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1、地 下 建 筑 施 工Construction of underground engineering第第7 7章章 掘进机（掘进机（TBMTBM）施工技术）施工技术Chapter 7 Construction technology of Boring Chapter 7 Construction technology of Boring machine(TBM)machine(TBM)岩石隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）简称TBM。是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。通常是利用回转刀盘又借助推动装置的作用力从而使刀盘上的滚刀切割(或裂开)岩面，以达到
2、破岩开挖隧道(洞)的目的。掘进机构造：是由切削裂开装置、行走推动装置、出碴运输装置、驱动装置、机器方位调整机构、机架和机尾，以及液压、电气、润滑、除尘系统等组成。一、掘进机（TBM）法概述基本概念基本概念基本概念基本概念按岩石的裂开方式分类：分为挤压裂开与切削裂开两种，前者是将较大的推力赐予刀具，通过刀具的楔子作用将岩石挤压裂开；后者是利用旋转扭矩在刀具的切线方向及垂直方向上进行切削。按刀具旋转方式分类：分为单轴旋转式与多轴旋转式两种。掘进机的分类掘进机的分类掘进机的分类掘进机的分类按切削方式分类：分为全断面切削方式和部分断面切削方式两类。部分断面切削方式是挖掘煤炭用的机械在隧道挖掘施工上的应
3、用，全断面切削方式开挖的断面一般是圆形的。按开挖地层分类：土质隧道掘进机（盾构）和岩石隧道掘进机（TBM）掘进机的分类掘进机的分类掘进机的分类掘进机的分类TBM法的优点：掘进效率高：连续作业，能保证破岩、出碴、支护一条龙作业。特殊在稳定的围岩中长距离施工时，尤其明显。开挖施工质量好：超挖量少，内壁光滑，不存在凹凸现象，削减支护工程量，降低工程费用。TBMTBM法的优缺点法的优缺点法的优缺点法的优缺点对岩石的扰动小：改善开挖面的施工条件。四周岩层稳定性较好，保证了施工人员的健康和平安。施工平安：TBM可在防护棚内进行刀具的更换，密闭式操纵室和高性能的集尘机的接受，使平安性和作业环境有了较大的改善
4、。TBMTBM法的优缺点法的优缺点法的优缺点法的优缺点TBM法的缺点：适应性较差：对多变的地质条件(断层、裂开带、挤压带、涌水及坚硬岩石等)的适应性较差。近年来接受了盾构外壳疼惜型的掘进机，施工既可以在懦弱和多变的地层中掘进又能在中硬岩层中开挖施工。TBMTBM法的优缺点法的优缺点法的优缺点法的优缺点经济性问题：掘进机结构困难，对材料、零部件的耐久性要求高。制造的价格较高。难用于短隧道。开挖不同断面问题：施工途中不能变更开挖直径。断面的大小、形态变更难，在应用上受到确定的制约。TBMTBM法的优缺点法的优缺点法的优缺点法的优缺点大体上可分为以下开挖部、反力支撑部、推动部和排土部几个部分。1、开
5、挖部（1）开挖机制开挖岩层所运用的刀具，不是用于开挖懦弱土层的锯齿形刀具，而是所谓的滚刀（回转式刀具）。滚刀以确定的间距安设在刀盘上，掘进时，滚刀向岩层挤压，把岩层压碎，进行开挖。二、掘进机（TBM）的基本构成和性能TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成（2）滚刀滚刀是由回转的刀体和装备有刀具的刀头环构成。刀头环具有能够更换的结构。最新的刀头环接受了算盘状的刀圈，材质也改为镍铬钼合金钢系。掘进性能与刀具的性能亲密相关。在高速施工的条件下，开发长寿命，大型化的刀具是极为必要的。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成 滚刀的构造刀头开挖方
6、法的差异TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成（3）刀盘构造TBM与在软土中掘进的盾构不同，是以围岩的自稳为前提的。有各种各样的构造。但其最主要的是刀盘和支撑靴。1）球面和平面刀盘 如图示刀头轮廓TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成2）周边支持型和中心主轴型刀盘周边支持型刀盘：是由圆筒状的筒体和主机架构成，接受大口径轴承。后背部设有开口很大的周边支持结构。开挖石碴由设在刀盘前面和外周面的缝隙处理。施工时，通过把主机架作为料斗提升，将石碴送到排土装置中。中心主轴型刀盘：是一个圆板构造体，在其中心处设主轴，用小口径的轴承来支持。滚刀配置
7、在圆板上。出碴是利用设在刀盘外周部的刮板从下部收集，而后用外周部的料斗由上部送到排土装置中。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成2、反力支承靴部TBM推动时所需的反力（推动力、刀盘转矩）。为供应充分的反力和不损伤隧道壁面，应当加大其接触面积，以减小接地压力。通常，接地压力取为3.05.0 MPa。如把上述支承靴称为主支承靴，则还有所谓的以限制振动，限制方向等为目的的各种帮助支承靴。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成（1）盾构形TBM支承靴在盾构型TBM中，设有供应推动反力的主支承靴(尾部)和掌子面支承靴(前部)。主支承靴一般是水
8、平的在左右设置一对，但对大口径的TBM，有时在周边上要设置45个支撑靴。盾构型支撑靴构造TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成（2）放开式TBM支承靴有单支承靴方式和双支承靴方式两种。单支承靴：是在主梁上左右设一对支承靴。该支撑靴对应推动时主梁的方位变更。双支承靴：是前后各有一对支承靴。前面的支承靴有4个(X形)、2个（I形）、3个(T形)的布置形式。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成方向修正：不管支撑靴是何种方式，都应在设置支承靴前进行，但对于单支承靴方式，开挖过程中也能变更方向。而双支承靴方式，在开挖进程中不能变更方向，受地质
9、变更的影响小，直进性能好。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成敞开式TBM支撑靴构造TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成常用的各类支承靴的构造特点1）单支承靴放开式TBM方式TBM的刀盘是周边支持型的。驱动马达设在刀盘的后面。为减小伸缩千斤顶时对支承靴产生的弯矩，可把主梁和支承靴座相连接。2）双支承靴梁型TBM方式TBM的刀盘通常是平面型的。多把驱动装置设在最终端。用主梁内的驱动装置驱动。千斤顶与支承靴的主梁连接。皮带运输机设置在主梁上部。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成3）盾构型TBM开放型盾
10、构型TBM的刀盘都是穹型的（呈拱形）。分前后筒体间可伸缩的2筒式结构和前中筒间及中后筒间用可活动铰结合的筒式结构两种。4）斜井用TBM斜井运用的TBM基本上与在水平坑道中运用的TBM一样。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成5）导坑和扩挖型TBM开挖大口径隧道的方法，首先是用导坑TBM开挖小断面的导坑，以此为前导，用扩挖型TBM扩挖隧道。组成如下图。扩挖TBMTBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成3、推动部主要运用推动千斤顶，推动按下述动作反复进行。（1）扩张支撑靴，固定机体在隧道壁上；（2）回转刀盘，开动千斤顶前进；（3）推动一个
11、行程后，缩回支撑靴，把支撑靴移置到前方，返回（1）的状态。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成4、排土方式（1）皮带运输机运用较多、运量大，可实现高速化，有涌水时，排土困难。（2）喷射泵液体进行输送。由喷射泵开路，掌子面可以开放。有涌水时，该方法也极为有效。但排土效率低，只用于小口径的TBM中。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成（3）螺旋式输送机用于密闭式盾构TBM，也可以在土压式TBM中运用。运用该方法掌子面自稳性高，在无涌水时，掌子面可开放。（4）泥土加压方
12、式液体输送运用在密闭式盾构TBM中。对掌子面的稳定效果很好。TBMTBM工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成工法的基本构成滚刀掘进速度的计算公式有很多种，但一般以下式概括。R=P n式中：R：掘进速度（cm/min）；P：切入深度（cm/r）；n：滚刀回转数（r/pm）。一次切入深度P与岩石强度（单轴抗压强度），刀头间隔（S），刀头荷载（W）有关，可按下式计算：为提高掘进速度，可接受加大切入深度，或增加刀盘回转数的措施。TBMTBM的掘进速度的掘进速度的掘进速度的掘进速度TBM的掘进速度可按下式计算：式中：TBM移动的作业时间（h）；：TBM移动中的损失时间（h）；n：刀盘转数（rpm）
13、；：刀盘转动一次的切入深度（cm/r）；：更换一个刀具的时间（h）；：刀具的转送距离（km）；D：开挖直径（m）；：每米的帮助作业时间（h）。TBMTBM的掘进速度的掘进速度的掘进速度的掘进速度 依据隧道四周岩石的抗压强度，裂缝状态，涌水状态等地层岩性条件的实际状况以及机械构造、直径等的机械条件以及隧道的断面、长度、位置状况、选址条件等进行推断。三、接受隧道掘进机法的基本条件概述概述概述概述TBM工法的研究流程在TBM工法中，TBM和掌子面是分别的，故有懦弱层和裂开带时，接受帮助工法很困难。所以，不良地质的调查，不仅对TBM的选择和施工速度有很大的影响，对能否接受TBM法也是确定性的因素。工程
14、地质条件工程地质条件工程地质条件工程地质条件1、影响选用TBM工法的地质因素（1）隧道地压 很大的地压作用掌子面难于自稳，TBM掘进是极为困难的。（2）涌水状态 在涌水地段，在极端的状况下，机体会产生下沉，TBM的优点会丢失殆尽。工程地质条件工程地质条件工程地质条件工程地质条件2、影响TBM效率的地质因素主要有岩石强度、硬度及裂隙等。这些因素对TBM切削岩石的实力影响极大。工程地质条件工程地质条件工程地质条件工程地质条件TBM不仅受到地质条件的约束，还受到开挖直径、开挖机构的约束。一般说在硬岩中，大直径的开挖是很困难的。日本的实绩是最大直径5m前后。理由是：目前的TBM大都是单轴回转式的，开挖
15、直径越大，刀头的内周和外周的周速差越大，对刀头产生种种不良影响。此外，随着开挖直径的增大，要增大推力，支撑靴也要增大。会出现运输上的困难和承载力问题。此外，挖掘机械是接受压碎方式还是切削方式，对实际应用的适用范围也有差别。机械条件机械条件机械条件机械条件 TBM进入现场后，一般要经过运输、组装的过程。依据TBM的直径和形式、运输途径、组装基地的状况等，要准备12个月。其次，TBM的后续设备长100200m，为正规地进行掘进，也要先修筑一段长200m左右的隧道。所以，隧道长度短时，包括机械购置费在内的成本是很高的，是不经济的。当隧道长度在1000m以下时，固定费的成本急剧增大，到3000m左右时
16、，成本大致是确定的。因此，假如单纯的比较，TBM适宜的长度最好是3000m以上。开挖长度开挖长度开挖长度开挖长度 在TBM法中，因要进行机械的运输、组装等，故要对隧道所处地点的状况，给以应有的留意。TBM的运搬支配，要考虑道路的宽度、高度和重量的限制，依据组装的条件要充分调查运输时的分割方法（最小分割尺寸和重量）。工程所在地的设施工程所在地的设施工程所在地的设施工程所在地的设施工程规模：隧道形态、长度、直径、埋深、走向以及围岩条件等。地质状况：岩石类型及强度，地质的节理分布及发育程度，有无断层、暗河、溶洞，地下水的分布，隧道正上方有无建筑物、河流等。掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理
17、性主要掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主要取决于：取决于：作业场地：交通运输实力。掘进机的机械部件多、重量大、现场搬运、解体等工作须要起重设备等协作。水电来源、进出洞口场地等。施工进度要求：由总限制工期的时间推算出平均月进尺指标。企业自身的实际实力：制造修理实力、经济实力，施工队伍的技术、管理水平以及传统的施工习惯等。掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主要掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主要取决于：取决于：包括与TBM本体接续的在洞内配置的后续设备和在整个洞内布设的设备以及洞外的设备。四、掘进机（TBM）法的附属设施TBMTBM的附属设施的附属设施的附属
18、设施的附属设施是依据TBM流程（作业支配和内容），选定与之协作的必要设备。因此，要充分探讨作业支配和必要的功能，再来选择有效率的各项设备。TBMTBM附属设施的设置原则附属设施的设置原则附属设施的设置原则附属设施的设置原则1、运输方式和运输设备 运输对象的核心是掌子面开挖排出的大量石碴。其他还有隧道的支护材料和随隧道延长的各种器材和刀头类的TBM修理器材等。目前，在隧道施工中接受的运输方式有轨道方式、无轨方式、连续皮带运输方式、泥浆运输方式以下等几种。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类2、集尘及通风设备（1）集尘设备 集尘设备在TBM施工中，因切削岩石，而产生大量粉尘，刀
19、头部为防止刀头发热，需接受压力水喷雾。压碎时发生的粉尘可被此冷却水吸取一部分。但因水压、水量、岩石状况等粉尘抑制效果各不相同，条件差时，例如洒水不充分，粉尘和水的粒子在空气中浮游，阻碍视线，因此，为抑制粉尘，收集粉尘进行处理是必要的。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类（2）通风设备 TBM工法的通风对象是工作人员呼出的有害气体和TBM主机动力发生的热量、岩石裂开时发生的粉尘和内燃机等发生的有害气体等。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类3、洞内超前钻孔设备 隧道掘进过程中，遇到断层和涌水是不行避开的。为把此类事故限制在最小的限度内，进行事前调查是必要的
20、。其主要方法是在TBM掌子面进行地质钻孔调查。钻孔也可同时作为排水孔运用。钻孔设备要在TBM有限的空间内，而且要随施工的进展随时可以作业，故应是小型的、易于移动的。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类4、排水和给水设备 在TBM工法中排水处理是极其重要。如位于掌子面的TBM浸水，就会产生不行预料的事故。在开挖中不能依靠自然排水时，就应实行强制排水。因此，排水设备要有足够的处理实力，并应能分阶段地予以增设。在TBM地后续台车上应设置排水槽，而后用大容量地泵将水排出洞外。并应防止泥浆地沉淀。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类5、喷射及其他设备 TBM工法中
21、的喷射混凝土同矿山法一样，是作为一次支护用的。因此，可在TBM本体后面或不超过后续台车处进行。但多接受前者。在该处，因空间限制，多接受人力进行喷射。喷射时，要留意处理集中在隧道底部的回弹物。喷射设备多搭接在后续台车上。附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类附属设备的种类 在TBM中，支护同NATM法一样，接受喷混凝土、锚杆、钢支撑以及木背板、钢背板等，有的还接受管片，也是基于地质条件进行设计的，但其设计方法和施工方法的问题还没有完全解决，其理由是：（1）掌子面被TBM机体所堵塞，很难基于掌子面干脆进行推断；四、隧道掘进机（TBM）法的支护技术施工概述概述概述概述（2）拱顶下沉和净空位移等动
22、态量测，开挖后立刻进行困难，因此，要接受量测以外的手段来推断围岩的稳定性和支护是否妥当；（3）施设支护的位置，要离开掌子面确定距离，支护设置时间较迟；因TBM的形式各异；（4）TBM的直径、用途是多种多样的，在同样的条件下的工程实例较少，因此，TBM的支护要在积累实践阅历的基础上逐步完善。概述概述概述概述隧道用途隧道用途支支护特征特征隧道完成断面隧道完成断面 TBM TBM开挖断面开挖断面在公路隧道中有采用在公路隧道中有采用RCRC管片作管片作为永久永久衬砌砌的；在水工隧道中采用的；在水工隧道中采用喷混凝土、混凝土、锚杆、杆、钢支撑等支撑等组合支合支护TBMTBM导坑坑爆破爆破扩大大事前要拆除
23、管片支事前要拆除管片支护TBMTBM扩大大使用可拆除和可切削的材料使用可拆除和可切削的材料隧道直径隧道直径2 25 m5 m多采用无支多采用无支护钢支撑管片支撑管片5 m5 m多采用无支多采用无支护、喷混凝土、混凝土、锚杆、杆、钢支撑支撑等等组合支合支护TBMTBM形式形式敞开式敞开式不使用管片支不使用管片支护盾构式盾构式围岩不良岩不良处，采用仰拱管片，全，采用仰拱管片，全闭合管片合管片隧道坡度隧道坡度水平水平斜井斜井导坑坑时，可采用，可采用纤维喷浆等特殊配比的材等特殊配比的材料料支护形式的基本要素支护形式的基本要素 通常与NATM的状况一样，事前调查进行预设计，设定支护模式，并在掘进中依据对
24、围岩状况的推断，修正支护形式。应特殊留意以下几点。（1）为确保高速掘进，应在尽可能短的时间内进行支护的施设，或能够与掘进平行施工；（2）TBM的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支护可以接受轻型的；支护设计支护设计支护设计支护设计（3）支护的施工位置（与掌子面的距离）的确定；（4）开挖后到构筑的时间较迟；（5）是永久的或是短暂的；（6）构筑支护时对TBM装置的影响；（7）支撑靴挤压对洞壁的影响。支护设计支护设计支护设计支护设计 在TBM法中，依据掌子面干脆视察的事故预料，开挖前的周边加固及开挖地点的干脆加固等，与其他工法不同。TBM帮助工法是指在通常状况以外的地质条件或施工时所接受的对策，称为TB
25、M的帮助工法。五、接受掘进机（TBM）法的帮助工法概述概述概述概述 TBM法是在良好的地质条件下接受的。须要接受多种帮助工法的围岩条件，应尽量避开运用TBM法。接受TBM法的隧道长度是较长的，困难的地质条件常常是难以避开的，如通过几条断层裂开带是一般的，因此完全不接受帮助工法进行掘进的状况很少。接受帮助工法的地质条件见下表 接受帮助工法的地质条件接受帮助工法的地质条件接受帮助工法的地质条件接受帮助工法的地质条件围岩条件岩条件项目目现象象地形条件地形条件埋深小埋深小埋深大埋深大崩塌、偏崩塌、偏压、地表下沉、地表下沉岩爆岩爆地地质条件条件围岩岩强度度地地热地下水地下水有害气体有害气体掉掉块、崩落、
26、膨、崩落、膨胀、流砂、流砂高温高温围岩岩大量涌水、高大量涌水、高压涌水、高温涌水涌水、高温涌水有毒瓦斯、缺氧空气、瓦斯有毒瓦斯、缺氧空气、瓦斯需接受帮助工法的地质现象需接受帮助工法的地质现象 在TBM法中，事故的事前预料和对策是受限定的，若是小型的事故，接受一般的处理方法即可。使挖掘成为不行能的重大事故是：1、掌子面大规模崩落，埋没TBM；2、洞壁挤出访机体卡住；3、突发的大量涌水，沉没机体；4、掌子面挤出访机体后退。事故类型事故类型事故类型事故类型 不行能掘进的事故，要复原，不仅须要时间和劳力，而且紧急。因此，事前实行对策是必要的。为此，预料其位置，规模和性质是特殊重要的。事故类型事故类型事故类型事故类型TBM机体前方压浆加固 在选择帮助工法时，要留意以下几点：1、预料有无不行能掘进的重大事故；2、接受帮助工法施工的位置；3、TBM的形式。帮助工法的选择帮助工法的选择帮助工法的选择帮助工法的选择感谢大家THANKSFORATTENTION