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，也沒有強(qiáng)大的動(dòng)力，難以切

2、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，在接下來的100年里，世界上幾乎所有的巖石隧道都采用了鉆爆法。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采。1952年，杰姆斯·羅賓斯被要求利用這些概念設(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，使用了刮刀和盤型滾刀，用于開挖軟弱頁巖。其

3、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，為隧道掘進(jìn)機(jī)后續(xù)的發(fā)展搭建了舞臺(tái)。總體而言，這些發(fā)展圍繞如下幾個(gè)問題：l 破巖的最佳方法是什么？l 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？l 如何提供最佳的后配套系統(tǒng)和維修與保養(yǎng)？l 隧道內(nèi)進(jìn)、出料的最佳方法是什么？l 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

4、斯TBM是世界最大的TBM用于奧阿西大壩的羅賓斯TBM與具有旋轉(zhuǎn)刀盤的軟土盾構(gòu)類似，盡管與現(xiàn)代的TBM相比還顯得過于簡(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)展開來：1、刀盤：能夠切割巖石，并允許盾殼前進(jìn)的旋轉(zhuǎn)刀盤；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)。基于這兩個(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)械中使用的銑刀，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

5、個(gè)期間，加拿大多倫多市（Toronto）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

6、69.8m），這是當(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)室不得不開展了一個(gè)獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目來進(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，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

7、業(yè)帶來了雙贏。在他的努力下，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題地層。這些技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步離不開“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

8、緊貼巖壁，為前盾向前推進(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，銑刀、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)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

9、快速掘進(jìn)的觀點(diǎn)。安裝上連續(xù)出渣系統(tǒng)的TBM，于2012年11月開始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：l ·每日最大進(jìn)尺124.9m；l ·每周最大進(jìn)尺515.1m；l ·每月

10、最大進(jìn)尺1754m。掘進(jìn)結(jié)束后，有許多值得慶祝的事情，公民能源集團(tuán)的施工監(jiān)理Tim Shutters說，高產(chǎn)的主要原因有兩個(gè)：一是TBM的刀盤表現(xiàn)很好；二是地質(zhì)條件有利于快速破巖和掘進(jìn)。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

11、完成輸運(yùn)任務(wù)的。羅賓斯EPBM中使用的渣土輸送裝置 連續(xù)出渣系統(tǒng)在遇到急轉(zhuǎn)彎線路時(shí)，往往會(huì)遇到皮帶脫離托輥的問題?！霸诤线m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。如果皮帶張力過高，皮帶將在通過曲線時(shí)過早失效”。及早發(fā)現(xiàn)問題是傳運(yùn)輸統(tǒng)成功應(yīng)用的關(guān)鍵?！叭绻粋€(gè)關(guān)鍵部件損壞，最好是在最短的時(shí)間內(nèi)解決故障。”羅賓斯公司出渣系統(tǒng)部門副主席Workman說，“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)?！睂?duì)

12、于印第安納波利斯的工程，羅賓斯采用了其專利技術(shù)曲線輥，可自行調(diào)整系統(tǒng)負(fù)載。Workman認(rèn)為，未來，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?！?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，將有助于減少污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，開始另外兩條隧道的施工。懷特河隧道（White River Deep Tunne