盾構及TBM的應用概述（PPT92）

石家家莊莊鐵鐵道道大大學學2022年年10月月27日日郭京京波波盾構構/TBM及應應用用第一一部部分分盾構構第二二部部分分全斷斷面面巖巖石石掘掘進進機機（（TBM）第三三部部分分TBM/盾構構技技術術發(fā)發(fā)展展與與展展望望第一一部部分分盾構構技技術術一、、概概述述二、、盾盾構構基基本本概概念念三、、盾盾構構基基本本結結構構高鐵鐵發(fā)發(fā)展展迅迅速速“十十一一五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：2.42萬億億元元；；“十十二二五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：3.5萬億億元元；；“十十三三五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：3.5萬億億元元；；到2020年，，中中國國以以高高鐵鐵為為骨骨架架的的快快速速客客運運網(wǎng)網(wǎng)，，運運營營里里程程到到5萬公公里里以以上上，，基基本本覆覆蓋蓋80%的50萬以以上上人人口口的的城城市市。。一、、概概述述軌道道交交通通發(fā)發(fā)展展迅迅速速已有有43個城城市市獲獲批批修修建建軌軌道道交交通通。。2014年新新增增42條新新線線，，858公里里，，566個車車站站，，投投資資5380.29億元元；；此此外外，，2014年續(xù)續(xù)建建88條，，2136KM，1383座車車站站，，投投資資12735億元元；；全全國國在在建建100條地地鐵鐵線線，，里里程程超超過過3000公里里。。到2020年，，50個城城市市有有地地鐵鐵，，軌軌道道交交通通里里程程6000公里里，，投投資資4萬億億元元。。采用用全全斷斷面面隧隧道道掘掘進進機機修修建建隧隧道道是是發(fā)發(fā)展展方方向向一、、概概述述二、、盾盾構構基基本本概概念念全斷斷面面隧隧道道掘掘進進機機采采用用了了類類似似機機器器人人的的技技術術，，是是集集機機、、電電、、液液、、光光、、氣氣、、水水、、信信息息于于一一體體的的隧隧道道施施工工成成套套專專用用設設備備。。具具有有自自動動化化程程度度高高、、對對交交通通和和周周圍圍地地層層影影響響小小、、有有利利于于環(huán)環(huán)境境保保護護的的優(yōu)優(yōu)點點。。隧道道掘掘進進機機的的地地質(zhì)質(zhì)針針對對性性非非常常強強，，一一般般來來說說，，用用于于巖巖石石地地層層的的隧隧道道掘掘進進機機稱稱為為TBM，用用于于軟軟土土地地層層的的隧隧道道掘掘進進機機稱稱為為盾盾構構。。1掘進進機機分分類類2盾構構與與TBM的區(qū)區(qū)別別TBM是“TunnelBoringMachine”的英英文文縮縮寫寫，，一一般般指指全全斷斷面面硬硬巖巖隧隧道道掘掘進進機機，，通通常常定定義義中中的的TBM是以以巖巖石石地地層層為為掘掘進進對對象象，，不不具具備備泥泥水水壓壓、、土土壓壓等等維維護護掌掌子子面面穩(wěn)穩(wěn)定定的的功功能能。。盾構構施施工工主主要要由由穩(wěn)定定開開挖挖面面、、掘掘進進及及排排土土、、管管片片襯襯砌砌及及壁壁后后注注漿漿三大大要要素素組組成成。。其其中中開開挖挖面面的的穩(wěn)穩(wěn)定定方方法法是是其其工工作作原原理理的的主主要要方方面面，，也也是是盾盾構構區(qū)區(qū)別別于于TBM及比比TBM復雜雜的的主主要要方方面面。。盾構構，，用用于于軟軟土土隧隧道道暗暗挖挖施施工工，，具具有有金金屬屬外外殼殼，，殼殼內(nèi)內(nèi)裝裝有有整整機機及及輔輔助助設設備備，，在在其其掩掩護護下下進進行行土土體體開開挖挖、、土土碴碴排排運運、、整整機機推推進進和和管管片片安安裝裝等等作作業(yè)業(yè)，，而而使使隧隧道道一一次次成成形形的的機機械械。二、盾盾構構基基本本概概念念3盾構構組組成成及及原原理理盾構機后配套設備管片襯砌輔助助設設施施二、、盾盾構構基基本本概概念念土壓壓平平衡衡盾盾構構（（EPB）施施工工原原理理圖圖二、、盾盾構構基基本本概概念念泥水水平平衡衡盾盾構構施工工原原理理圖圖二、、盾盾構構基基本本概概念念TBM全斷斷面面隧隧道道掘掘進進機機二、、盾盾構構基基本本概概念念二、、盾盾構構基基本本概概念念4盾構構施施工工特特點點盾構構施施工工具具有有以以下下優(yōu)優(yōu)點點：：（1）對對環(huán)環(huán)境境影影響響小?。?）施施工工進進度度快快（3）適適應應地地層層范范圍圍廣廣（4）施施工工質(zhì)質(zhì)量量容容易易保保證證（5）自自動動化化程程度度高高，，勞勞動動強強度度低低（6）施施工工作作業(yè)業(yè)安安全全、、整整潔潔（7）技技術術成成熟熟，，應應用用廣廣泛泛（8）工工程程造造價價優(yōu)優(yōu)勢勢較較明明顯顯二、盾構基本本概念5盾構機分類盾構按開挖面面與作業(yè)室之之間隔板構造造可分為全敞敞開式、半敞敞開式及閉胸胸式三種。具具體劃分見下下圖。手掘式半機械式機械式全敞開式半敞開式擠壓式泥水式土壓式閉胸式盾構土壓平衡式加泥式土壓平衡式二、盾構基本本概念通過土壓作作用于開挖挖面以平衡衡開挖面的的水土壓力力。通過螺旋輸輸送機排放放渣土。土壓平衡、、土介質(zhì)和和設備的要要求土壓平衡盾盾構機二、盾構基基本概念二、盾構基本本概念2泥水平衡盾盾構機通過泥膜的的張力保持持水壓力，，以平衡作作用于開挖挖面的土壓壓力和水壓壓力。開挖的渣土土以泥漿形形式輸送到到地面，經(jīng)經(jīng)過分離再再循環(huán)至開開挖面。二、盾構基基本概念2泥水平衡盾盾構泥水平衡盾盾構通過配配置不同的的刀盤類型型，可以兼兼顧軟土地地層和復合合地層隧道道施工，主主要應用在在富水地層層、透水系系數(shù)高的砂砂、卵石層層等。二、盾構基基本概念2、泥水平衡衡盾構二、盾構基基本概念◆泥水盾構有有兩種體系系。泥水盾構根根據(jù)泥水倉倉構造形式式和對泥漿漿壓力的控控制方式的的不同，泥泥水盾構分分為:直接控制型型間間接控制型型2、泥水平衡衡盾構二、盾構基本本概念整體結構盾體三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構刀盤三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構刀盤及驅(qū)動動系統(tǒng)三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構主驅(qū)動-馬達三、盾構基基本結構主軸承承三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構推進和拼裝裝系統(tǒng)三、盾構基基本結構拼裝機三、盾構基基本結構橋架(連接盾體和和后配套系系統(tǒng))三、盾構基基本結構橋架(連接盾體和和后配套系系統(tǒng))三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構后配套系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構基基本結構遙控器三、盾構基基本結構潤滑、密封封及注漿三、盾構基基本結構盾尾三、盾構基基本結構注漿系統(tǒng)三、盾構基基本結構水路系統(tǒng)三、盾構基基本結構液壓系統(tǒng)三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構三、盾構基基本結構第二部分全斷面巖石石掘進機（（TBM）一、TBM概述二、TBM分類三、TBM系統(tǒng)構成四、TBM工作原理目錄一、TBM概述隧道掘進機機（TBM）是一種集集掘進、出出碴、支護護和通風防防塵等多功功能為一體體的大型高高效隧道施施工機械。。由于采用用非爆破開開挖方法，，與傳統(tǒng)的的鉆爆法相相比，具有有以下明顯顯特點：1TBM的優(yōu)點①作業(yè)連續(xù)，，施工效率率高。它可可進行掘進進、出碴、、支護一條條龍，在中中硬巖條件件下，施工工速度為鉆鉆爆法的3～5倍。②開挖輪廓廓園順，超超挖量少，，減少支護護工作量，，降低工程程費用。③對圍巖擾擾動少，避避免因爆破破振動可能能引起的圍圍巖松動坍坍塌，施工工安全性好好。④使用勞力力少，勞動動強度低，，作業(yè)環(huán)境境好，有利利維護作業(yè)業(yè)人員的健健康。一、TBM概述2TBM施工法與鉆鉆爆法的比比較鉆爆法和TBM法是當今國國內(nèi)外隧道道工程的兩兩種主要施施工方法。。TBM在速度、環(huán)保保、安全和和效益方面的優(yōu)勢勢越來越明明顯，對地地質(zhì)條件的的適應能力力不斷增強強，造價降降低，在長長大隧道施施工中的應應用越來越越多。一、TBM概述秦嶺隧道TBM(德國Wirth公司生產(chǎn)））TB880E型TBM法施工的隧隧道二、TBM分類根據(jù)不同參參照標準有有不同的分分類方法：：1．按一次開開挖斷面占占全部斷面面的份額分分：全斷面面、部分斷斷面。2．按開挖斷斷面的形狀狀分：圓形形斷面、非非圓形斷面面。3．按開挖斷斷面的大小小分：大、、中、小。。4．按成洞開開挖次數(shù)分分：一次成成洞、先導導后擴。5．按開挖的的洞線分：：平洞、斜斜洞、豎井井。6．按開挖隧隧洞掌子而而是含需要要壓力穩(wěn)定定分：常壓壓、增壓。。7．按掘進機機頭部形狀狀：刀盤式式、背架式式。8．按掘進機機是否帶有有盾殼分：：敞開式、、護盾式。。9．按掘進機機盾殼數(shù)量量分：單護護盾、雙護護盾。10．按掘進機機機體與推推進機構是是聯(lián)合一體體還是分成成二體分：：整機式、、分體式。。二、TBM分類常見TBM分類全斷面隧道道掘進機（（TBM）包含巖石石掘進機、、盾構和穿穿江掘進機機。TBM由主機和后后配套系統(tǒng)統(tǒng)組成，一一般又分為為敞開式TBM和護盾式TBM兩大類型，，護盾式TBM又有雙護盾TBM和單護盾TBM之分；敞開式TBM目前主要有有兩種結構構形式，即即前后共有有兩組“X”支撐的凱氏TBM（含有內(nèi)凱凱機架InnerKelly和外凱機架架OuterKelly），另一種種為單支撐撐主大梁式TBM。二、TBM分類支撐式(敞開式)TBM二、TBM分類敞開式TBM敞開式TBM則只設有較短的刀盤盤護盾，在其主機機和后配套套上安裝有有支護設備備，隨著TBM的向前掘進進，一般可可以同時進行安安裝錨桿、、掛網(wǎng)和噴噴射混凝土土等支護作作業(yè)。敞開式TBM刀盤推力和和扭矩通過過機架或主主梁傳遞到到支撐系統(tǒng)統(tǒng)，支撐系系統(tǒng)徑向作作用于巖壁壁上承受推推力和扭矩矩。二、TBM分類護盾式TBM在整機外圍圍設置與機機器直徑相相一致的圓圓筒形護盾盾結構，可可分為單護護盾、雙護護盾(伸縮式)和三護盾三三類二、TBM分類雙護盾式掘掘進機二、TBM分類（1）主機系統(tǒng)統(tǒng)1TBM主機刀盤刀盤護盾刀盤支承和和主軸承刀盤驅(qū)動主梁推進系統(tǒng)支撐系統(tǒng)液壓系統(tǒng)電氣控制系系統(tǒng)三、TBM的系統(tǒng)構成成刀盤三、TBM的系統(tǒng)構成成刀盤布置三、TBM的系統(tǒng)構成成盤形滾刀三、TBM的系統(tǒng)構成成盤形滾刀三、TBM系統(tǒng)構成廢舊刀具三、TBM系統(tǒng)構成撐靴三、TBM系統(tǒng)構成2TBM后配套系統(tǒng)統(tǒng)后配套系統(tǒng)統(tǒng)由鋼結構構件主機連連接橋和若若干平臺車車組成，其其上有供水水、供電、、通風、支支護、出渣渣等作業(yè)所所需設備、、設施和作作業(yè)空間。。包括：液壓壓動力裝置置、電氣開開關裝置、、變壓器、、主斷路開開關、電纜纜卷筒、應應急發(fā)電機機、除塵器器、通風管管道、控制制室、拌漿漿裝置、材材料轉(zhuǎn)運吊吊機、皮帶帶輸送機系系統(tǒng)、集裝裝箱式修理理間、人員員休息室及及廁所、噴噴混系統(tǒng)、、錨桿系統(tǒng)統(tǒng)、供水系系統(tǒng)等。三、TBM系統(tǒng)構成后配套臺車車三、TBM的系統(tǒng)構成成后配套臺車車三、TBM的系統(tǒng)構成成四、TBM工作原理主機前部是是裝有若干干滾刀的刀刀盤，由刀刀盤驅(qū)動系系統(tǒng)驅(qū)動刀刀盤旋轉(zhuǎn)，，并由TBM推進系統(tǒng)給給刀盤提供供推進力，，在推進力力的作用下下滾刀切入入掌子面巖巖石，不同同部位的滾滾刀在掌子子面上留下下不同半徑徑的同心圓圓切槽軌跡跡，在滾刀刀的擠壓下下，相鄰切切槽的巖石石在剪切力力作用下從從巖體上剝剝落下來形形成石碴，，石碴則隨隨著刀盤的的旋轉(zhuǎn)由刀刀盤上的鏟鏟碴斗自動動拾起，經(jīng)經(jīng)刀盤內(nèi)的的溜碴槽輸輸送到裝在在主機上的的皮帶機上上，再運到到后配套系系統(tǒng)處經(jīng)隧隧道出碴運運輸系統(tǒng)運運出洞外。。四、TBM工作原理刀盤與施工工面四、TBM工作原理1TBM破巖機理四、TBM工作原理2TBM破巖軌跡四、TBM工作原理3工作循環(huán)四、TBM工作原理4TBM的基本功能能（1）掘進功能能掘進功能分分為破碎掌掌子面巖石石的功能和和不斷推進進掘進機前前進的功能能。為此掘掘進機必須須配置合適適的破巖刀刀具并給予予足夠的破破巖力，即即椎力和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動刀盤變變換刀具破破巖位置的的回轉(zhuǎn)力矩矩，還必須須配置合適適的支撐機機構將破巖巖用的椎力力和刀盤回回轉(zhuǎn)力矩傳傳遞給洞壁壁，同時推推進和支撐撐機構還應應具有步進進作用以實實現(xiàn)掘進機機前進的功功能。四、TBM工作原理刀具、刀盤盤、刀盤驅(qū)驅(qū)動機構、、推進機構構、支撐機機構是實現(xiàn)現(xiàn)掘進功能能的基本機機構。掘進推力大大于巖石破破碎所需的的力、刀盤盤回轉(zhuǎn)力矩矩大于在推推力下全部部刀具的回回轉(zhuǎn)阻力矩矩、支撐力力產(chǎn)生的比比壓小于被被支撐物的的許用比壓壓、整機接接地比壓小小于洞底許許用比壓是是實現(xiàn)掘進進功能的基基本力學條條件。四、TBM工作原理4TBM的基本功能能2出碴功能出碴功能細細分為導碴、鏟碴、溜碴、運碴。掌子面上被被破碎的巖巖石受重力力的作用順順掌子面會會下落到洞洞底，在刀刀盤上設置置耐磨的導導碴條，既既可增加刀刀盤的耐磨磨性，又可可將巖碴導導向鏟斗，，這就是導導碴。刀盤四周設設置有足夠夠數(shù)量的鏟鏟斗，鏟斗斗口緣配置置鏟齒或耐耐磨鏟板，，將每轉(zhuǎn)落落人洞底的的巖碴鏟入入鏟斗，這這就是鏟碴碴。隨著刀盤的的回轉(zhuǎn)鏟斗斗將巖碴運運至掘進機機的上方，，超過巖碴碴堆積的安安息角時，，巖碴靠自自重下落，，通過溜碴碴槽溜入運運碴膠帶機機，這就是是溜碴。最后膠帶輸輸送機將巖巖碴向機后后運出。掘掘進機具有有破、導、、鏟、溜、、運一氣呵呵成連續(xù)進進行的特點點。導碴條條、鏟斗、、溜碴槽、、膠帶輸送送機是出碴碴的基本裝裝置。四、、TBM工作作原原理理TBM出碴碴方方式式有軌軌出出碴碴系系統(tǒng)統(tǒng)（（礦礦車車））無軌軌出出碴碴系系統(tǒng)統(tǒng)（（連連續(xù)續(xù)皮皮帶帶機機出出碴碴））四、、TBM工作作原原理理有軌軌運運輸輸系系統(tǒng)統(tǒng)四、、TBM工作作原原理理翻碴碴機機四、、TBM工作作原原