掘进机法

第10章 隧道掘进机开挖技术
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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刀盘直径（m） 图10-6 刀盘直径与滚刀数量关系曲线图
第10章 隧道掘进机开挖技术
(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
第10章 隧道掘进机开挖技术
(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。
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。
(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)
◆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
(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
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。
第10章 隧道掘进机开挖技术
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
第10章 隧道掘进机开挖技术
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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)
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。
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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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《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
第10章 隧道掘进机开挖技术
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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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
第10章 隧道掘进机开挖技术
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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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
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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。
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10.3 掘进机施工
10.3.1 破岩机理
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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
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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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
第10章 隧道掘进机开挖技术
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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
第10章 隧道掘进机开挖技术
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
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）
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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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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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；
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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.
● 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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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。
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
第10章 隧道掘进机开挖技术
The machine is 250M long, weighs 4000T and is almost 13M in diameter.
第10章 隧道掘进机开挖技术
第10章 隧道掘进机开挖技术
(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。
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开敞式隧道掘进机
第10章 隧道掘进机开挖技术
开敞式掘进机模型
第10章 隧道掘进机开挖技术
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