硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)歷史

1、硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)的歷史1952年，詹姆斯 羅賓斯(james s.robbins )為美國(guó)南達(dá)科他州奧阿西大壩工程(oahe dam)研發(fā)了第一臺(tái)現(xiàn)代硬巖 tbm第一臺(tái)用于切割巖石的 tbm是威爾遜專利的石材切割機(jī)，它發(fā)明于 1851年，用于馬薩諸塞州 北亞當(dāng)斯著名的胡薩克隧道(hoosac tunnel)東端。根據(jù)最初設(shè)計(jì)，這臺(tái)機(jī)器應(yīng)在花崗巖內(nèi)切割出 一個(gè)13in寬、26ft直徑的圓環(huán)，推進(jìn)幾英尺后，施工人員撤回機(jī)器，并在圓環(huán)內(nèi)對(duì)巖石進(jìn)行爆破。 該臺(tái)機(jī)器由鑄鐵建造，采用蒸汽驅(qū)動(dòng)，使用了與現(xiàn)代滾刀驚人相似的滾刀。事實(shí)上，這臺(tái)機(jī)器在硬 巖中只掘進(jìn)了 10ft,很明顯，它既不夠堅(jiān)硬，也沒(méi)有強(qiáng)大的動(dòng)力

2、，難以切割這種堅(jiān)硬的巖石。第二臺(tái)tbm也被用于胡薩克隧道的西端，該臺(tái) tbm直徑10ft,錐形頭，可以在斷層中切割出 一個(gè)圓形的缺口。最初的實(shí)驗(yàn)表明，這臺(tái) tbm是很有希望的，但不幸的是，在這臺(tái)設(shè)備投入使用 之前，使用這臺(tái)設(shè)備的承包商就已經(jīng)破產(chǎn)了，后來(lái)的承包商放棄了使用tbm法，采用傳統(tǒng)的分步法進(jìn)行隧道開(kāi)挖。這樣，早期的幾個(gè)掘進(jìn)機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)束了，在接下來(lái)的100年里，世界上幾乎所有的巖石隧道都采用了鉆爆法。1952年，杰姆斯 羅賓斯被要求直到20世紀(jì)50年代，許多成功的機(jī)械裝置被用于煤礦開(kāi)采。利用這些概念設(shè)計(jì)修建南達(dá)科塔州奧阿西大壩隧道。他設(shè)計(jì)的tbm具有刀盤(pán)，使用了刮刀和盤(pán)型滾刀，用于開(kāi)挖軟弱頁(yè)

3、巖。其破巖原理是，刮刀在巖石上切槽，滾刀切削巖石。像許多發(fā)明家一樣，杰姆斯 羅賓斯對(duì)他的這個(gè)發(fā)明十分著迷， 說(shuō)服了多個(gè)工程業(yè)主和施工承包商支持他的實(shí)驗(yàn)，幫助他解決各種問(wèn)題。不幸的是，杰姆斯 羅賓斯在1958年的一次空難中喪生，他的兒子迪克 羅賓斯繼承 了他的意志和遠(yuǎn)見(jiàn)，為隧道掘進(jìn)機(jī)后續(xù)的發(fā)展搭建了舞臺(tái)?？傮w而言，這些發(fā)展圍繞如下幾個(gè)問(wèn)題：破巖的最佳方法是什么？保持掌子面穩(wěn)定、tbm推進(jìn)和姿態(tài)控制的最佳方法是什么？如何提供最佳的后配套系統(tǒng)和維修與保養(yǎng)？隧道內(nèi)進(jìn)、出料的最佳方法是什么？tbm隧道成本預(yù)算最佳方法是什么？用于尼亞加拉隧道的直徑47.2ft的羅賓斯tbm是世界最大的tbm用于奧阿西大壩

4、的羅賓斯 tbm與具有旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)的軟土盾構(gòu)類似，盡管與現(xiàn)代的tbm相比還顯得過(guò)于簡(jiǎn)單，但它引入了兩個(gè)基本概念，之后的 tbm這也是基于這兩個(gè)概念發(fā)展開(kāi)來(lái)：1、刀盤(pán)：能夠切割巖石，并允許盾殼前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)刀盤(pán)；2、護(hù)盾：在巖石中，護(hù)盾既能保護(hù)隧道內(nèi)施工人員和機(jī)械設(shè)備的安全，又有助于進(jìn)行隧道支 護(hù)?；谶@兩個(gè)概念，發(fā)展出了現(xiàn)代的tbm。關(guān)于破巖方式，早期的想法是使用類似油田鉆井和采礦機(jī)械中使用的銃刀，然而不久，技術(shù)創(chuàng) 新和基礎(chǔ)研究則認(rèn)為滾刀才是最佳的巖石切屑方法。今天的我們完全接納了滾刀破巖的設(shè)計(jì)理念， 但在此之前，人類進(jìn)行了多年的現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室研究，以完善滾刀破巖的方法。這個(gè)期間，加拿大多倫多市（tor

5、onto）的一項(xiàng)工程對(duì) tbm的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。最初，該 工程中使用的機(jī)器配置了固定刀具和滾刀，但通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察，施工人員發(fā)現(xiàn)當(dāng)拆除固定刀具后，機(jī) 器的推進(jìn)速度并沒(méi)有降低。因此，人們發(fā)現(xiàn)滾刀在巖石中切槽的同時(shí)也能進(jìn)行破巖。在此項(xiàng)目之前，tbm的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向均通過(guò)一個(gè)僵硬的鋼框架，這使得操控tbm姿態(tài)十分困難。在塔斯馬尼亞（tasmania）,羅賓斯采用了一個(gè)浮動(dòng)撐靴組件，大大提高了掘進(jìn)效率。此外，這臺(tái) tbm還采用了高性能的金屬刀具軸承。該項(xiàng)目證明了滾刀不但可在巖石中切槽，還能利用巖石間的張力進(jìn)行破巖。由于這些創(chuàng)新，塔斯馬尼亞工程中tbm的掘進(jìn)速度達(dá)到了每周 229ft （約69.8m）,這是

6、當(dāng)時(shí)鉆爆法最高掘進(jìn)速度的兩倍。顯然，隧道行業(yè)找到了一條新的道路，可以更加經(jīng)濟(jì)高效地 開(kāi)挖硬巖隧道。20世紀(jì)80年代，挪威某項(xiàng)工程中的工人在檢查刀盤(pán)明確了滾刀破巖的概念，科羅拉多州礦業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室（ csm）開(kāi)始著手研究 tbm和巖石的特 征及參數(shù)對(duì) tbm掘進(jìn)速度的影響。由于當(dāng)時(shí)大量的工程數(shù)據(jù)是保密的，實(shí)驗(yàn)室不得不開(kāi)展了一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來(lái)進(jìn)行研究。 就在此時(shí)，七十年代中后期，一個(gè)名叫勒約茨 德米爾（leventoz demir） 的年輕研究生應(yīng)邀加入了一個(gè)關(guān)于巖石切削研究的國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，后來(lái)，并在csm實(shí)驗(yàn)室教學(xué)30年。事實(shí)證明，勒約茨 德米爾為他自己以及隧道行業(yè)帶來(lái)了雙贏。在他的努力

7、下，csm實(shí)驗(yàn)室針對(duì)不同的刀具、軸承、推力、扭矩及刀間距進(jìn)行了全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，研究提高tbm性能和成本估算的最佳方法。從那時(shí)起，預(yù)測(cè)模型的概念誕生了，并普遍應(yīng)用于當(dāng)代的tbm隧道工程。隨著時(shí)間的推移，經(jīng)過(guò)眾多困難工程的考驗(yàn)， tbm技術(shù)得到了巨大的進(jìn)步， 可以在各種不穩(wěn)定 地質(zhì)中掘進(jìn)，例如：膨脹巖層、擠壓巖層、斷層、飽和破碎巖層以及許多其它問(wèn)題地層。這些技術(shù) 的發(fā)展和進(jìn)步離不開(kāi)雙護(hù)盾tbm的研制。1972年，羅賓斯公司為意大利南部的一個(gè)水電項(xiàng)目研發(fā)了第一臺(tái)雙護(hù)盾tbm。該項(xiàng)目的地質(zhì)由完整的花崗巖和破碎的花崗巖構(gòu)成，因此需要二合一的雙護(hù)盾tbm :在穩(wěn)定完整的巖層，tbm的后盾緊貼巖壁，為前盾向

8、前推進(jìn)提供必要的推力；在破碎的巖層，后盾被縮回，由臨時(shí)支護(hù)提供 推力。這項(xiàng)工程作為一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，標(biāo)志著 tbm技術(shù)的又一大進(jìn)步。除此之外，銃刀、后裝刀， 和在不穩(wěn)定巖層中使用的隧道襯砌技術(shù)(例如巖錨、墊圈等)也得到了發(fā)展。顯然，上文講述的只是tbm的發(fā)展概要，但事實(shí)足以證明，大推力和高扭矩的滾刀仍然是硬巖隧道工程中最經(jīng)濟(jì)最有效的破巖方法。tbm與皮帶輸送機(jī)一速度的組合世界上掘進(jìn)速度最快的 tbm之中，接近75%的tbm均采用皮帶連續(xù)出渣系統(tǒng)。最近，美國(guó)印第安納州一臺(tái)由羅賓斯公司制造的直徑6.2m的tbm完成了一段長(zhǎng)2.8km的隧道延長(zhǎng)線(原隧道長(zhǎng) 12.5km),再次證明了這種組合能夠快速掘進(jìn)

9、的觀點(diǎn)。安裝上連續(xù)出渣系統(tǒng)的 tbm，于2012年11月開(kāi)始12.5km長(zhǎng)的深石隧道項(xiàng)目工程 (deep rock tunnel connector),并且提前計(jì)劃一年貫通隧道。項(xiàng)目業(yè)主公民能源集團(tuán)( citizens energy group) 讓sk聯(lián)營(yíng)體公司(shea/kiewit)作為施工方來(lái)完成該項(xiàng)目額外 2.8km長(zhǎng)的鷹溪隧道(eagle creek)。進(jìn)行曲線運(yùn)輸?shù)倪B續(xù)出渣系統(tǒng)tbm從一深76m的工作井始發(fā)，掘進(jìn)通過(guò)石灰?guī)r和白云巖地層，實(shí)現(xiàn)直徑67m級(jí)別tbm的世界紀(jì)錄，包括:每日最大進(jìn)尺124.9m；每周最大進(jìn)尺515.1m；每月最大進(jìn)尺1754m。掘進(jìn)結(jié)束后，有許多值得慶祝的

10、事情，公民能源集團(tuán)的施工監(jiān)理tim shutters說(shuō)，高產(chǎn)的主要原因有兩個(gè)：一是 tbm的刀盤(pán)表現(xiàn)很好；二是地質(zhì)條件有利于快速破巖和掘進(jìn)。羅賓斯epbm中使用的渣土輸送裝置垂直皮帶輸送機(jī)將渣土從工作井輸送至地面創(chuàng)造紀(jì)錄的另一關(guān)鍵是使用了連續(xù)出渣系統(tǒng)。該套設(shè)備可以進(jìn)行25km長(zhǎng)距離的連續(xù)運(yùn)輸，中途可以進(jìn)行水平與垂直方向運(yùn)輸，還可以進(jìn)行s曲線和直角曲線的變向運(yùn)輸。羅賓斯在報(bào)告中指出，連續(xù)出渣系統(tǒng)作為長(zhǎng)距離硬巖隧道tbm的標(biāo)配，也越來(lái)越多地應(yīng)用于epbm。雖然由于運(yùn)輸線路的多變會(huì)給出渣質(zhì)量帶來(lái)諸多的影響，但是如果提前進(jìn)行處理（例如:運(yùn)輸帶連接點(diǎn)進(jìn)行密封處理），連續(xù)出渣系統(tǒng)還是可以出色的完成輸運(yùn)任務(wù)

11、的。連續(xù)出渣系統(tǒng)在遇到急轉(zhuǎn)彎線路時(shí)，往往會(huì)遇到皮帶脫離托輻的問(wèn)題。在合適的位置安裝助力器，可以有效地控制傳送皮帶的張力，增加系統(tǒng)使用壽命。如果皮帶張力過(guò)高，皮帶將在通過(guò)曲線 時(shí)過(guò)早失效及早發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是傳運(yùn)輸統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵。如果一個(gè)關(guān)鍵部件損壞， 最好是在最短的時(shí)間內(nèi)解決故障?！绷_賓斯公司出渣系統(tǒng)部門副主席workman說(shuō)，否則，更換皮帶需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間。為了能夠及早地發(fā)現(xiàn)故障，電氣監(jiān)控系統(tǒng)與警報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)成為標(biāo)配，用于監(jiān)測(cè)電氣馬達(dá)和齒輪箱的溫 度和振動(dòng)情況、驅(qū)動(dòng)電機(jī)扭矩、以及其它異常信息。如有某項(xiàng)檢測(cè)數(shù)據(jù)超出預(yù)警值，系統(tǒng)將進(jìn)行相 應(yīng)的警報(bào)。”對(duì)于印第安納波利斯的工程，羅賓斯采用了其專利技術(shù)一曲

12、線輻，可自行調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載。workman認(rèn)為，未來(lái)，將會(huì)發(fā)展出更先進(jìn)的電氣控制系統(tǒng)及其元?dú)饧?，進(jìn)一步增大皮帶運(yùn)輸機(jī)的運(yùn) 輸距離和運(yùn)輸速度。在印第安納波利斯工程中，項(xiàng)目經(jīng)理介紹：對(duì)于我們創(chuàng)造的世界紀(jì)錄，我感到很自豪。我們幾乎提前計(jì)劃一年完成了第一個(gè)12.5km的任務(wù)，對(duì)于延長(zhǎng)線項(xiàng)目的時(shí)間，我們?nèi)阅茉诤贤〞r(shí)間內(nèi)完成。如此高性能的皮帶輸輸送系統(tǒng)真的是難得一見(jiàn)?！?5%的tbm世界紀(jì)錄保持者使用的都是皮帶運(yùn)輸機(jī)該隧道工程竣工后，將有助于減少?水排放量并保持懷特河( white river)流域的清潔。鷹溪 隧道一旦完工，項(xiàng)目將進(jìn)入下一階段，開(kāi)始另外兩條隧道的施工。懷特河隧道(white river deeptunnel)將