全断面岩石掘进机BM讲解

全断面岩石掘进机TBM秦岭隧道TBMTBM步入出发洞CuttingfacesideMachinesideKeyBlockFloatingSealShaftCutterRingBearingCutterheadBulkheadCuttercasingBoltCutterRingCutterHubRetainerKomatsuHardRockTBMDiscCutter(BackLoadingType)TBM刀具TBM与盾构

隧道（洞）掘进机一般分为盾构和岩石掘进机两种，盾构主要应用于软土地层的开挖，岩石掘进机主要用于硬质地层的开挖，两种掘进机在破岩机理上不同。本文介绍的是适于硬岩开挖的全断面岩石掘进机（英文FullFaceTunnelBoringMachine，简称TBM）。TBM的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。破岩轨迹迹TBM类型TBM由主机和和后配套套系统组组成，一一般又分分为敞开开式TBM和护盾式式TBM两大类型型，护盾盾式TBM又有双护护盾TBM和单护盾盾TBM之分；敞敞开式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”支撑的凯凯氏TBM（（含有内凯凯机架InnerKelly和外凯机机架OuterKelly），，另一种为为单支撑撑主梁式式TBM。。软弱围岩岩所占比比例较大大的隧道道一般选选用护盾盾式TBM，，而岩石稳稳定性好好软弱围围岩较少少的隧道道一般选选用敞开开式TBM，，此外，还还要根据据工程设设计及工工程造价价进行综综合分析析确定。。双护盾TBM双护盾TBM的主机在在护盾的的保护下下进行掘掘进作业业，主机机后部一一般装有有衬砌管管片安装装器，随随着TBM的向前掘掘进，双双护盾TBM可同时进进行管片片安装作作业，后后配套系系统则完完全在已已经完成成管片衬衬砌的隧隧道内作作业；当当无法实实现径向向支撑而而需要辅辅助推进进油缸提提供所需需推进力力时，推推力作用用于管片片衬砌上上，掘进进作业与与管片安安装作业业此时不不能同时时进行，，相当于于“单护护盾模式式”的作作业方式式，相应应掘进效效率较低低。敞开式TBM敞开式TBM则只设有有较短的的刀盘护护盾，在在其主机机和后配配套上安安装有支支护设备备，随着着TBM的向前掘掘进，一一般可以以同时进进行安装装锚杆、、挂网和和喷射混混凝土等等支护作作业。敞敞开式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。系统构成成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系统统主机辅助助设备此外，TBM主机上的的辅助设设备主要要有：主机出渣渣皮带机机、钢拱架安安装器、、洞底石石渣清理理皮带机机、超前钻机机、锚杆杆钻机、、通风设设施和除除尘系统统、通讯讯系统、、数据采采集记录录系统、、激光导导向系统统、安全全控制系系统、甲甲烷监测测器、支护材料转运运系统、、紧急手手动混凝凝土喷射射系统等等。TBM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。TBM施工主要要关键技技术（1）TBM选型及系系统集成成设计TBM系统结构构庞大复复杂，各各种高技技术系统统集成，，是价值值数亿元元的大型型成套工工厂化作作业系统统，属于于典型的的非标定定制产品品，其机机型、系系统设备备配置和和主要技技术参数数均需要要承包商商与制造造商根据据具体的的工程设设计、地地质条件件和施工工工艺共共同研究究确定。。TBM及其后配配套系统统的选型型及集成成设计是是否合理理是工程程能否顺顺利完成成的首要要问题。。TBM施工主要要关键技技术（2）TBM施工组织织管理技技术TBM施工时，，掘进、、出碴、、支护、、进料运运输等工工序平行行连续作作业，系系统性强强，要求求各环节节紧密配配合，以以TBM掘进作业业为中心心，其他他配套设设施和系系统要尽尽可能满满足TBM掘进的需需要，与与钻爆法法施工在在组织管管理上具具有完全全不同的的技术特特点，这这给TBM施工组织织管理技技术提出出了挑战战。TBM掘进平均均机时利利用率是是衡量TBM施工组织织管理技技术水平平的主要要指标，，目前国国际水平平在40%左右右。TBM施工主要要关键技技术（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施工主要关键键技术（8）TBM出渣和物料运运输技术TBM施工隧道掘进进速度快、出出渣量大、运运输距离长，，且要求掘进进、出渣、支支护并行作业业。如果出渣渣和物料运输输不能满足掘掘进要求将影影响TBM快速施工的优优势，因此长长大隧道TBM施工出渣和物物料运输技术术也是重要的的关键保障技技术。目前，，常用的技术术方案为有轨轨运输技术和和连续皮带机机出渣技术。。特别是连续续皮带机出渣渣技术已成为为国外长大隧隧道TBM施工的重要技技术选择，我我国还没有成成功应用的先先例。TBM施工主要关键键技术（9）TBM施工供电技术术TBM施工用电量大大，用电设备备多，高压进进洞供电距离离长，供电系系统复杂，安安全性要求高高。因此，TBM施工供电技术术也是需要重重点考虑的技技术问题。TBM施工主要关键键技术（10）TBM施工通风技术术TBM施工一般通风风距离较长，，特别是近年年来超过10km的隧道越来越越多，这对我我国隧道施工工通风也带来来很大的技术术难度。TBM施工主要关键键技术（11）TBM施工作业分析析方法TBM施工过程中随随时有大量相相对应的不同同围岩地质参参数、TBM掘进工作参参数、TBM掘进性能参参数，采集集记录和分分析处理这这些数据对对于指导后后期施工具具有重要参参考价值，，对我国TBM技术数据积积累和施工工企业自身身技术和经经验的积累累都是非常常重要的。。图7掘进分析中周统计界面7号变速箱箱两次油样样磨粒图谱谱沙粒异异常常磨损前一次图谱谱大量沙粒金金属磨粒粒和聚合物物后一次图谱谱TBM工程应用实实例国外已建成成的著名工工程实例：：（1）英吉利海峡峡铁路隧道道，由三条平平行隧道组组成，每条条约50km，海底掘进长长度约37km，地层岩石为为白垩纪泥泥灰岩。该该工程英、、法两侧共共使用了11台TBM，在三年内完完成了任务务，1994年底开开通运营。。其中一台台由Robbins公司生产的的直径8.36m的掘进机创创造了当时时月进尺1719.1m的世界记录录。国外已建成成的著名工工程实例（2）瑞士士费尔艾那那铁路隧道道全长19km，使用Wirth公司制造的的直径7.7m的敞开式TBM，岩石条件为为花岗岩，，该工程1995年年开始施工工，1998年完工工，日进尺尺为13.6~22.9m。国外在建的的著名工程程实例：（1）南非非莱索托南南水北调工工程总长约约200km，有4条引水水隧洞和2条输水隧隧洞、6座座大坝、2座电站等等水工建筑筑，其中约约84km的施工隧洞洞。该工程程自80年年代末动工工，总工期期计划30多年。国外在建的的著名工程程实例（2）瑞士士哥特哈得得（Gotthard）铁路隧道工工程，全长长57km，开挖直径9m，最大埋深2500m，计划采用8台TBM进行施工。。国外在建的的著名工程程实例（3）法国国里昂至意意大利都灵灵铁路隧道道，全长54km，最大埋深超超过2000m,采用TBM进行施工。。国内建成的的TBM重要工程（1）1985年年中国在广广西隆林天天生桥水电电站的引水水隧洞修建建中，从美美国引进了了Robbins公司直径为为10.8m掘进机，开开挖引水隧隧洞总长度度约10km，掘进机遇到到的岩石地地层系石灰灰岩，抗压压强度150MPa，施工时最高高月进尺150m。这是中国第第一条采用用大断面岩岩石掘进机机施工的隧隧道。国内建成的的TBM重要工程（2）1991年甘甘肃省引大大入秦大型型跨流域灌灌溉工程中中，30A隧道全长11.649km，是一条无压压输水隧道道，由意大大利CMC公司采用双双护盾TBM进行施工，，掘进机直直径5.53m，采用预制管管片衬砌。。该机由美美国Robbins制造生产的的188－－227型型TBM，遇到的地层岩性性单轴抗压强度度26~133.7MPa。该隧洞历经13个月于1992年1月掘进进贯通，最高日日进尺65.5m，最高月进尺1300m。国内建成的TBM重要工程（3）山西省万万家寨引黄工程程隧洞总长161.1km，其中共采用6台直径径4.88m和5.96m双护盾TBM对8条隧洞进行行施工，TBM施工隧洞总长121.8km，采用六边形预制制管片衬砌。该该工程地层主要要岩性为灰岩，，由意大利英波波基洛公司和CMC公司及中国水利利水电四局组成成的万龙联营体体承包，1993年开始掘进进至今，创造最最高月进尺1821.5m的掘进记录。国内建成的TBM重要工程（4）西康铁路路秦岭隧道工程程由铁道部从Wirth公司引进两台直直径8.8m敞开式TBM自主施工，该隧隧道全长18.46km，岩石为坚硬的混混合片麻岩和混混合花岗岩，抗抗压强度105~325MPa，属于国际上TBM工程中十分罕见见的极硬岩石条条件，在此条件件下仍然创造了了最高月进尺531m和509m的记录。该工程程TBM自1997年下下半年开始运至至施工现场组装装，1999年年掘进贯通。国内建成的TBM重要工程（5）秦岭隧道道完工后，这两两台TBM又分别转移至西西安南京铁路磨磨沟岭隧道和桃桃花铺隧道施工工，成功地使敞敞开式TBM在这两个长距离离软弱围岩的隧隧道工程中掘进进贯通，并分别别创造了573m和551.8m的新的掘进记录录。可以说，通通过秦岭隧道、、磨沟岭隧道和和桃花铺隧道成成功的TBM自主施工，真正正建立起了我国国自己独立的TBM施工队伍和专家家队伍，并创造造性地积累起我我国独立掌握的的TBM施工技术体系。。TBM是先进的隧道施施工技术随着我国大规模模的基础建设，，铁路、公路、、水电工程、南南水北调、西气气东输、城市地地铁、市政供水水供电和排污等等重大工程越来来越多，需要修修建大量的长、、大隧道。预计计我国未来二十十年平均每年有有600km共12000km隧道（洞）需要要开挖。由于工工程规模大、地地质条件复杂，，工程施工速度度、环保、质量量和效益要求高高，传统钻爆法法施工技术已经经难以适应这一一艰巨挑战。TBM在中国因此，全断面岩岩石掘进机(TBM)技术必将在我国国得到长足发展展，推动我国大大型施工机械制制造业和施工企企业的科技进步步。掌握这一技技术将使企业增增强巨大的市场场竞争力。可以说，中国将将成为世界TBM施工工程和TBM制造业的主战场场。意大利隧道协会会主席S.Pelizza事实上，仅从合合格的TBM制造厂家订购一一台特定类型的的TBM是远远不够的；；相反，所有相关关各方之间的持持续合作以及TBM的用户（承包商商）对设计、施施工所有细节的的控制是极为重重要的。因为至今尚没有有任何类型TBM设计与施工的““认可标准”，，且TBM的设计、制造是是一个持续的技技术创新过程。。每项工程都有自自身的特点，每每家承包商都有有自身的传统和和意见等，所以以制造的每台TBM都与其他的TBM不同。美国地下建筑协协会主席ReillyJohn中国今后20年年乃至50年的的规划，面临极极其复杂的风险险挑战和现实条条件限制，不依依赖具有现代最最高掘进技术成成就的TBM，是不可想象的。。最重要的是获取取经验，而不是是设备，仅通过过购买先进的TBM是达不到预期效效果的。可根据据地质条件选用用合适TBM，并培养出不同地地质条件下运用用TBM的有经验的施工工队伍。过去，中国引进进TBM技术主要是通过过承包商来操作作的，缺乏战略略决策和协作，，且价格昂贵。。从长远看，最最好是建立自己己的TBM工业体系。美国地下建筑协协会主席ReillyJohn鉴于TBM技术本身的复杂杂特性，欲实现现TBM技术大规模的成成功转化，不仅仅要注意其本身身，而且要注意意管理、承包、、设计及培训等等多方面的重要要因素。技术转化是一个个包括智力和经经验的问题，而而不仅仅是技术术产品本身。对对TBM的成功运用，取取决于制造商、、工程设计者、、承包商和施工工队伍的共同探探讨和决策的这这样一个智慧团团体。经验是不不容易转化的。。TBM技术转化是一个个知识转化和经经验获取的长期期不间断的过程程。美国地下建筑协协会主席ReillyJohn在开始始阶段段，TBM潮流将将更