隧道掘進機開挖技術解析PPT課件

1、 2.隧道掘進機械 隧道掘進機械一般分為兩種:（1）臂式掘進機;（2）全斷面隧道掘進機，簡稱TBM第1頁/共63頁 3.定 義 隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM ，是利用回轉刀具切削破巖及掘進，形成整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。 第2頁/共63頁 臂式掘進機又稱為部分斷面掘進機，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯合作業(yè)機械。 第3頁/共63頁 (1) 在巖石中開挖隧道的TBM 通常適用于穩(wěn)定性良好、中厚埋深、中高強度的巖層中掘進長大隧道。 (2) 在松軟地層中掘進隧道的TBM 一般適用于在具有有限壓力的地下水位以下基本

2、均質的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。第4頁/共63頁 )目前在國內通常有兩種提法： (1)巖石掘進機(TBM ) ； (2) 盾構機。 巖石掘進機(TBM )就是適合硬巖開挖的隧道掘進機，盾構機指的是適于在軟巖、土中的隧道掘進機。 鑒于學術及現實中稱法混亂，造成許多麻煩，有些學者提出采用“硬巖TBM”和“軟巖TBM（也即盾構機）”兩種來規(guī)范 第5頁/共63頁(1) 安全人員在局部或整體的護盾下工作(2) 快速常規(guī)鉆爆法掘進速度的310倍(3) 優(yōu)質洞壁光滑美觀(4) 自動化和機械化程度高（節(jié)省勞動力經濟）(5) 圍巖擾動小 (6) 對環(huán)境影響小第6頁/共63頁 (1) 能耗大 (2) 斷面單一

3、 (3) 對巖層變化的適應性差(4) 一次性購買TBM投資高(5) 主機重量大，運輸不方便，安裝工作量大 (6) 短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)越性(不經濟)第7頁/共63頁6.1.4 掘進機的應用與發(fā)展 第8頁/共63頁第9頁/共63頁 (1) 1970年代末，甘肅引大入秦和山西萬家寨引水工程采用掘進機獲得成功(意大利CMC公司承包)。 (2) 1998.11999.8，西康鐵路秦嶺特長隧道引入德國Wirth公司TB880E型掘進機，進行長18.5km，直徑8.8m的I線隧道施工，平均掘進速度為313.7/月。第10頁/共63頁 開挖直徑范圍為1.8-11.87m； 可在抗壓強度360MPa的巖體中掘進

4、80-100m2大斷面隧道，平均掘進速度350-400m/月； 能開挖45的斜井； 盤形滾刀的最大直徑達483mm，其承載能力達312kN；刀具的壽命達300500m； 單臺掘進機的最大總進尺已超過40km。 第11頁/共63頁 美 國：羅賓斯(obbins)公司 佳瓦(Jarva)公司 德 國：維爾特(Wirth)公司 海瑞克(Herrenknecht)公司 瑞 典：阿特拉斯.科普柯 (Atlas.Copco)公司 加拿大：拉瓦特(Lovat)公司 日 本：川崎(Kawasaki)公司 三菱(Mitsubishi)公司 日立(Hitachi)公司 第12頁/共63頁6.2 掘進機的類型與構造

5、 掘進機的類型 第13頁/共63頁6.2.1 全斷面掘進機 (1) 開敞式掘進機 適合于硬巖隧道； 頂推反力與刀盤扭矩力依靠圍巖堅硬壁面提供；(2) 護盾式掘進機 適合于軟巖隧道； 頂推反力利用尾部安裝的襯砌管片。 第14頁/共63頁開敞式隧道掘進機第15頁/共63頁 型 號：TB880E 最高月進度：574米 最高日進度：41.3米 開 挖 直 徑：8.8米 掘 進 速 度：3.5m/h第16頁/共63頁開敞式隧道掘進機第17頁/共63頁開敞式隧道掘進機第18頁/共63頁開敞式隧道掘進機第19頁/共63頁開敞式隧道掘進機第20頁/共63頁開敞式隧道掘進機第21頁/共63頁開敞式隧道掘進機第2

6、2頁/共63頁開敞式隧道掘進機模型第23頁/共63頁護盾式隧道掘進機第24頁/共63頁 6.2.1.1 開敞式掘進機 開敞式掘進機基本有兩種型式：單撐靴式、雙撐靴式。 第25頁/共63頁第26頁/共63頁 6.2.1.1 開敞式掘進機構造 主要構造：刀盤；控制系統，支撐和推進系統；后部配套設備 第27頁/共63頁第28頁/共63頁第29頁/共63頁第30頁/共63頁第31頁/共63頁第32頁/共63頁第33頁/共63頁第34頁/共63頁第35頁/共63頁第36頁/共63頁 (4)支撐和推進系統單撐靴式雙撐靴式 第37頁/共63頁(5) 驅動系統 刀盤驅動方式有兩大類：電動和液壓。電動又分單速電

7、機、雙速電機和調頻電機 (6) 后配套設備 液壓系統 供電系統 運輸系統 通風系統 降溫、防塵、供水及安全系統 隧道支護設備系統 其它輔助設施第38頁/共63頁TBM組裝圖第39頁/共63頁TBM組裝圖第40頁/共63頁TBM組裝圖第41頁/共63頁TBM組裝圖第42頁/共63頁TBM組裝圖第43頁/共63頁6.2.1.2 護盾式掘進機 (1) 單護盾TBM常用于劣質地層。 (2) 雙護盾TBM既適應軟巖，也適應硬巖或軟硬巖交互地層。 對比：單護盾TBM推進時，要利用管片作為支撐，與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片兩者不能同時進行，速度較慢。第44頁/共63頁第45頁/共63頁第46頁/共63

8、頁6.2.2 臂式掘進機 臂式掘進機又稱為部分斷面掘進機，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯合作業(yè)機械。 第47頁/共63頁壁式掘進機的特點 可以適應任意形狀的斷面； 對地質條件的要求較低，適合軟巖及中硬巖隧道的掘進； 連續(xù)掘進，支護可實現平行作業(yè) 基本投資費用少，約為全斷面掘進機的15%左右。 中短隧道施工更為適用。 臂式掘進機具有效率高、機動性強、對圍巖擾動小、超挖量小、安全性高、適應性強，以及費用相對較低等優(yōu)點。 第48頁/共63頁第49頁/共63頁第50頁/共63頁第51頁/共63頁第52頁/共63頁 6.3 掘進機施工 6.3.1 破巖機理 1.機理在掘進時

9、切削刀盤上的滾刀沿巖石開挖面滾動，切削刀盤均勻地對每個滾刀施加壓力，形成對巖面的滾動擠壓，切削刀盤每轉動一圈，就會貫入巖面一定深度，在滾刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴展，進而形成片狀石碴，從而實現破巖，如下圖。 第53頁/共63頁第54頁/共63頁 2.影響因素 貫入深度 堅硬和裂隙很少巖石，一般為2.5-3.5mm/轉,中等堅硬和裂隙較多巖石中，一般為5-9mm/轉。 滾刀間距 滾刀間距太大，滾刀產生壓力達不到與相鄰滾刀的影響范圍相接，從而使開挖效率降低。反之，如果刀間距太小，則會浪費設備的功率。 巖體的裂隙 掘進機施工不僅要注意巖石抗壓強度，還應

10、注意巖石磨蝕性和巖體裂隙程度，當巖體節(jié)理裂隙面間距越大時，切割也就會越困難。 第55頁/共63頁第56頁/共63頁 6.3.3 施工管理 掘進機開挖隧道的高效率源于隧道施工的工廠化，但要發(fā)揮最佳效益，就必須加強管理。 1.保證有效作業(yè)時間 將整個有效的作業(yè)時間作為凈掘進時間是不可能的，因為：。在一般地質條件下，掘進機凈掘進時間在50%左右是較為理想的。 例如，某掘進機工點作業(yè)時間分配為：重新支撐3.2%、刀具更換13.8%、檢修5.5%、后配套檢修6.6%、支護1.7%、工地延誤3.8%、其它11.1%、掘進54.3%。第57頁/共63頁 2.提高設備完好率 3.合理選用刀具參數 4.保證配件

11、供應 5.管理人員對掘進方向的地質情況應有足夠的了解 6.提高隧道控制測量和施工測量的精度 7.應建立 8.精心設計，統籌安排，嚴格施工專門的供電機構，確保供電質量 第58頁/共63頁 6.4 與掘進機施工配套的支護型式 襯砌結構的組成 一般仍是由初期支護和二次襯砌組成。 初期支護：噴射混凝土 二次襯砌：模筑混凝土 管片襯砌 不管是哪種類型的襯砌，為了安放軌道運碴，都必須設置預制仰拱塊，它也是最終襯砌的一部分。 第59頁/共63頁 6.4.1 管片襯砌 1. 構成 使用護盾掘進機時，一般采用圓形管片襯砌，分為57塊，在洞內拼裝而成。 第60頁/共63頁 6.4.1 管片襯砌 2. 特點 優(yōu)點：適合軟弱圍巖，特別是當圍巖允許承載力很低，撐靴不能支撐巖面時，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進反力；當撐靴可以支撐巖面時，雙護盾掘進機可以使掘進和換步同時進行，提高了循環(huán)速度；利用管片安裝機安裝管片速度快、支護效果好，安全性強。 缺點：造價高。為了防水需要，塊與塊之間必須安裝止水帶，并需在管片外壁和巖