隧道掘进机开挖技术

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图10-5 掘进机刀盘示意图 铲斗；2.中心刀；3.扩孔边；4.扩孔刮碴器；5.面刀；6.铲齿；7.边刀
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
进入快速发展时期。
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2.应 用——国外
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
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10.3 掘进机施工
10.3.1 破岩机理
(6) 后配套设备
◆ 液压系统 ◆ 供电系统 ◆ 运输系统 ◆ 通风系统 ◆ 降温、防尘、供水及安全系统
◆ 隧道支护设备系统
◆ 其它辅助设施
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TBM组装图
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TBM组装图
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TBM组装图
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TBM组装图
臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动小、超 挖量小、安全性高、适应性强，以及费用相对较低等优点。
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臂式掘进机开挖与支护平行作业示意图
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臂式掘进机开挖作业示意图
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重型隧道掘进机
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臂式掘进机切削头
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10.2.1.2 护盾式掘进机 (1) 单护盾TBM——常用于劣质地层。 (2) 双护盾TBM——适用于各种地质，既适应软岩，也适应硬 岩或软硬岩交互地层。 ◆对比：单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，与双护
盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，速度较慢。
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《隧 道 工 程》
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
10.1 概 述 10.2 掘进机的类型与构造 10.3 掘进机施工 10.4 与掘进机施工配套的支护方式
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10.1 概 述
10.1.1 有关概念和TBM发展历史 1.隧道常用施工方法
钻爆法 明挖法 机械法——掘进机法 沉埋法 ……..
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2.隧道掘进机械
◆ 隧道掘进机械，一般分为两种：
（1）臂式掘进机(Boom-type Roadheader)； （2）全断面隧道掘进机，简称TBM。
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3.定 义
◆隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)，简称TBM ，是利 用回转刀具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、 先进的隧道施工机械。
◆单台掘进机的最大总进尺已超过40km。
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5.世界上著名的岩石掘进机制造厂商
美 德 瑞 国：罗宾斯(Ｒobbins)公司(已归属阿特拉斯公司) 佳瓦(Jarva)公司 国：维尔特(Wirth)公司
海瑞克(Herrenknecht)公司
典：阿特拉斯.科普柯 (Atlas.Copco)公司 加拿大：拉瓦特(Lovat)公司
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开敞式隧道掘进机
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开敞式掘进机模型
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护盾式隧道掘进机
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10.2.1.1 开敞式掘进机 ◆开敞式掘进机基本有两种型式：单撑靴式、双撑靴式。
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图10-2 单水平支撑掘进机示意图 1.掘进刀盘；2.拱顶护盾；3.驱动组件；4.主梁；5.出碴输送机；6.后下 支撑；7.撑靴；8.推进千斤顶；9.侧护盾；10.下支撑；11.刀盘支撑
中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机
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开敞式隧道掘进机
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开敞式隧道掘进机
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开敞式隧道掘进机
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Hale Waihona Puke Baidu开敞式隧道掘进机
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开敞式隧道掘进机
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开敞式隧道掘进机
日 本：川崎(Kawasaki)公司
三菱(Mitsubishi)公司 日立(Hitachi)公司
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10.2 掘进机的类型与构造
◎ 掘进机的类型
开敞式 单撑靴式 双撑靴式
全断面掘进机 护盾式
隧道掘进机(岩石) 单臂式 悬臂式掘进机 多臂式
单护盾式
双护盾式
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10.1.4 掘进机的应用与发展
1.发展历史——大事记
◆1846年——TBM由意大利人Maus发明。 ◆1851年——美国人威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用未获 成功。 ◆1881年——波蒙特开发了压气式TBM，成功应用于英吉利海峡隧
道直径为2.1m的勘探导坑。
◆ 1952年——美国罗宾斯公司研制了现代意义上的第1台软岩TBM。 ◆ 1956年——美国罗宾斯公司又研制成功中硬岩TBM。 从此，TBM
(3) 优质——洞壁光滑美观
(4) 自动化和机械化程度高（节省劳动力——经济） (5) 围岩扰动小 (6) 对环境影响小
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10.1.3 隧道掘进机施工特点
2. 缺 点
(1) 能耗大 (2) 断面单一 (3) 对岩层变化的适应性差 (4) 一次性购买TBM投资高 (5) 主机重量大，运输不方便，安装工作量大 (6) 短隧道不能发挥其优越性(不经济)
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3.定 义
◆臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、 自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。
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10.1.2 全断面隧道掘进机分类
1. 全断面隧道掘进机分类—I（Grandori，1996年）
(1) 在岩石中开挖隧道的TBM 通常适用于稳定性良好、中～厚埋深、中～高强度的岩层中
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图10-8 双护盾掘进机示意图 掘进刀盘；2.前护盾；3.驱动组件；4.推进油缸；5.铰接油缸；6.撑靴护盾； 7.尾护盾；8.出碴输送机；9.拼装好的管片；10.管片安装机；11.辅助推进靴； 12.水平撑靴；13.伸缩护盾；14.主轴承大齿圈；15.刀盘支撑
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The machine is 250M long, weighs 4000T and is almost 13M in diameter.
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(2)刀具的力学特性 ●掘进中，刀具受顺刀圈径向和侧向复合压力及刀圈和岩
石间摩擦力。 ● 在均一完整岩石中，刀具主要受径向压力，而所受侧向 力并不大。 ● 实际岩石是不均质和有裂纹的，每把滚刀受力不均一。
3. 全断面隧道掘进机的分类—III
鉴于学术及现实中称法混乱，造成许多麻烦，有些学者提 出采用“硬岩TBM”和“软岩TBM（也即盾构机）”两种来规范。
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10.1.3 隧道掘进机施工特点
1. 优 点
(1) 安全——人员在局部或整体的护盾下工作 (2) 快速——常规钻爆法掘进速度的3～10倍
掘进机施工。
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3.应 用——国内
(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) 1998.1～1999.8，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313.7ｍ/月。
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The biggest hard rock tunnel boring machine in the world is set to start work on the Brisbane North-South Bypass Tunnel inDecember 2007.
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10.2.1.1 开敞式掘进机构造
主要构造：刀盘；控制系统，支撑和推进系统；后部配套设备。 (1)刀 盘
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刀座 吊耳 人工检查用脚踏点和把手 周边铲斗，可更换铲齿或铲碴板 带防护罩喷水孔 人孔通道 与刀盘回转轴承相连接的精加工部件及螺栓孔
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10.2.2 臂式掘进机
臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩 石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作 业机械。
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壁式掘进机的特点
◆ 可以适应任意形状的断面； ◆ 对地质条件的要求较低，适合软岩及中硬岩隧道的掘进；
◆ 连续掘进，支护可实现平行作业
◆ 基本投资费用少，约为全断面掘进机的15%左右。 ◆ 中短隧道施工更为适用。
10.2.1 全断面掘进机
(1) 开敞式掘进机 ◆ 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； (2) 护盾式掘进机 ◆ 适合于软岩隧道； ◆ 顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。
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开敞式隧道掘进机
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西康铁路秦岭隧道 西安-南京线磨沟岭隧道 型 号：TB880E 开 挖 直 径：8.8米 掘 进 速 度：3.5m/h 最高月进度：574米（磨沟岭隧道） 最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）
刀盘直径（m） 图10-6 刀盘直径与滚刀数量关系曲线图
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(4)支撑和推进系统
推力千斤顶 撑靴 主梁
◆单撑靴式
单撑靴型 撑靴 推力千斤顶
◆双撑靴式
双撑靴型 X型配置 图10-4 掘进机撑靴型式 T型配置
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(5) 驱动系统
◆ 刀盘驱动方式有两大类：电动和液压。 ◆ 电动又分单速电机、双速电机和调频电机。
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图10-7 单护盾掘进机示意图 掘进刀盘；2.护盾；3.驱动组件；4.推进千斤顶；5.管片安装机；6.超前钻机 ；7.出碴输送机；8.拼装好的管片；9.提升机；10.铰接千斤顶；11.主轴承、大 齿圈；12.刀盘支撑
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● 刀具破碎岩石过程，机械能转换成热能，产生大量热能，
将降低刀圈寿命，因此须作降温处理。
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(3)滚刀数量的确定
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滚刀数量（个）
◆切削刀盘上滚刀 平面布置是根据滚刀类 型和合理刀间距确定的。 在一定间距下，刀盘直 径与滚刀数量间的关系 可以从右图中查验。
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4.国外掘进机的发展技术水平
◆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； ◆盘形滚刀的最大直径达483mm，其承载能力达312kN；刀具
的寿命达300～500m；
掘进长大隧道。 (2) 在松软地层中掘进隧道的TBM
一般适用于在具有有限压力的地下水位以下基本均质的软弱
地层中开挖有限长度的隧道。
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2. 全断面隧道掘进机的分类—II
目前在国内通常有两种提法：
(1)岩石掘进机(TBM ) ；
(2) 盾构机。 岩石掘进机(TBM )就是适合硬岩开挖的隧道掘进机，盾构机指的 是适于在软岩、土中的隧道掘进机。
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图10-3 双水平支撑掘进机示意图 .掘进刀盘；2.顶护盾；3.轴承外壳；4、前水平撑靴；5.后水平撑靴；6.齿轮箱 ；7.出碴输送机；8.驱动电机；9.星形变速箱；10.后下支撑；11.扭矩筒；12.推 进千斤顶；13.主机架；14.前下支撑(仰拱括板)