地下工程非开挖技术与装备-隧道掘进机(TBM)

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(四)、TBM破岩方式与原理(续)
5. 削刀破岩原理
削刀在挤压力Pv和切割力PH作用下,首先在刀尖处形成 切碎区2,随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。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 在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。
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(五)、单护盾TBM与盾构的区别 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 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。 (六)、TBM选用 ① 整条隧道地质情况均差时采用单护盾TBM; ② 良好地质条件中则采用开敞式TBM; ③ 双护盾TBM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 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。
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三.TBM基本构造
1.
2. TBM由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向 机构及吸尘、通风装置等几部分组成。 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。
推进机构
主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。
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三. TBM基本构造(续) 3. 出碴机构
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2. 国内应用(续)
① 甘肃引大入秦水磨沟输水隧道[Φ5.54m;11649m; Robbins双护盾TBM;最高月进尺1300.8m/月] ② 引黄入晋总干6、7、8号与南干4、5、6、7号隧道 [Robbins双护盾TBM,总长122km,最高月进尺 1637m/月,日掘进113m/日] ③ 辽宁大伙房引水工程[全长85.32km,3台Φ8.0m开敞式] ④ 新疆大阪输水隧道工程[全长30.68km,德国海瑞克双护 盾TBM] ⑤ 青海引大济湟总干渠工程[德国Wirth双护盾TBM, Φ5.93m,全长19.94km] ⑥ 西康铁路秦岭Ⅰ线隧道[掘进5.621km,Φ8.8m开敞式 TBM] ⑦ 西安南京铁路桃花铺1号隧道[掘进7.23km,机型同上] ⑧ 西安南京铁路磨沟岭隧道[掘进6.11km,机型同上] ⑨ 南疆铁路吐库二线中天山隧道[机型同上] ⑩ 兰渝铁路西秦岭隧道[Φ10.23mRobbins开敞式TBM] 11 重庆地铁一号线[2台Φ6.36m开敞式TBM]
三菱(Mitsubishi)公司
日立(Hitachi)公司
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(三)、TBM分类
开敞式TBM:配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设
备。常用于硬岩,采取有效支护手段后也可应用 于软岩隧道。 双护盾TBM: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。 单护盾TBM:常用于劣质地层。单护盾TBM推进 时利用管片作支撑,其原理类似于盾构。与双护 盾TBM相比,掘进与安装管片不能同时进行。
Gripper TBM
①支撑鞋;②钢支架举升器;③锚杆安装机构;④钢筋网举升器 中南大学 杨忠炯
(四)、TBM破岩方式与原理
TBM破岩方式主要有:挤压式与切削式 1. 挤压式 主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行 压入岩体,并在刀盘旋转推进过程中联合挤压 与剪切作用破碎岩体。 滚刀类型:圆盘型、楔齿形、球齿型 2. 切削式 主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度 的5~10%)的特点,靠铣削(即剪切)与弯断破碎 岩体。 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 切破碎的,先形成破碎沟或切削槽是先决条件
TBM
工 法 研 究 流 程 框 图
二. 工程地质条件
1. ① 主要调查影响TBM使用的地质条件。 影响TBM选用的地质因素 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 q
h
断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难 ② 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。
1. ① ② ③ 2.
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初步调查 地质构造分析 地表调查 弹性波速度 阻抗试验 钻孔调查
开挖直径 刀具直径与数量 马达刀具转速 后续设备等 循环、支护辅助 工法、临时设计 与钻爆法比较
线路决定Baidu Nhomakorabea
Yes
地质调查 当地条件 TBM规格决定 施工计划 经济分析 实施计划
变更线路
No
其他方法
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开敞式隧道掘进机
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第10章 隧道掘进机开挖技术
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
α<2 2 < α <4 4 < α <10 α>10 挤出性——膨胀性围岩 轻微挤出性——地压大的围岩 地压大——有地压的围岩
几乎无地压的围岩 中南大学 杨忠炯
二. 工程地质条件(续)
2. ① ② 影响TBM效率的地质因素 岩石强度。开挖难易一般用抗压强度来判定。刀具消耗 应考虑岩石中石英粒范围、大小与抗拉强度等判断。 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。一般地,对于q<100MPa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。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。
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2.世界上著名的岩石掘进机制造厂商
美 国:罗宾斯(Robbins)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 国: 德马克(Dcmag)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
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2. 国内应用
国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期, 共生产10余台直径2.5~5.8m的TBM,先后用于 下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺 20~300m,累计总掘进长度12km。
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ 云南西洱河水电站引水隧道 引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道 引大入秦总干渠38号隧道 北京落坡岭水电工程 贵州猫跳河水电站引水隧道 福建龙门滩引水隧道 江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿
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第三节 掘进机法施工技术要求
一. 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。 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。 TBM工法选用流程 (参见下页流程图)
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(四)、TBM破岩方式与原理(续)
4. 楔齿型与球齿型滚刀破岩原理
最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩 石的表面,切人深度为λ。然后由齿尖的楔入力继续引 起剪切破坏,楔入深度为h。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 理与楔齿型滚刀相同,适用于硬岩掘进。
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(四)、TBM破岩方式与原理(续)
3. 圆盘型滚刀破岩原理
圆盘型滚刀(图a)工作压力50~200kN,岩体表面在刀圈 刀尖强集中力作用下破碎而被切人,并形成切入坑(见 图b)。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AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而剪 切破碎。当切入深度h较大时,剪裂面为O1O2(图c)。
破岩形成的片状石碴,由安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。
4.
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 证符合设计的轴线和坡度的要求。
5.
通风及吸尘装置
掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘。故对通风、降 尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装 置,掘进时连续喷水降尘。机房内专设通风降温设备。
微型TBM:Φ0.25~3.00m
中型TBM: Φ3.0~8.0m
巨型TBM: 大于Φ8.0m
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◎ 掘进机的类型
开敞式
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
单撑靴式 双撑靴式
单护盾式 双护盾式
多臂式
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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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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, 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 TBM施工的隧道超过1000座,总长度超过4000km,以 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——英吉利海峡隧道 由2条外径8.6m单线铁路隧道与1条外径5.6m辅助隧道 组成。全长48.5km,海底段长37.5km,隧道最深处在 海平面下100m,全部采用TBM施工。英国侧6台,岸边 段3台海底段3台(单向推进21.2km)。法国侧5台,岸边 段2台海底段3台。最深处需承受10atm水压力,平均月 进尺1000m/月。 隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平,也是融合英、 美、法、德等国TBM施工技术于一体的最高成就。
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2 掘进机法施工流程
一. TBM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. Robbins开敞式TBM循环作业流程
STEP 1: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。刀盘停转,后支撑腿抵住仰拱承重 STEP 3: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。
第二章 典型工程机械 第四节 地下工程非开挖技术与装备 4、隧道掘进机(TBM)施工
主讲内容:①施工流程②施工技术要求③施工要点
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1 隧道掘进机法基本概念 (一)、TBM发展历史简介
隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )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,它是由盾构 技术发展而来的。 1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示,最早提出盾 构雏形与施工方法。 1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。 1851年美国人查理士· 威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘 进未获成功。 1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM,成功用于英吉利 海峡隧道直径2.1m的勘探导坑。 美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一台软岩TBM, 1956年又成功研制中硬岩TBM。
③ ④
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二. 工程地质条件(续)
3. ① ② ③ ④ ⑤ TBM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。 开挖隧道直径1.8~12m之间,以直径3~6m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3~8km最佳。 适用于中硬岩层,岩石单轴抗压强度介于20~250MPa, 尤以50~100MPa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500~600m,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。
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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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Single Shield TBM
①护盾;②液压推进油缸;③管片;④刀盘;⑤装渣斗;⑥皮带输送机
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Double Shield TBM
①可伸缩护盾;②刀盘;③活动支撑鞋;④辅助推进油缸;⑤管片 中南大学 杨忠炯
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