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1、中南大学 杨忠炯第二章第二章 典型工程机械典型工程机械第四节第四节 地下工程非开挖技术与装备地下工程非开挖技术与装备4 4、隧道掘进机、隧道掘进机( (TBM) )施工施工主讲内容：主讲内容：施工流程施工流程施工技术要求施工技术要求施工要点施工要点中南大学 杨忠炯1 1 隧道掘进机法基本概念隧道掘进机法基本概念（一）、（一）、TBMTBM发展历史简介发展历史简介u隧道掘进机隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )是一种用机械破碎是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构盾构技术发展而来的。技术发展而来的。u
2、1818年英国年英国布鲁诺布鲁诺(Brunel)受受蛀虫钻孔蛀虫钻孔启示，最早提出盾启示，最早提出盾构雏形与施工方法。构雏形与施工方法。u1846年意大利人年意大利人Maus发明隧道掘进机发明隧道掘进机( (盾构盾构) )。u1851年美国人年美国人查理士查理士威尔逊威尔逊研制出研制出TBM试用于花岗岩掘试用于花岗岩掘进未获成功。进未获成功。u1881年年波蒙特波蒙特开发出压缩空气式开发出压缩空气式TBM，成功用于，成功用于英吉利英吉利海峡隧道海峡隧道直径直径2.1m的勘探导坑。的勘探导坑。u美国美国罗宾斯罗宾斯(Robbins)公司公司1952年研制出第一台年研制出第一台软岩软岩TBM，19
3、56年又成功研制年又成功研制中硬岩中硬岩TBM。中南大学 杨忠炯 美 国：罗宾斯(obbins)公司(已归属阿特拉斯公司) 佳瓦(Jarva)公司 德 国：维尔特(Wirth)公司 德德 国国: : 德马克德马克(Dcmag(Dcmag) )公司公司 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)公司中南大学 杨忠炯（三）、（三）、TBM分类分类u开敞式开敞式TBM：配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设：配置钢拱架安装器与
4、喷锚等辅助设备。常用于硬岩，采取有效支护手段后也可应用备。常用于硬岩，采取有效支护手段后也可应用于软岩隧道。于软岩隧道。 u双护盾双护盾TBM：适用于各种地质，既能适应软岩，：适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层也能适应硬岩或软硬岩交互地层。u单护盾单护盾TBM：常用于劣质地层。单护盾：常用于劣质地层。单护盾TBM推进推进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双护时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双护盾盾TBM相比，掘进与安装管片不能同时进行。相比，掘进与安装管片不能同时进行。u微型微型TBM：0.253.00mu中型中型TBM： 3.08.0mu巨型巨型TBM： 大
5、于大于8.0m中南大学 杨忠炯隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式 掘进机的类型掘进机的类型中南大学 杨忠炯全断面掘进机全断面掘进机 适合于软岩隧道； 顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。 适合于硬岩隧道； 顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面提供；(1) 开敞式掘进机(2) 护盾式掘进机中南大学 杨忠炯开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机中南大学 杨忠炯第10章 隧道掘进机开挖技术中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机型型 号：号：TB880E开开 挖挖 直直 径：径：8.8米米掘掘 进进 速速 度：度：3.5m
6、/h西康铁路秦岭隧道西康铁路秦岭隧道西安西安-南京线磨沟岭隧道南京线磨沟岭隧道 最高月进度：最高月进度：574米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道） 最高日进度：最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道）中南大学 杨忠炯开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机中南大学 杨忠炯开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机中南大学 杨忠炯开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机中南大学 杨忠炯Single Shield TBM 护盾；护盾；液压推进油缸；液压推进油缸；管片；管片；刀盘；刀盘；装渣斗；装渣斗；皮带输送机皮带输送机中南大学 杨忠炯Double Shield TBM 可伸缩护盾；可伸缩护盾；刀盘；刀盘；活动支撑
7、鞋；活动支撑鞋；辅助推进油缸；辅助推进油缸；管片管片中南大学 杨忠炯Gripper TBM支撑鞋；支撑鞋；钢支架举升器；钢支架举升器；锚杆安装机构；锚杆安装机构；钢筋网举升器钢筋网举升器中南大学 杨忠炯（四）、（四）、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式破岩方式主要有：挤压式与切削式1.挤压式挤压式主要是通过主要是通过水平推进油缸水平推进油缸使使刀盘刀盘上的上的滚刀滚刀强行强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压挤压与剪切作用与剪切作用破碎岩体。破碎岩体。滚刀类型：滚刀类型：圆盘型圆盘型、楔齿形楔齿形、球齿型球齿型2.切
8、削式切削式主要利用岩石抗弯、抗剪强度低主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度仅为抗压强度的的510%)的特点，靠铣削的特点，靠铣削(即剪切即剪切)与弯断破碎与弯断破碎岩体。岩体。在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件中南大学 杨忠炯（四）、（四）、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理(续续)3.圆盘型圆盘型滚刀破岩原理滚刀破岩原理圆盘型滚刀圆盘型滚刀(图图a)工作压力工作压力50200kN，岩
9、体表面在刀圈，岩体表面在刀圈刀尖强刀尖强集中力集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑作用下破碎而被切人，并形成切入坑(见见图图b)。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石破碎沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而受滚刀侧刃挤压力的作用而剪剪切破碎切破碎。当切入深度。当切入深度h较大时，剪裂面为较大时，剪裂面为O1O2(图图c)。中南大学 杨忠炯（四）、（四）、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理(续续)4.楔齿型楔齿型与与球齿型球齿型滚刀破岩原理滚刀破岩原理最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩最初由楔齿尖端在滚刀转
10、动情况下产生切向张力破坏岩石的表面，切人深度为石的表面，切人深度为。然后由齿尖的楔入力继续引。然后由齿尖的楔入力继续引起剪切破坏，楔入深度为起剪切破坏，楔入深度为h。由于各齿环的齿节是不同。由于各齿环的齿节是不同的，因此加大了楔齿的破岩效果。球齿型滚刀的破岩原的，因此加大了楔齿的破岩效果。球齿型滚刀的破岩原理与楔齿型滚刀相同，适用于硬岩掘进。理与楔齿型滚刀相同，适用于硬岩掘进。中南大学 杨忠炯（四）、（四）、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理(续续)5.削刀削刀破岩原理破岩原理削刀在挤压力削刀在挤压力Pv和切割力和切割力PH作用下，首先在刀尖处形成作用下，首先在刀尖处形成切碎区切碎区2，随着刀
11、具的回转运动形成剪力破碎区，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。削刀。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，两槽之间的岩石继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，两槽之间的岩石在削刀侧向挤压力在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。的作用下而剪切破坏。中南大学 杨忠炯（五）、单护盾（五）、单护盾TBM与盾构的与盾构的区别区别前者采用皮带机出碴而盾构则采用螺旋输送机或前者采用皮带机出碴而盾构则采用螺旋输送机或泥浆泵通过管道出碴；前者不具备平衡掌子面的泥浆泵通过管道出碴；前者不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面水土压力。面水土压力。（六）
12、、（六）、TBM选用选用 整条隧道地质情况均差时采用整条隧道地质情况均差时采用单护盾单护盾TBM； 良好地质条件中则采用良好地质条件中则采用开敞式开敞式TBM； 双护盾双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有较好适应性。较好适应性。 中南大学 杨忠炯七、国内外应用概况七、国内外应用概况TBM施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，其应用实例甚少。
13、五六十年代随着机械工业与掘进机技其应用实例甚少。五六十年代随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高发展较快。迄今为止，世界上采用术水平的不断提高发展较快。迄今为止，世界上采用TBM施工的隧道超过施工的隧道超过1000座，总长度超过座，总长度超过4000km，以，以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。1.国外典型应用国外典型应用英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道由由2条外径条外径8.6m单线铁路隧道与单线铁路隧道与1条外径条外径5.6m辅助隧道辅助隧道组成。全长组成。全长48.5km，海底段长，海底段长37.5km，隧道最深处在，隧道最深处在海平面下海平面下1
14、00m，全部采用，全部采用TBM施工。英国侧施工。英国侧6台，岸边台，岸边段段3台海底段台海底段3台台(单向推进单向推进21.2km)。法国侧。法国侧5台，岸边台，岸边段段2台海底段台海底段3台。最深处需承受台。最深处需承受10atm水压力，平均月水压力，平均月进尺进尺1000m/月。月。隧道建成标志着隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平，也是融合英、施工技术的最高水平，也是融合英、美、法、德等国美、法、德等国TBM施工技术于一体的最高成就。施工技术于一体的最高成就。中南大学 杨忠炯2. 国内应用国内应用国内国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期，研发制造始于二十世纪六十年代中期，共生产
15、共生产10余台直径余台直径2.55.8m的的TBM，先后用于，先后用于下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺20300m，累计总掘进长度，累计总掘进长度12km。云南云南西洱河西洱河水电站引水隧道水电站引水隧道引滦入津引滦入津新王庄新王庄隧道陡河电站的引水隧道隧道陡河电站的引水隧道引大入秦引大入秦总干渠总干渠38号隧道号隧道北京北京落坡岭落坡岭水电工程水电工程贵州贵州猫跳河猫跳河水电站引水隧道水电站引水隧道福建福建龙门滩龙门滩引水隧道引水隧道江西江西萍乡萍乡、山西、山西怀仁怀仁、山西、山西古交古交、云南、云南羊场羊场煤矿煤矿中南大学 杨忠炯2.国内应用
16、国内应用(续续)甘肃甘肃引大入秦水磨沟引大入秦水磨沟输水隧道输水隧道5.54m；11649m；Robbins双护盾双护盾TBM；最高月进尺；最高月进尺1300.8m/月月引黄入晋引黄入晋总干总干6、7、8号与南干号与南干4、5、6、7号隧道号隧道Robbins双护盾双护盾TBM，总长，总长122km，最高月进尺，最高月进尺1637m/月，日掘进月，日掘进113m/日日辽宁大伙房引水工程辽宁大伙房引水工程全长全长85.32km，3台台8.0m开敞式开敞式新疆新疆大阪输水隧道工程大阪输水隧道工程全长全长30.68km，德国海瑞克双护，德国海瑞克双护盾盾TBM青海青海引大济湟引大济湟总干渠工程总干渠
17、工程德国德国Wirth双护盾双护盾TBM，5.93m，全长，全长19.94km西康铁路西康铁路秦岭秦岭线隧道线隧道掘进掘进5.621km，8.8m开敞式开敞式TBM西安南京铁路西安南京铁路桃花铺桃花铺1号隧道号隧道掘进掘进7.23km,机型同上机型同上西安南京铁路西安南京铁路磨沟岭隧道磨沟岭隧道掘进掘进6.11km,机型同上机型同上南疆铁路南疆铁路吐库二线中天山隧道吐库二线中天山隧道机型同上机型同上兰渝铁路西秦岭隧道兰渝铁路西秦岭隧道10.23mRobbins开敞式开敞式TBM重庆地铁一号线重庆地铁一号线2台台6.36m开敞式开敞式TBM中南大学 杨忠炯2 2 掘进机法施工流程掘进机法施工流程
18、一一 TBM施工主要流程施工主要流程施工准备全断面开挖与出渣外层管片式衬砌或初期支护TBM前推管片外灌浆或二次衬砌二二 Robbins开敞式开敞式TBM循环作业流程循环作业流程STEP 1:作业开始作业开始。主支撑前位撑紧洞壁，后支撑腿提起。刀盘转动，推进油缸伸出，TBM前部前移一个作业行程STEP 2:准备换步准备换步。刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重STEP 3:主支撑回缩主支撑回缩。推进油缸回缩将自由态主支撑前拉回位STEP 4:主支撑回位后伸出支撑鞋抵紧岩壁，后支撑提起，TBM定位找正，坡道上必要时先定坡度。STEP 5:返回第一步，TBM准备下一循环掘进。中南大学 杨忠炯中南大学 杨忠
19、炯三三TBM基本构造基本构造TBM由由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置机构及吸尘、通风装置等几部分组成。等几部分组成。1.破岩机构破岩机构滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转，切削与剪切破碎岩石。滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转，切削与剪切破碎岩石。2.推进机构推进机构主支撑鞋支撑鞋顶撑洞壁以支承和推进机身。副支撑鞋控制振动与方向。顶撑洞壁以支承和推进机身。副支撑鞋控制振动与方向。中南大学 杨忠炯三三 TBM基本构造基本构造(续续)3.出碴机构出碴机构破岩形成的片状石碴，由安装在刀盘上的铲碴斗铲起，破岩形成的片状石碴，由安
20、装在刀盘上的铲碴斗铲起，铲斗旋转到顶部卸入集料斗，经皮带机装车运出洞外。铲斗旋转到顶部卸入集料斗，经皮带机装车运出洞外。4.导向及调向机构导向及调向机构导向机构是用来指示和校核掘进机推进的方向，使其保导向机构是用来指示和校核掘进机推进的方向，使其保证符合设计的轴线和坡度的要求。证符合设计的轴线和坡度的要求。5.通风及吸尘装置通风及吸尘装置掘进机工作时将产生大量的掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘热量与粉尘。故对通风、降。故对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备吸尘设备和和喷水装喷水装置置，掘进时连续喷水降尘。，掘进时连续喷水降尘。机房内机房内专设通风
21、降温设备。专设通风降温设备。中南大学 杨忠炯第三节第三节 掘进机法施工技术要求掘进机法施工技术要求一一 基本原则基本原则TBM掘进断面大可达10m以上，小仅为1.8m。由于TBM与辅助施工技术日臻完善以及现代高科技成果(液压新技术、电子技术与材料科学技术等)的应用大大提高了TBM对各种困难条件的适应性，因此简单从开挖可能性来考虑TBM的适用范围是不全面的。1.判定依据判定依据隧道围岩的抗压强度、裂缝状态、涌水状态等岩性条件机械构造、TBM直径等机械条件；隧道断面、长度、位置状况、地址条件等。2.TBM工法选用流程工法选用流程(参见下页流程图)中南大学 杨忠炯 初步调查初步调查 地质构造分析地质
22、构造分析 地表调查地表调查弹性波速度弹性波速度阻抗试验阻抗试验钻孔调查钻孔调查开挖直径开挖直径刀具直径与数量刀具直径与数量马达刀具转速马达刀具转速后续设备等后续设备等循环、支护辅助循环、支护辅助工法、临时设计工法、临时设计 与钻爆法比较与钻爆法比较 线路决定线路决定 地质调查地质调查 当地条件当地条件 TBM规格决定规格决定 施工计划施工计划 经济分析经济分析 实施计划实施计划 变更线路变更线路 其他方法其他方法 NoYesTBM工法研究流程框图工法研究流程框图中南大学 杨忠炯二二 工程地质条件工程地质条件主要调查影响影响TBM使用的使用的地质条件。1.影响影响TBM选用选用的地质因素的地质因
23、素隧道地压。是否存在塑性地压？指标：围岩强度比(软岩)；围岩抗剪强度比(似砂土软岩)围岩强度比断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难涌水状态。涌水范围、大小与压力会造成工作面崩塌与承载力低下，应慎用。2挤出性挤出性膨胀性围岩膨胀性围岩2 4轻微挤出性轻微挤出性地压大的围岩地压大的围岩4 10地压大地压大有地压的围岩有地压的围岩10几乎无地压的围岩几乎无地压的围岩qh 中南大学 杨忠炯二二 工程地质条件工程地质条件(续续)2.影响影响TBM效率效率的地质因素的地质因素岩石强度。岩石强度。开挖难易一般用抗压强度来判定。刀具消耗应考虑岩石
24、中石英粒范围、大小与抗拉强度等判断。岩层裂隙。岩层裂隙。岩层节理、层理、片理对开挖效率影响极大。裂隙适度发育的岩层，即使抗压强度大也能进行较为有效的开挖。岩石硬度。岩石硬度。一般地，对于q100MPa的岩层，其石英含量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。破碎带等恶劣条件。破碎带等恶劣条件。在破碎带、风化带等难于自稳的困难条件下进行机械开挖，均需采取辅助施工方法配合施工。特别是在有涌水的条件下更为困难，拱顶崩塌、机体下沉、支承反力降低等问题时有发生。中南大学 杨忠炯二二 工程地质条件工程地质条件(续续)3.TBM适用范围适用范围一般只适用于圆形断面隧道，只有铣削滚筒式掘进机可在软岩中掘进非圆形断面隧道
25、。开挖隧道直径1.812m之间，以直径36m最为成熟。一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km，以38km最佳。适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20250MPa，尤以50100MPa最佳。地质条件对TBM掘进效率影响很大。在良好岩层中月进尺可达500600m，而在破碎岩层中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停机处理。选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。中南大学 杨忠炯三三机械条件机械条件uTBM不仅受地质条件地质条件约束，还受到开挖直径开挖直径、开挖机构开挖机构的约束。u在硬岩中开挖大直径隧道很是困难。日本实例的最大直径仅为5m左右。u目前TBM多数是单轴回转
26、式。若开挖直径越大，刀头内周与外周的周差速越大，将对刀头产生种种不良影响。u随着开挖直径的增大，需要增大推力，支撑靴也要增大，将导致运输困难与承载力问题。中南大学 杨忠炯四四开挖长度开挖长度uTBM进场需经历运输、组装等过程。根据其直径与型式、运输途径、组装基地状况等不同，需准备12个月。uTBM后续设备长100200m，为正规地进行掘进也需先筑一段长200m左右的隧道。u隧道长度小于1000m时，其运行成本急剧增大。达3000m左右时的成本大致是一定的。u国外在断面1030m2、长1000km以上的隧道开挖，优先考虑采用TBM施工。u最佳开挖长度为3000km以上，短隧道慎用。中南大学 杨忠
27、炯五五 工程所在地的道路设施工程所在地的道路设施uTBM的运输与组装要求注意工程所在地的基础设施条件。搬运计划应考虑道路宽度、高度与重量等限制，根据组装条件充分调查运输时的分割方法(即最小分割尺寸与重量)。uTBM一般在工厂试组装、试运输后分割。分割重量约为35t，断面3.53.5m左右。uTBM施工电耗较高，约为同规模其他工法施工的双车道隧道的1.5倍，规划时应充分考虑。六六 TBM选用应考虑的条件工程规模：工程规模：隧道形状、长度、直径、埋深、走向；地质情况：地质情况：岩石类型与强度、节理分布与发育程度、断层、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、河流等基础设施：基础设施：交通运输能力、水
28、电来源、进出洞口场地施工进度与企业能力施工进度与企业能力(制造维修、经济、施工管理与习惯)中南大学 杨忠炯第四节第四节 掘进机法施工要点掘进机法施工要点一一 TBM施工管理措施施工管理措施TBM工厂化施工是一项管理系统工程。施工与设备管理水平的提高是其高效率与高效益的保证。在一般地质条件下，国外掘进机净掘进时间在40 50左右。1.提高提高设备完好率设备完好率，强调，强调预防性维修预防性维修。2.选择合理选择合理掘进系数掘进系数，定时检查、更换与调换，定时检查、更换与调换刀具刀具3.配件配件储备与供应储备与供应4.定岗定责，标准化作业定岗定责，标准化作业5.地质超前预报地质超前预报6.控制测量
29、与施工控制测量与施工测量精度测量精度7.电力专供电力专供8.洞口平纵面条件、作业场地、大型临时工程等洞口平纵面条件、作业场地、大型临时工程等施工准备施工准备中南大学 杨忠炯二二 衬砌施工技术要点衬砌施工技术要点衬砌结构一般是由临时或初期支护以及二次衬砌组成。在隧道设计时，就应确定基本支护形式。引水隧道引水隧道大都采用护盾式TBM进行管片衬砌的结构形式；公、铁隧道公、铁隧道除进行临时支护外，一般视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模注混凝土作为永久衬砌。 1.管片式衬砌管片式衬砌护盾式TBM一般采用圆形全周管片式衬砌。该类衬砌适合于软弱围岩。管片间应安装止水条，并在管片外圆与洞壁间隙间压入豆石与注
30、浆。2.二次模筑混凝土衬砌二次模筑混凝土衬砌Fig. 3-12开敞式掘进机一般随开挖先施作临时支护，再进行二次模注混凝土衬砌。亦可采用二次喷射混凝土作为永久衬砌，加钢筋网或钢纤维。中南大学 杨忠炯三三 不良地质地段施工不良地质地段施工掘进机必须具备通过不良地质地段的能力，一般安装有辅助施工设备进行特殊功能作业。 1.地质超前钻机地质超前钻机安装在主机顶部、大刀盘后部的平台上，停机时超前钻探30m。兼具注浆与安装管棚功能。中南大学 杨忠炯三三 不良地质地段施工不良地质地段施工(续续)2.钢拱环安装器钢拱环安装器紧靠刀盘后部安装，钢拱环间距应与掘进机的行程距离一致或成倍数关系，在预制仰拱块上要留有
31、安放拱环的沟槽。3.锚杆钻机锚杆钻机前后两排共四台。可与TBM开挖平行作业。4.意外事故处理意外事故处理开挖面大规模坍方埋机；洞壁围岩变形卡机；突发涌水淹机；工作面挤出造成机体后移。处理方法是：将掘进机后退，人工到掌子面用不同方法进行加固处理，以便让掘进机步进通过。大块卵石层与溶洞群这类特殊地质情况下不宜用掘进机施工。膨胀性地层与瓦斯地层应采取相应安全措施。中南大学 杨忠炯四四 综合施工方法综合施工方法u隧道较长隧道较长时可一端采用钻爆法，另一端采用TBM施工。u隧道直径较大隧道直径较大时，可用一台TBM开挖导坑，而后用钻爆法扩挖成洞(一般用于公路、铁路隧道)。或采用一台扩孔式TBM扩挖成洞(
32、一般用于输水隧道等圆形隧道)。u大断面隧道大断面隧道掘进一般先用一台5m左右TBM开挖导洞，再扩挖到所需断面。也可用TBM开挖两个导洞再用钻爆法扩挖成洞。u先导后洞先导后洞的优点：可适时获取地质资料，便于制定相关计划；可节约35%左右的爆破费用；降低爆破对地层的扰动；减少通风量，降低安全风险。中南大学 杨忠炯双导洞双导洞+钻爆法钻爆法上导坑上导坑+ +钻爆法钻爆法加拿大某铁路隧道联合开挖形式加拿大某铁路隧道联合开挖形式 挪威卑尔根城郊公路隧道联合开挖形式挪威卑尔根城郊公路隧道联合开挖形式中南大学 杨忠炯引水隧道扩孔式引水隧道扩孔式TBM扩挖成洞扩挖成洞中南大学 杨忠炯五五 施工方法选择施工方法
33、选择总结现有工程实践，钻爆法与总结现有工程实践，钻爆法与TBM法施工的隧道洞径与法施工的隧道洞径与洞长和岩石抗压强度的关系如下图。洞长和岩石抗压强度的关系如下图。中南大学 杨忠炯TBM视频德国海瑞克德国海瑞克TBMTBM之一之一德国海瑞克德国海瑞克TBMTBM之二之二中南大学 杨忠炯 近年来，国外采用掘进机完成的大型隧道有： (1) 英法海底铁路隧道单洞长约50km，使用11台掘进机，工期 三年多时间； (2) 瑞士费尔艾那隧道长19km，其中约9.5km采用掘进机施工； (3) 瑞士穿越阿尔卑斯山新圣哥达铁路隧道长达57km； (4) 美国芝加哥TARP工程排水隧道大约40多km，全部采用
34、掘进机施工。中南大学 杨忠炯 (1) 1970年代末，甘肃引大入秦和山西万家寨引水工程采用掘进机获得成功(意大利CMC公司承包)。 (2) 1998.11999.8，西康铁路秦岭特长隧道引入德国Wirth公司TB880E型掘进机，进行长18.5km，直径8.8m的I线隧道施工，平均掘进速度为313.7/月。中南大学 杨忠炯nTBM在我国的应用中国-锦屏隧道总长18Km，排水洞采用7.2m 高性能开放式撑靴TBM；主洞采用12.43m高性能开放式撑靴TBM。山西引黄工程隧洞总长161.1km，其中共采用6台直径4.88m和5.96m双护盾TBM对8条隧洞进行施工，TBM施工隧洞总长121.8km
35、，采用六边形预制管片衬砌。双护盾TBM中南大学 杨忠炯桃花铺隧道：直径8.8米,长7.2公里磨沟岭隧道：直径8.8米，长6.1公里nTBM应用 2000年至2002年西安南京铁路磨沟岭隧道和桃花铺隧道施工，成功地使敞开式TBM在这两个长距离软弱围岩的隧道工程中掘进贯通，并分别创造了573m和551.8m的新的掘进记录。中南大学 杨忠炯nTBM应用云南那邦水电站TBM工程直径4.5m，长10km，岩石坚硬，我国最小直径开敞式TBM开挖兰渝铁路西秦岭隧道两座28.24km隧道，两台直10.2m开敞式TBM开挖0重庆地铁 双线隧洞，每条长11.122km，开挖直径6.36m，2台开敞式TBM施工，2
36、009年12月底开始掘进，岩石强度低，易掘进，但全部支立拱架，迄今最高月进尺580m。中南大学 杨忠炯nTBM应用新疆八十一达坂引水隧洞全长30.7km，直径6.79m，双护盾TBM开挖，、类软弱围岩占到96%，2006年2 月TBM掘进，2010年2月成功贯通，创造了最大月进尺1003m的好成绩。甘肃引洮工程隧洞开挖直径5.75m，长35km。、类围岩为主。1台单护盾、1台双护盾TBM开挖。创造月进尺1200多米记录。中南大学 杨忠炯 开挖直径范围为1.8-11.87m； 可在抗压强度360MPa的岩体中掘进80-100m2大断面隧道， 平均掘进速度350-400m/月； 能开挖45的斜井；
37、 盘形滚刀的最大直径达483mm，其承载能力达312kN；刀具 的寿命达300500m； 单台掘进机的最大总进尺已超过40km。中南大学 杨忠炯 我国目前急需超大直径盾构我国目前急需超大直径盾构与与TBM n随着我国城市道路交通网络、公路交通网络和高速公路交通网络建设需求的不断增加，跨海隧道、沿江通道、高速公路隧道等大、深、长方向发展的大型、特大型工程将大量建设。原来直径原来直径11米级的隧道已不能满足时速米级的隧道已不能满足时速80公公里以上的大流量跨区域快速公路隧道，则必须修建里以上的大流量跨区域快速公路隧道，则必须修建15米级、甚至更大直径的米级、甚至更大直径的隧道。隧道。n另外轨道交通
38、建设也从原来的中小直径尺寸为主逐渐向一次成型的双线大直径隧道方向发展。荷兰绿心隧道属高速铁路双线隧道荷兰绿心隧道属高速铁路双线隧道。中南大学 杨忠炯我国目前急需超大直径盾构我国目前急需超大直径盾构与与TBM 中南大学 杨忠炯硬岩全断面掘进装备（简称TBM）是集机、电、液、传感、信息技术于一体，实现岩土切削、出碴运输、衬砌支护和换步推进等掘进作业工厂化的重大技术装备。TBM是服役与国家重大隧道工程中的高技术含量和高附加值产品，是装备制造业创新体系的重要组成部分，反映了一个国家的综合国力和科技水平。我国已成为世界上隧道和地下工程最多、需要穿越的地质条件最复杂、工程需求发展最快的国家。按已经列入规划
39、的部分工程项目测算，我国十二五期间TBM的市场需求在200台以上，总价超过300亿元。按国际通用的1:16的带动作用估算，TBM 将带动相关产业近5000亿元。中国正处于需求带动的TBM 技术发展和对传统隧道掘进产业进行产业升级的重要战略机遇期。我国近2000年的历史发展形成了近700个城市，而在未来的10年内，即到2020年，我国城市数量将达到1400个左右，其中大城市176 个、中等城市490个、小城市730多个。与此密切关联的基础建设量急剧扩大，预计至2020年全国铁路营运里程将达12万公里；城市轨道交通总规模将超过4000公里；构成由中心城市向外放射的高速公路建设总规模约8.5万公里；
40、除了正在投资2000亿元以外，水利水电还将投资超过2万亿元（其中含全国十三大水电基地梯级电站引水隧道建设）。铁路、公路、水利和城市化基础建设对隧道掘进装备行业提出了巨大的市场需求。其中：铁路隧道在向大埋深、长距离、大直径方向发展。如：关角隧道，长32公里，西秦岭隧道长29公里。开工、即将开工的铁路隧道中，超过10公里长的隧道有65座，如兰渝铁路线路长800公里，其中隧道长度就占600公里，被称为地下铁路。十二五期间，已列入规划的铁路隧道需要大直径TBM40台以上。中南大学 杨忠炯n国内市场需求序号序号预计工程及隧道长度预计工程及隧道长度预计时间预计时间设备规格设备规格需求设备需求设备/台台1辽
41、西北应急供水工程287km2011年8m左右92吉林引松供水工程77km2011年8m左右33陕西引汉济渭工程39.29 km2011年8.26m24地铁隧道(重庆、宁波、青岛、大连)十二五期间8m以上暂按100计5南水北调西线一期TBM施工隧洞204.14km规划中8m以上356铁路隧道10km以上65座规划中8m左右40 7海峡隧道(琼州海峡隧道约20km)待定8.8m48地下工程(地下商场、停车库、共同沟、输气管道)待定待定59军工、人防、矿山等待定待定5总计 203中南大学 杨忠炯n国内外研究现状目前国内目前国内所有所有TBMTBM均从国外采购均从国外采购，国内厂家最多只作为分包方承担
42、部分加，国内厂家最多只作为分包方承担部分加工任务，工任务，没有涉及核心技术，关键技术匮乏没有涉及核心技术，关键技术匮乏。国外公司控制着核心技术和集成技术，使国外公司控制着核心技术和集成技术，使TBMTBM的价格居高不下，严重制约的价格居高不下，严重制约了了TBMTBM在我国隧道工程中的广泛应用和发展。在我国隧道工程中的广泛应用和发展。国外公司有技术有经验但是在国内工程和用户的适应性方面还需要进一国外公司有技术有经验但是在国内工程和用户的适应性方面还需要进一步研究。国内急需掌握各项关键技术并自主研发国产步研究。国内急需掌握各项关键技术并自主研发国产TBMTBM。中南大学 杨忠炯n极端地质情况下刀
43、盘系统失效主轴承密封损坏主轴承密封损坏驱动部件损坏驱动部件损坏开裂刀盘开裂刀盘 高硬度岩石，岩爆，大涌水，高地应力和高地震烈度等极端地质情况下造成刀盘振动过大，刀盘结构、密封和驱动部件的损坏，如何提高刀盘动力学性能和地质适应性。岩爆岩爆大涌水大涌水高地应力，高地震烈度高地应力，高地震烈度中南大学 杨忠炯刀具轴承损坏刀具轴承损坏刀具严重偏磨刀具严重偏磨刀圈崩裂刀圈崩裂n刀具与刮渣板非正常失效TBM地质情况复杂，同一掌子面岩层多变，如何正确选用穿透力更强的大尺地质情况复杂，同一掌子面岩层多变，如何正确选用穿透力更强的大尺寸滚刀，达到更加理想的掘进效果；寸滚刀，达到更加理想的掘进效果；地层岩石强度高
44、，特殊地段高达地层岩石强度高，特殊地段高达300MPa，滚刀振动强烈，磨损严重，如何，滚刀振动强烈，磨损严重，如何提高刀具的耐磨性及稳定性，进而保证刀具的长时间高效稳定掘进提高刀具的耐磨性及稳定性，进而保证刀具的长时间高效稳定掘进；刀具选型、布置不当或更换不及时导致滚刀被岩碴包裹，产生非正常磨损、刀具选型、布置不当或更换不及时导致滚刀被岩碴包裹，产生非正常磨损、热淬火、破岩能力降低等现象；热淬火、破岩能力降低等现象；刮渣板受到岩石的冲击作用发生损坏，考虑刮渣板的布置和构型设计，提高刮渣板受到岩石的冲击作用发生损坏，考虑刮渣板的布置和构型设计，提高刮渣板的耐冲击性能。刮渣板的耐冲击性能。中南大学
45、 杨忠炯98例TBM隧道工程事故主要因素所占比重（截至2005年）p目前目前TBM应用中存在的主要问题应用中存在的主要问题中南大学 杨忠炯进入新世纪，TBM的类型在不断增多，适用范围不断扩大，断面尺寸不断突破，适用的地质条件也更为复杂。TBM技术在降低对人的经验的依赖，提高TBM 掘进的安全性、可靠性和工效等方面呈现出很大的发展空间，这些要求对硬岩掘进装备的设计制造技术及相关基础科学研究提出了重大挑战：科学挑战一：科学挑战一： 揭示围岩扰动对掘进装备掘进性能（工作状态）的影响规揭示围岩扰动对掘进装备掘进性能（工作状态）的影响规律，建立突变重载下硬岩及大直径分体式刀盘系统设计理律，建立突变重载下
46、硬岩及大直径分体式刀盘系统设计理论，是实现大型全断面掘进装备在极端服役环境下稳定高论，是实现大型全断面掘进装备在极端服役环境下稳定高效作业所面临的基础科学挑战。效作业所面临的基础科学挑战。理由：TBM因为其工作环境面临高埋深、高应力、复杂地质的硬岩层，如何保证在上述严酷环境中高效、安全的掘进是TBM设计制造面临的最重要的科学挑战。 中南大学 杨忠炯科学挑战二：科学挑战二： 揭示硬岩掘进系统振动激励机制、振动传递规律和关揭示硬岩掘进系统振动激励机制、振动传递规律和关键构件振动损伤机理，提出掘进装备机电液耦合系统的动键构件振动损伤机理，提出掘进装备机电液耦合系统的动力学设计理论和有效振动与损伤抑制
47、方法，建立突变载荷力学设计理论和有效振动与损伤抑制方法，建立突变载荷及振动冲击环境下实现动力高效传递的掘进液压系统设计及振动冲击环境下实现动力高效传递的掘进液压系统设计理论，是硬岩掘进装备设备完整性和动力学稳定性面临的理论，是硬岩掘进装备设备完整性和动力学稳定性面临的科学挑战。科学挑战。理由：硬岩掘进装备工作过程中，其整机系统承受来自于掘进界面、外部环境、推进系统等共同作用形成的冲击-摩擦-振动耦合作用力场，同时受推进-支撑机构构型、撑靴拓扑结构以及围岩物性的影响，导致掘进系统整机和关键部件的非线性振动行为极为复杂，使振动损伤机理和振动抑制的深入研究十分困难，例如：机械传动系统关键部件异常磨损
48、/断裂、刀盘裂纹等振动损伤机理，主被动隔振、先进阻尼抑振方法等。因此，研究硬岩掘进系统非线性振动行为、振动损伤机理及有效振动抑制措施是硬岩掘进装备设计中面临的难题。中南大学 杨忠炯科学挑战三：科学挑战三： 研究掘进界面地质前探方法、高可靠高精度位姿测研究掘进界面地质前探方法、高可靠高精度位姿测量方法、关键功能部件工作状态感知方法，提出约束条量方法、关键功能部件工作状态感知方法，提出约束条件下掘进系统在线纠偏轨迹规划和高精度掘进自动纠偏件下掘进系统在线纠偏轨迹规划和高精度掘进自动纠偏控制方法，建立不确定扰动下掘进装备智能化控制理论，控制方法，建立不确定扰动下掘进装备智能化控制理论，是实现掘进装备
49、安全、可靠、精确、智能化作业的科学是实现掘进装备安全、可靠、精确、智能化作业的科学基础。基础。理由：掘进界面地质状况的复杂多变以及由此引起掘进载荷分布的随机变化，不但造成掘进装备掘进作业时偏离设计轴线，还会影响掘进装备的可靠性和掘进过程的安全性。 中南大学 杨忠炯盾构法和顶管法的主要异同点：盾构法和顶管法的主要异同点： （2）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）。）二者都要开挖工作基坑（工作井和接收井）。相同点：相同点：（1）二者都属于暗挖法施工大口径（）二者都属于暗挖法施工大口径（900）地下工程的主要施）地下工程的主要施工方法。工方法。（3）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相似
50、。）二者工作面的开挖方法，出、进洞施工技术基本相似。（4）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护）二者都要注意接缝防水处理、地表沉降控制、周边环境保护等问题，都要进行注压浆。等问题，都要进行注压浆。中南大学 杨忠炯不同点：不同点： （2）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶）盾构法施工的盾构千斤顶布置在盾构机的支撑环外沿，而顶管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中管法施工的主顶进装置布置在工作井内，如果顶力不足要加设中继间。继间。（1）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装，）盾构法的衬砌为管片，且每环管片要在盾构机的盾尾进行拼装