盾构机TBM掘进机应用与发展

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、盾构基基本概念念3盾构组成成及原理理盾构机后配套设备管片衬砌辅助设施施二、盾构构基本概概念土压平衡衡盾构（（EPB）施工原原理图二、盾构构基本概概念泥水平衡衡盾构施工原理理图二、盾构构基本概概念TBM全断面隧隧道掘进进机二、盾构构基本概概念二、盾构构基本概概念4盾构施工工特点盾构施工工具有以以下优点点：（1）对环境境影响小小（2）施工进进度快（3）适应地地层范围围广（4）施工质质量容易易保证（5）自动化化程度高高，劳动动强度低低（6）施工作作业安全全、整洁洁（7）技术成成熟，应应用广泛泛（8）工程造造价优势势较明显显二、盾构构基本概概念5盾构机分分类盾构按开开挖面与与作业室室之间隔隔板构造造可分为为全敞开开式、半半敞开式式及闭胸胸式三种种。具体体划分见见下图。。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、盾构基基本概念念通过土压压作用于于开挖面面以平衡衡开挖面面的水土土压力。。通过螺旋旋输送机机排放渣渣土。土压平衡衡、土介介质和设设备的要要求土压平衡衡盾构机机二、盾构构基本概概念二、盾构基基本概念念2泥水平衡衡盾构机机通过泥膜膜的张力力保持水水压力，，以平衡衡作用于于开挖面面的土压压力和水水压力。。开挖的渣渣土以泥泥浆形式式输送到到地面，，经过分分离再循循环至开开挖面。。二、盾构构基本概概念2泥水平衡衡盾构泥水平衡衡盾构通通过配置置不同的的刀盘类类型，可可以兼顾顾软土地地层和复复合地层层隧道施施工，主主要应用用在富水水地层、、透水系系数高的的砂、卵卵石层等等。二、盾构构基本概概念2、泥水平平衡盾构构二、盾构构基本概概念◆泥水盾构构有两种种体系。。泥水盾构构根据泥泥水仓构构造形式式和对泥泥浆压力力的控制制方式的的不同，，泥水盾盾构分为为:直接控制制型间间接控制制型2、泥水平平衡盾构构二、盾构基基本概念念整体结构构盾体三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构刀盘三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构刀盘及驱驱动系统统三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构主驱动-马达三、盾构构基本结结构主轴承承三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构推进和拼拼装系统统三、盾构构基本结结构拼装机三、盾构构基本结结构桥架(连接盾体体和后配配套系统统)三、盾构构基本结结构桥架(连接盾体体和后配配套系统统)三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构后配套系系统三、盾构构基本结结构遥控器三、盾构构基本结结构润滑、密密封及注注浆三、盾构构基本结结构盾尾尾三、盾构构基本结结构注浆系统统三、盾构构基本结结构水路系统统三、盾构构基本结结构液压系统统三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构三、盾构构基本结结构第二部分分全断面岩岩石掘进进机（TBM）一、TBM概述二、TBM分类三、TBM系统构成成四、TBM工作原理理目录录一、TBM概述隧道掘进进机（TBM）是一种种集掘进进、出碴碴、支护护和通风风防尘等等多功能能为一体体的大型型高效隧隧道施工工机械。。由于采采用非爆爆破开挖挖方法，，与传统统的钻爆爆法相比比，具有有以下明明显特点点：1TBM的优点①作业连续续，施工工效率高高。它可可进行掘掘进、出出碴、支支护一条条龙，在在中硬岩岩条件下下，施工工速度为为钻爆法法的3～5倍。②开挖轮轮廓园顺顺，超挖挖量少，，减少支支护工作作量，降降低工程程费用。。③对围岩岩扰动少少，避免免因爆破破振动可可能引起起的围岩岩松动坍坍塌，施施工安全全性好。。④使用劳劳力少，，劳动强强度低，，作业环环境好，，有利维维护作业业人员的的健康。。一、TBM概述2TBM施工法与与钻爆法法的比较较钻爆法和和TBM法是当今今国内外外隧道工工程的两两种主要要施工方方法。TBM在速度、环环保、安安全和效效益方面的优优势越来来越明显显，对地地质条件件的适应应能力不不断增强强，造价价降低，，在长大大隧道施施工中的的应用越越来越多多。一、TBM概述秦岭隧道道TBM(德国Wirth公司生产产）TB880E型TBM法施工的的隧道二、TBM分类根据不同同参照标标准有不不同的分分类方法法：1．按一次次开挖断断面占全全部断面面的份额额分：全全断面、、部分断断面。2．按开挖挖断面的的形状分分：圆形形断面、、非圆形形断面。。3．按开挖挖断面的的大小分分：大、、中、小小。4．按成洞洞开挖次次数分：：一次成成洞、先先导后扩扩。5．按开挖挖的洞线线分：平平洞、斜斜洞、竖竖井。6．按开挖挖隧洞掌掌子而是是含需要要压力稳稳定分：：常压、、增压。。7．按掘进进机头部部形状：：刀盘式式、背架架式。8．按掘进机机是否带带有盾壳壳分：敞敞开式、、护盾式式。9．按掘进进机盾壳壳数量分分：单护护盾、双双护盾。。10．按掘进进机机体体与推进进机构是是联合一一体还是是分成二二体分：：整机式式、分体体式。二、TBM分类常见TBM分类全断面隧隧道掘进进机（TBM）包含岩岩石掘进进机、盾盾构和穿穿江掘进进机。TBM由主机和和后配套套系统组组成，一一般又分分为敞开式TBM和护盾式TBM两大类型型，护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分；敞开式TBM目前主要要有两种种结构形形式，即即前后共共有两组组“X”支撑的凯氏TBM（含有内内凯机架架InnerKelly和外凯机机架OuterKelly），另一一种为单单支撑主大梁式式TBM。二、TBM分类支撑式(敞开式)TBM二、TBM分类敞开式TBM敞开式TBM则只设有有较短的刀刀盘护盾盾，在其主主机和后后配套上上安装有有支护设设备，随随着TBM的向前掘掘进，一一般可以以同时进行行安装锚锚杆、挂挂网和喷喷射混凝凝土等支支护作业业。敞开式式TBM刀盘推力力和扭矩矩通过机机架或主主梁传递递到支撑撑系统，，支撑系系统径向向作用于于岩壁上上承受推推力和扭扭矩。二、TBM分类护盾式TBM在整机外外围设置置与机器器直径相相一致的的圆筒形形护盾结结构，可可分为单单护盾、、双护盾盾(伸缩式)和三护盾盾三类二、TBM分类双护盾式式掘进机机二、TBM分类（1）主机系系统1TBM主机刀盘刀盘护盾盾刀盘支承承和主轴轴承刀盘驱动动主梁推进系统统支撑系统统液压系统统电气控制制系统三、TBM的系统构构成刀盘三、TBM的系统构构成刀盘布置置三、TBM的系统构构成盘形滚刀刀三、TBM的系统构构成盘形滚刀刀三、TBM系统构成成废旧刀具具三、TBM系统构成成撑靴三、TBM系统构成成2TBM后配套系系统后配套系系统由钢钢结构件件主机连连接桥和和若干平平台车组组成，其其上有供供水、供供电、通通风、支支护、出出渣等作作业所需需设备、、设施和和作业空空间。包括：液液压动力力装置、、电气开开关装置置、变压压器、主主断路开开关、电电缆卷筒筒、应急急发电机机、除尘尘器、通通风管道道、控制制室、拌拌浆装置置、材料料转运吊吊机、皮皮带输送送机系统统、集装装箱式修修理间、、人员休休息室及及厕所、、喷混系系统、锚锚杆系统统、供水水系统等等。三、TBM系统构成成后配套台台车三、TBM的系统构构成后配套台台车三、TBM的系统构构成四、TBM工作原理理主机前部部是装有有若干滚滚刀的刀刀盘，由由刀盘驱驱动系统统驱动刀刀盘旋转转，并由由TBM推进系统统给刀盘盘提供推推进力，，在推进进力的作作用下滚滚刀切入入掌子面面岩石，，不同部部位的滚滚刀在掌掌子面上上留下不不同半径径的同心心圆切槽槽轨迹，，在滚刀刀的挤压压下，相相邻切槽槽的岩石石在剪切切力作用用下从岩岩体上剥剥落下来来形成石石碴，石石碴则随随着刀盘盘的旋转转由刀盘盘上的铲铲碴斗自自动拾起起，经刀刀盘内的的溜碴槽槽输送到到装在主主机上的的皮带机机上，再再运到后后配套系系统处经经隧道出出碴运输输系统运运出洞外外。四、TBM工作原理理刀盘与施施工面四、TBM工作原理理1TBM破岩机理理四、TBM工作原理理2TBM破岩轨迹迹四、TBM工作原理理3工作循环环四、TBM工作原理理4TBM的基本功功能（1）掘进功功能掘进功能能分为破破碎掌子子面岩石石的功能能和不断断推进掘掘进机前前进的功功能。为为此掘进进机必须须配置合合适的破破岩刀具具并给予予足够的的破岩力力，即椎椎力和转转动刀盘盘变换刀刀具破岩岩位置的的回转力力矩，还还必须配配置合适适的支撑撑机构将将破岩用用的椎力力和刀盘盘回转力力矩传递递给洞壁壁，同时时推进和和支撑机机构还应应具有步步进作用用以实现现掘进机机前进的的功能。。四、TBM工作原理理刀具、刀刀盘、刀刀盘驱动动机构、、推进机机构、支支撑机构构是实现现掘进功功能的基基本机构构。掘进推力力大于岩岩石破碎碎所需的的力、刀刀盘回转转力矩大大于在推推力下全全部刀具具的回转转阻力矩矩、支撑撑力产生生的比压压小于被被支撑物物的许用用比压、、整机接接地比压压小于洞洞底许用用比压是是实现掘掘进功能能的基本本力学条条件。四、TBM工作原理理4TBM的基本功功能5不良地层层下的辅辅助功能能四、TBM工作原理理四、T