、环保保、安全和和效益方面的优势势越来越明明显，对地地质条件的的适应能力力不断增强强，造价降降低，在长长大隧道施施工中的应应用越来越越多。一、TBM概述秦岭隧道TBM(德国Wirth公司生产））TB880E型TBM法施工的隧隧道二、TBM分类根据不同参参照标准有有不同的分分类方法：：1．按一次开开挖断面占占全部断面面的份额分分：全断面面、部分断断面。2．按开挖断断面的形状状分：圆形形断面、非非圆形断面面。3．按开挖断断面的大小小分：大、、中、小。。4．按成洞开开挖次数分分：一次成成洞、先导导后扩。5．按开挖的的洞线分：：平洞、斜斜洞、竖井井。6．按开挖隧隧洞掌子而而是含需要要压力稳定定分：常压压、增压。。7．按掘进机机头部形状状：刀盘式式、背架式式。8．按掘进机机是否带有有盾壳分：：敞开式、、护盾式。。9．按掘进机机盾壳数量量分：单护护盾、双护护盾。10．按掘进机机机体与推推进机构是是联合一体体还是分成成二体分：：整机式、、分体式。。二、TBM分类常见TBM分类全断面隧道道掘进机（（TBM）包含岩石石掘进机、、盾构和穿穿江掘进机机。TBM由主机和后后配套系统统组成，一一般又分为为敞开式TBM和护盾式TBM两大类型，，护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分；敞开式TBM目前主要有有两种结构构形式，即即前后共有有两组“X”支撑的凯氏TBM（含有内凯凯机架InnerKelly和外凯机架架OuterKelly），另一种种为单支撑撑主大梁式TBM。二、TBM分类支撑式(敞开式)TBM二、TBM分类敞开式TBM敞开式TBM则只设有较短的刀盘盘护盾，在其主机机和后配套套上安装有有支护设备备，随着TBM的向前掘进进，一般可可以同时进行安安装锚杆、、挂网和喷喷射混凝土土等支护作作业。敞开式TBM刀盘推力和和扭矩通过过机架或主主梁传递到到支撑系统统，支撑系系统径向作作用于岩壁壁上承受推推力和扭矩矩。二、TBM分类护盾式TBM在整机外围围设置与机机器直径相相一致的圆圆筒形护盾盾结构，可可分为单护护盾、双护护盾(伸缩式)和三护盾三三类二、TBM分类双护盾式掘掘进机二、TBM分类（1）主机系统统1TBM主机刀盘刀盘护盾刀盘支承和和主轴承刀盘驱动主梁推进系统支撑系统液压系统电气控制系系统三、TBM的系统构成成刀盘三、TBM的系统构成成刀盘布置三、TBM的系统构成成盘形滚刀三、TBM的系统构成成盘形滚刀三、TBM系统构成废旧刀具三、TBM系统构成撑靴三、TBM系统构成2TBM后配套系统统后配套系统统由钢结构构件主机连连接桥和若若干平台车车组成，其其上有供水水、供电、、通风、支支护、出渣渣等作业所所需设备、、设施和作作业空间。。包括：液压压动力装置置、电气开开关装置、、变压器、、主断路开开关、电缆缆卷筒、应应急发电机机、除尘器器、通风管管道、控制制室、拌浆浆装置、材材料转运吊吊机、皮带带输送机系系统、集装装箱式修理理间、人员员休息室及及厕所、喷喷混系统、、锚杆系统统、供水系系统等。三、TBM系统构成后配套台车车三、TBM的系统构成成后配套台车车三、TBM的系统构成成四、TBM工作原理主机前部是是装有若干干滚刀的刀刀盘，由刀刀盘驱动系系统驱动刀刀盘旋转，，并由TBM推进系统给给刀盘提供供推进力，，在推进力力的作用下下滚刀切入入掌子面岩岩石，不同同部位的滚滚刀在掌子子面上留下下不同半径径的同心圆圆切槽轨迹迹，在滚刀刀的挤压下下，相邻切切槽的岩石石在剪切力力作用下从从岩体上剥剥落下来形形成石碴，，石碴则随随着刀盘的的旋转由刀刀盘上的铲铲碴斗自动动拾起，经经刀盘内的的溜碴槽输输送到装在在主机上的的皮带机上上，再运到到后配套系系统处经隧隧道出碴运运输系统运运出洞外。。四、TBM工作原理刀盘与施工工面四、TBM工作原理1TBM破岩机理四、TBM工作原理2TBM破岩轨迹四、TBM工作原理3工作循环四、TBM工作原理4TBM的基本功能能（1）掘进功能能掘进功能分分为破碎掌掌子面岩石石的功能和和不断推进进掘进机前前进的功能能。为此掘掘进机必须须配置合适适的破岩刀刀具并给予予足够的破破岩力，即即椎力和转转动刀盘变变换刀具破破岩位置的的回转力矩矩，还必须须配置合适适的支撑机机构将破岩岩用的椎力力和刀盘回回转力矩传传递给洞壁壁，同时推推进和支撑撑机构还应应具有步进进作用以实实现掘进机机前进的功功能。四、TBM工作原理刀具、刀盘盘、刀盘驱驱动机构、、推进机构构、支撑机机构是实现现掘进功能能的基本机机构。掘进推力大大于岩石破破碎所需的的力、刀盘盘回转力矩矩大于在推推力下全部部刀具的回回转阻力矩矩、支撑力力产生的比比压小于被被支撑物的的许用比压压、整机接接地比压小小于洞底许许用比压是是实现掘进进功能的基基本力学条条件。四、TBM工作原理4TBM的基本功能能2出碴功能出碴功能细细分为导碴、铲碴、溜碴、运碴。掌子面上被被破碎的岩岩石受重力力的作用顺顺掌子面会会下落到洞洞底，在刀刀盘上设置置耐磨的导导碴条，既既可增加刀刀盘的耐磨磨性，又可可将岩碴导导向铲斗，，这就是导导碴。刀盘四周设设置有足够够数量的铲铲斗，铲斗斗口缘配置置铲齿或耐耐磨铲板，，将每转落落人洞底的的岩碴铲入入铲斗，这这就是铲碴碴。随着刀盘的的回转铲斗斗将岩碴运运至掘进机机的上方，，超过岩碴碴堆积的安安息角时，，岩碴靠自自重下落，，通过溜碴碴槽溜入运运碴胶带机机，这就是是溜碴。最后胶带输输送机将岩岩碴向机后后运出。掘掘进机具有有破、导、、铲、溜、、运一气呵呵成连续进进行的特点点。导碴条条、铲斗、、溜碴槽、、胶带输送送机是出碴碴的基本装装置。四、、TBM工作作原原理理TBM出碴碴方方式式有轨轨出出碴碴系系统统（（矿矿车车））无轨轨出出碴碴系系统统（（连连续续皮皮带带机机出出碴碴））四、、TBM工作作原原理理有轨轨运运输输系系统统四、、TBM工作作原原理理翻碴碴机机四、、TBM工作作原原