TBM隧道施工发展及技术要求

1TBM隧道施工发展及技术要求2022/11/272掘进技术的发展

第一代钢钎大锤

第二代手持风钻

第三代凿岩台车第四代

TBM

TBM发展历史简介2022/11/273隧道掘进机(TunnelBoringMachine)是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示，最早提出盾构雏形与施工方法。1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。1851年美国人查理士·威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功。1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM，成功用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘探导坑。美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一台软岩TBM，1956年又成功研制中硬岩TBM。2022/11/274

TBM法的概述与应用

掘进机（TunnelBoringMachine），简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术。在机械施工中很长一段时期，把在土质隧道中采用的机械称为盾构，而把在岩质隧道中施工的机械称为掘进机，或岩石掘进机。由于机械制造技术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目前多把掘进机和盾构并称为盾构掘进机。2022/11/275TBM主要制造商美国罗宾斯德国海瑞克公司德国威尔特公司加拿大拉法特日本三菱公司Robbins2022/11/276TBM刀盘结构示意图

TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式挤压式

主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。 滚刀类型：圆盘型、楔齿形、球齿型切削式

主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度的5~10%)的特点，靠铣削(即剪切)与弯断破碎岩体。 在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件TBM破岩方式与原理圆盘型滚刀破岩原理

圆盘型滚刀(图a)工作压力50~200kN，岩体表面在刀圈刀尖强集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑(见图b)。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度h较大时，剪裂面为O1O2(图c)。削刀破岩原理

削刀在挤压力Pv和切割力PH作用下，首先在刀尖处形成切碎区2，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，两槽之间的岩石在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。2022/11/2710TBM的优缺点优点：快速---约为钻爆法的4~6倍；优质---洞壁光滑，超挖量少；高效---节约衬砌，节约人工劳动；安全---安全性加大，作业环境安全；环保---非爆破开挖，尘土、气体、噪音

污染少，减少辅助洞室，减少地表破坏；自动化、信息化程度高。2022/11/2411缺点：1、设备购置置及使用成成本大；2、施工途中中不能改变变开挖半径径；3、地质适应应性较差;4、断面适应应性较差;5、运输困难难。TBM施工法始于于二十世纪纪三十年代代，限于机机械技术水水平，其应应用实例甚甚少。五六六十年代随随着机械工工业与掘进进机技术水水平的不断断提高发展展较快。迄迄今为止，，世界上采采用TBM施工的隧道道超过1000座，总长度度超过4000km，以逐步成成为长大隧隧道修建的的主要施工工方法之一一。国外典型应应用——英吉利海峡峡隧道由2条外外径径8.6m单线线铁铁路路隧隧道道与与1条外外径径5.6m辅助助隧隧道道组组成成。。全全长长48.5km，海海底底段段长长37.5km，隧隧道道最最深深处处在在海海平平面面下下100m，全全部部采采用用TBM施工工。。英英国国侧侧6台，，岸岸边边段段3台海海底底段段3台(单向向推推进进21.2km)。法法国国侧侧5台，，岸岸边边段段2台海海底底段段3台。。最最深深处处需需承承受受10atm水压压力力，，平平均均月月进进尺尺1000m/月。。隧道道建建成成标标志志着着TBM施工工技技术术的的最最高高水水平平，，也也是是融融合合英英、、美美、、法法、、德德等等国国TBM施工工技技术术于于一一体体的的最最高高成成就就。。国内内外外应应用用概概况况国内内应应用用国内内TBM研发发制制造造始始于于二二十十世世纪纪六六十十年年代代中中期期，，共共生生产产10余台台直直径径2.5~5.8m的TBM，先先后后用用于于下下列列水水电电与与煤煤矿矿井井巷巷工工程程。。国国产产机机型型月月均均进进尺尺20~300m，累计总总掘进长长度12km。云南西洱洱河水电电站引水水隧道引滦入津津新王庄庄隧道陡陡河电站站的引水水隧道引大入秦秦总干渠渠38号隧道北京落坡坡岭水电电工程贵州猫跳跳河水电电站引水水隧道福建龙门门滩引水水隧道江西萍乡乡、山西西怀仁、、山西古古交、云云南羊场场煤矿甘肃引大大入秦水水磨沟输输水隧道道[Φ5.54m；11649m；Robbins双护盾TBM；最高月月进尺1300.8m/月]辽宁大伙伙房引水水工程[全长85.32km，3台Φ8.0m开敞式]新疆大阪阪输水隧隧道工程程[全长30.68km，德国海海瑞克双双护盾TBM]青海引大大济湟总总干渠工工程[德国Wirth双护盾TBM，Φ5.93m，全长19.94km]西康铁路路秦岭Ⅰ线隧道[掘进5.621km，Φ8.8m开敞式TBM]西安南京京铁路桃桃花铺1号隧道[掘进7.23km,机型同上上]西安南京京铁路磨磨沟岭隧隧道[掘进6.11km,机型同上上]南疆铁路路吐库二二线中天天山隧道道[机型同上上]兰渝铁路路西秦岭岭隧道[Φ10.23mRobbins开敞式TBM]沈阳在建建地铁九九号线[中铁重工工制造行行健号号]楔齿型与与球齿型型滚刀破破岩原理理最初由楔楔齿尖端端在滚刀刀转动情情况下产产生切向向张力破破坏岩石石的表面面，切人人深度为为λ。然后由齿齿尖的楔入入力继续引引起剪切破破坏，楔入入深度为h。由于各齿齿环的齿节节是不同的的，因此加加大了楔齿齿的破岩效效果。球齿齿型滚刀的的破岩原理理与楔齿型型滚刀相同同，适用于于硬岩掘进进。2022/11/2416TBM的结构类型型，构造和和工作原理理一、全断面面TBMTBM基本构造TBM由破岩机构构、推进机机构、岩碴碴装运机构构、导向调调向机构及及吸尘、通通风装置等等几部分组组成。破岩机构滚刀或削刀刀在强大轴轴推力的作作用下旋转转，切削与与剪切破碎碎岩石。推进机构主支撑鞋顶顶撑洞壁以以支承和推推进机身。。副支撑鞋鞋控制振动动与方向。。出碴机构破岩形成的的片状石碴碴，由安装装在刀盘上上的铲碴斗斗铲起，铲铲斗旋转到到顶部卸入入集料斗，，经皮带机机装车运出出洞外。导向及调向向机构导向机构是是用来指示示和校核掘掘进机推进进的方向，，使其保证证符合设计计的轴线和和坡度的要要求。通风及吸尘尘装置掘进机工作作时将产生生大量的热热量与粉尘尘。故对通通风、降尘尘要求较高高。一般在在刀盘头部部安装有吸吸尘设备和和喷水装置置，掘进时时连续喷水水降尘。机机房内专设设通风降温温设备。全断面TBM分类开敞式TBM：配置钢拱拱架安装器器与喷锚等等辅助设备备。常用于于硬岩，采采取有效支支护手段后后也可应用用于软岩隧隧道。双护护盾盾TBM：适适用用于于各各种种地地质质，，既既能能适适应应软软岩岩，，也也能能适适应应硬硬岩岩或或软软硬硬岩岩交交互互地地层层。单护护盾盾TBM：常常用用于于劣劣质质地地层层。。单单护护盾盾TBM推进进时时利利用用管管片片作作支支撑撑，，其其原原理理类类似似于于盾盾构构。。与与双双护护盾盾TBM相比比，，掘掘进进与与安安装装管管片片不不能能同同时时进进行行。。微型型TBM：Φ0.25~3.00m中型型TBM：Φ3.0~8.0m巨型型TBM：大大于于Φ8.0mSingleShieldTBM①护盾；②液压压推进油缸；；③管片；④④刀盘；⑤装装渣斗；⑥皮皮带输送机DoubleShieldTBM①可伸缩护盾；；②刀盘；③③活动支撑鞋鞋；④辅助推推进油缸；⑤⑤管片GripperTBM①支撑鞋；②钢钢支架举升器器；③锚杆安安装机构；④④钢筋网举升升器2022/11/2423自由断面TBM2022/11/2424自由断面TBM的优缺点优点：①开挖断面形形状自由；②易于适应地地质条件的变变化；③开挖速度快快；④围岩松弛少少；⑤噪声、振动动少；⑥轻量、小型型、机动性好好；⑦人员少，安安全性高；⑧机械购置费费用低。2022/11/2425缺点：①地质条件的的适用范围小小；②发生粉尘；；③有涌水时易易于泥化；TBM施工主要流程程施工准备→全全断面开挖与与出渣→外层层管片式衬砌砌或初期支护护→TBM前推→管片外外灌浆或二次次衬砌Robbins开敞式TBM循环作业流程程STEP1:作业开始。主主支撑前位撑撑紧洞壁，后后支撑腿提起起。刀盘转动动，推进油缸缸伸出，TBM前部前移一个个作业行程STEP2:准备换步。刀刀盘停转，后后支撑腿抵住住仰拱承重STEP3:主支撑回缩。。推进油缸回回缩将自由态态主支撑前拉拉回位STEP4:主支撑回位后后伸出支撑鞋鞋抵紧岩壁，，后支撑提起起，TBM定位找正，坡坡道上必要时时先定坡度。。STEP5:返回第一步，，TBM准备下一循环环掘进。TBM法隧道的施工工流程、技术术要点和辅助助工法掘进机法施工工技术要求基本原则TBM掘进断面大可可达10m以上，小仅为为1.8m。由于TBM与辅助施工技技术日臻完善善以及现代高高科技成果(液压新技术、、电子技术与与材料科学技技术等)的应用大大提提高了TBM对各种困难条条件的适应性性，因此简单单从开挖可能能性来考虑TBM的适用范围是是不全面的。。判定依据隧道围岩的抗抗压强度、裂裂缝状态、涌涌水状态等岩岩性条件机械构造、TBM直径等机械条条件；隧道断面、长长度、位置状状况、地址条条件等。TBM工法选用流程程(参见下页流程程图)初步调查地质构造分析析地表调查弹性波速度阻抗试验钻孔调查开挖直径刀具直直径与与数量量马达刀刀具转转速后续设设备等等循环、、支护护辅助助工法、、临时时设计计与钻爆爆法比比较线路决决定地质调调查当地条条件TBM规格决决定施工计计划经济分分析实施计计划变更线线路其他方方法NoYesTBM工法法研研究究流流程程框框图图二、、工工程程地地质质条条件件主要要调调查查影影响响TBM使用用的的地地质质条条件件。。影响响TBM选用用的的地地质质因因素素隧道道地地压压。。是是否否存存在在塑塑性性地地压压？？指标标：：围围岩岩强强度度比比(软岩岩)；围围岩岩抗抗剪剪强强度度比比(似砂砂土土软软岩岩)围岩岩强强度度比比断层层破破碎碎带带、、软软弱弱泥泥岩岩以以及及蛇蛇纹纹岩岩等等膨膨胀胀性性岩岩层层掘掘进进困困难难涌水水状状态态。。涌涌水水范范围围、、大大小小与与压压力力会会造造成成工工作作面面崩崩塌塌与与承承载载力力低低下下，，应应慎慎用用。。α＜2挤出性——膨胀性围岩2＜α＜4轻微挤出性——地压大的围岩4＜α＜10地压大——有地压的围岩α＞10几乎无地压的围岩影响响TBM效率率的的地地质质因因素素岩石石强强度度。。开开挖挖难难易易一一般般用用抗抗压压强强度度来来判判定定。。刀刀具具消消耗耗应应考考虑虑岩岩石石中中石石英英粒粒范范围围、、大大小小与与抗抗拉拉强强度度等等判判断断。。岩层层裂裂隙隙。。岩岩层层节节理理、、层层理理、、片片理理对对开开挖挖效效率率影影响响极极大大。。裂裂隙隙适适度度发发育育的的岩岩层层，，即即使使抗抗压压强强度度大大也也能能进进行行较较为为有有效效的的开开挖挖。。岩石石硬硬度度。。一一般般地地，，对对于于q＜100MPa的岩岩层层，，其其石石英英含含量量较较多多、、粒粒径径较较大大，，刀刀具具磨磨耗耗很很大大。。破碎碎带带等等恶恶劣劣条条件件。。在在破破碎碎带带、、风风化化带带等等难难于于自自稳稳的的困困难难条条件件下下进进行行机机械械开开挖挖，，均均需需采采取取辅辅助助施施工工方方法法配配合合施施工工。。特特别别是是在在有有涌涌水水的的条条件件下下更更为为困困难难，，拱拱顶顶崩崩塌塌、、机机体体下下沉沉、、支支承承反反力力降降低低等等问问题题时时有有发发生生。。二、工程程地质条条件(续)TBM适用范围围一般只适适用于圆圆形断面面隧道，，只有铣铣削滚筒筒式掘进进机可在在软岩中中掘进非非圆形断断面隧道道。开挖隧道道直径1.8~12m之间，以以直径3~6m最为成熟。。一次性连续续开挖长度度不宜短于于1km，也不宜长长于10km，以3~8km最佳。适用于中硬硬岩层，岩岩石单轴抗抗压强度介介于20~250MPa，尤以50~100MPa最佳。地质条件对对TBM掘进效率影影响很大。。在良好岩岩层中月进进尺可达500~600m，而在破碎碎岩层中只只有100m左右，在塌塌陷、涌水水、暗河地地段甚至需需停机处理理。选用TBM开挖隧道应应尽量避开开复杂不良良岩层。二、工程地地质条件(续)机械条件TBM不仅受地质质条件约束束，还受到到开挖直径径、开挖机机构的约束束。在硬岩中开开挖大直径径隧道很是是困难。日日本实例的的最大直径径仅为5m左右。目前TBM多数是单轴轴回转式。。若开挖直直径越大，，刀头内周周与外周的的周差速越越大，将对对刀头产生生种种不良良影响。随着开挖直直径的增大大，需要增增大推力，，支撑靴也也要增大，，将导致运运输困难与与承载力问问题。开挖长度TBM进场需经历历运输、组组装等过程程。根据其其直径与型型式、运输输途径、组组装基地状状况等不同同，需准备备1~2个月。TBM后续设备长长100~200m，为正规地地进行掘进进也需先筑筑一段长200m左右的隧道道。隧道长度小小于1000m时，其运行行成本急剧剧增大。达达3000m左右时的成成本大致是是一定的。。国外在断面面10~30m2、长1000km以上的隧道道开挖，优优先考虑采采用TBM施工。最佳开挖长长度为3000km以上，短隧隧道慎用。。五.工程所在地地的道路设设施TBM的运输与组组装要求注注意工程所所在地的基基础设施条条件。搬运运计划应考考虑道路宽宽度、高度度与重量等等限制，根根据组装条条件充分调调查运输时时的分割方方法(即最小分割割尺寸与重重量)。TBM一般在工厂厂试组装、、试运输后后分割。分分割重量约约为35t，断面3.5×3.5m左右。TBM施工电耗较较高，约为为同规模其其他工法施施工的双车车道隧道的的1.5倍，规划时时应充分考考虑。TBM选用应考虑虑的条件工程规模：：隧道形状状、长度、、直径、埋埋深、走向向；地质情况：：岩石类型型与强度、、节理分布布与发育程程度、断层层、暗河、、溶洞、地地下水分布布、已有地地表建筑、、河流等基础设施：：交通运输输能力、水水电来源、、进出洞口口场地施工进度与与企业能力力(制造维修、、经济、施施工管理与与习惯)掘进机法施施工要点TBM施工管理措措施TBM工厂化施工工是一项管管理系统工工程。施工工与设备管管理水平的的提高是其其高效率与与高效益的的保证。在在一般地质质条件下，，国外掘进进机净掘进进时间在40～50％左右。提高设备完好好率，强调预预防性维修。。选择合理掘进进系数，定时时检查、更换换与调换刀具具配件储备与供供应定岗定责，标标准化作业地质超前预报报控制测量与施施工测量精度度电力专供洞口平纵面条条件、作业场场地、大型临临时工程等施