硬巖隧道掘進機歷史

1、硬巖隧道掘進機的歷史1952年，詹姆斯羅賓斯(JamesS.Robbins)為美國南達科他州奧阿西大壩工程(OaheDanD研發(fā)了第一臺現(xiàn)代硬巖TBM第一臺用于切割巖石的TBM是威爾遜專利的石材切割機，它發(fā)明于1851年，用于馬薩諸塞州北亞當斯著名的胡薩克隧道(HoosacTunnel)東端。根據(jù)最初設計，這臺機器應在花崗巖內(nèi)切割出一個13in寬、26ft直徑的圓環(huán)，推進幾英尺后，施工人員撤回機器，并在圓環(huán)內(nèi)對巖石進行爆破。該臺機器由鑄鐵建造，采用蒸汽驅動，使用了與現(xiàn)代滾刀驚人相似的滾刀。事實上，這臺機器在硬巖中只掘進了10ft,很明顯，它既不夠堅硬，也沒有強大的動力，難以切割這種堅硬的巖石。

2、第二臺TBM也被用于胡薩克隧道的西端，該臺TBMg彳至10ft,錐形頭，可以在斷層中切割出一個圓形的缺口。最初的實驗表明，這臺TBM是很有希望的，但不幸的是，在這臺設備投入使用之前，使用這臺設備的承包商就已經(jīng)破產(chǎn)了，后來的承包商放棄了使用TBM法，采用傳統(tǒng)的分步法進行隧道開挖。這樣，早期的幾個掘進機實驗結束了，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50年代，許多成功的機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計修建南達科塔州奧阿西大壩隧道。他設計的TBM具有刀盤，使用了刮刀和盤型滾刀，用于開挖軟弱頁巖。其破巖原理是，刮刀在巖石上切槽

3、，滾刀切削巖石。像許多發(fā)明家一樣，杰姆斯羅賓斯對他的這個發(fā)明十分著迷，說服了多個工程業(yè)主和施工承包商支持他的實驗，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見，為隧道掘進機后續(xù)的發(fā)展搭建了舞臺?？傮w而言，這些發(fā)展圍繞如下幾個問題：破巖的最佳方法是什么？保持掌子面穩(wěn)定、TBMt進和姿態(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、出料的最佳方法是什么？TBM隧道成本預算最佳方法是什么？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用于奧阿西大壩的羅賓斯TBM與具有旋轉刀盤的軟土盾構類似，

4、盡管與現(xiàn)代的TBMf比還顯得過于簡單，但它引入了兩個基本概念，之后的TBM這也是基于這兩個概念發(fā)展開來：1、刀盤：能夠切割巖石，并允許盾殼前進的旋轉刀盤；2、護盾：在巖石中，護盾既能保護隧道內(nèi)施工人員和機械設備的安全，又有助于進行隧道支護。基于這兩個概念，發(fā)展出了現(xiàn)代的TBM關于破巖方式，早期的想法是使用類似油田鉆井和采礦機械中使用的銃刀，然而不久，技術創(chuàng)新和基礎研究則認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計理念，但在此之前，人類進行了多年的現(xiàn)場和實驗室研究，以完善滾刀破巖的方法。這個期間，加拿大多倫多市（Toronto）的一項工程對TBM的發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。最初，

5、該工程中使用的機器配置了固定刀具和滾刀，但通過現(xiàn)場觀察，施工人員發(fā)現(xiàn)當拆除固定刀具后，機器的推進速度并沒有降低。因此，人們發(fā)現(xiàn)滾刀在巖石中切槽的同時也能進行破巖。在此項目之前，TBM的推進和轉向均通過一個僵硬的鋼框架，這使得操控TBM姿態(tài)十分困難。在塔斯馬尼亞（Tasmania）,羅賓斯采用了一個浮動撐靴組件，大大提高了掘進效率。此外，這臺TBM還采用了高性能的金屬刀具軸承。該項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行破巖。由于這些創(chuàng)新，塔斯馬尼亞工程中TBM的掘進速度達到了每周229ft（約69.8m）,這是當時鉆爆法最高掘進速度的兩倍。顯然，隧道行業(yè)找到了一條新的道路，可以

6、更加經(jīng)濟高效地開挖硬巖隧道。20世紀80年代，挪威某項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)大學實驗室（CSM開始著手研究TBM和巖石的特征及參數(shù)對TBM掘進速度的影響。由于當時大量的工程數(shù)據(jù)是保密的，實驗室不得不開展了一個獨立的實驗項目來進行研究。就在此時，七十年代中后期，一個名叫勒約茨德米爾（Leventozdemir）的年輕研究生應邀加入了一個關于巖石切削研究的國家自然科學基金項目，后來，并在CSMK驗室教學30年。事實證明，勒約茨德米爾為他自己以及隧道行業(yè)帶來了雙贏。在他的努力下，CS喊驗室針對不同的刀具、軸承、推力、扭矩及刀間距進行了全面的實驗測試，研究提高TBM

7、I生能和成本估算的最佳方法。從那時起，預測模型的概念誕生了，并普遍應用于當代的TBM隧道工程。隨著時間的推移，經(jīng)過眾多困難工程的考驗，TBM技術得到了巨大的進步，可以在各種不穩(wěn)定地質中掘進，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。這些技術的發(fā)展和進步離不開“雙護盾TBM的研制。1972年，羅賓斯公司為意大利南部的一個水電項目研發(fā)了第一臺雙護盾TBM該項目的地質由完整的花崗巖和破碎的花崗巖構成，因此需要二合一的雙護盾TBM在穩(wěn)定完整的巖層，TBM的后盾緊貼巖壁，為前盾向前推進提供必要的推力；在破碎的巖層，后盾被縮回，由臨時支護提供推力。這項工程作為一次現(xiàn)場試驗，標志著T

8、BM術的又一大進步。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（例如巖錨、墊圈等）也得到了發(fā)展。顯然，上文講述的只是TBMW發(fā)展概要，但事實足以證明，大推力和高扭矩的滾刀仍然是硬巖隧道工程中最經(jīng)濟最有效的破巖方法。TBM與皮帶輸送機一速度的組合世界上掘進速度最快的TBM之中，接近75%的TBM均采用皮帶連續(xù)出渣系統(tǒng)。最近，美國印第安納州一臺由羅賓斯公司制造的直徑6.2m的TBM完成了一段長2.8km的隧道延長線(原隧道長12.5km),再次證明了這種組合能夠快速掘進的觀點。安裝上連續(xù)出渣系統(tǒng)的TBM，于2012年11月開始12.5km長的深石隧道項目工程(DeepRockTun

9、nelConnector),并且提前計劃一年貫通隧道。項目業(yè)主公民能源集團(CitizensEnergyGroup)讓SK聯(lián)營體公司(Shea/Kiewit)作為施工方來完成該項目額外2.8km長的鷹溪隧道(EagleCreek)。進行曲線運輸?shù)倪B續(xù)出渣系統(tǒng)TBM從一深76m的工作井始發(fā)，掘進通過石灰?guī)r和白云巖地層，實現(xiàn)直徑67m級別TBM的世界紀錄，包括：每日最大進尺124.9m;每周最大進尺515.1m；每月最大進尺1754m。掘進結束后，有許多值得慶祝的事情，公民能源集團的施工監(jiān)理TimShutters說，高產(chǎn)的主要原因有兩個：一是TBM的刀盤表現(xiàn)很好；二是地質條件有利于快速破巖和掘進。

10、垂直皮帶輸送機將渣土從工作井輸送至地面創(chuàng)造紀錄的另一關鍵是使用了連續(xù)出渣系統(tǒng)。該套設備可以進行25km長距離的連續(xù)運輸，中途可以進行水平與垂直方向運輸，還可以進行S曲線和直角曲線的變向運輸。羅賓斯在報告中指出，連續(xù)出渣系統(tǒng)作為長距離硬巖隧道TBM的標配，也越來越多地應用于EPBM。雖然由于運輸線路的多變會給出渣質量帶來諸多的影響，但是如果提前進行處理(例如：運輸帶連接點進行密封處理)，連續(xù)出渣系統(tǒng)還是可以出色的完成輸運任務的。羅賓斯EPBM中使用的渣土輸送裝置連續(xù)出渣系統(tǒng)在遇到急轉彎線路時，往往會遇到皮帶脫離托輻的問題。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

11、果皮帶張力過高，皮帶將在通過曲線時過早失效及早發(fā)現(xiàn)問題是傳運輸統(tǒng)成功應用的關鍵。如果一個關鍵部件損壞，最好是在最短的時間內(nèi)解決故障?！绷_賓斯公司出渣系統(tǒng)部門副主席Workman說，否則，更換皮帶需要花費很長的時間。為了能夠及早地發(fā)現(xiàn)故障，電氣監(jiān)控系統(tǒng)與警報系統(tǒng)已經(jīng)成為標配，用于監(jiān)測電氣馬達和齒輪箱的溫度和振動情況、驅動電機扭矩、以及其它異常信息。如有某項檢測數(shù)據(jù)超出預警值，系統(tǒng)將進行相應的警報。”對于印第安納波利斯的工程，羅賓斯采用了其專利技術一曲線輻，可自行調整系統(tǒng)負載。Workman認為，未來，將會發(fā)展出更先進的電氣控制系統(tǒng)及其元氣件，進一步增大皮帶運輸機的運輸距離和運輸速度。在印第安納波利斯工程中，項目經(jīng)理介紹：對于我們創(chuàng)造的世界紀錄，我感到很自豪。我們幾乎提前計劃一年完成了第一個12.5km的任務，對于延長線項目的時間，我們?nèi)阅茉诤贤〞r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世界紀錄保持者使用的都是皮帶運輸機該隧道工程竣工后，將有助于減少?水排放量并保持懷特河(WhiteRiver)流域的清潔。鷹溪隧道一旦完工，項目將進入下一階段，開始另外兩條隧道的施工。懷特河隧道(WhiteRiverDeepTunne