TBM施工方法

2014-12-30
10

缺点：
1、设备购置及使用成本大； 2、施工途中不能改变开挖半径； 3、地质适应性较差; 4、断面适应性较差; 5、运输困难。
2014-12-30
11
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。 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。
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
自由断面TBM
2014-12-30
23
自由断面TBM的优缺点
优点：①开挖断面形状自由；
②易于适应地质条件的变化； ③开挖速度快； ④围岩松弛少； ⑤噪声、振动少； ⑥轻量、小型、机动性好； ⑦人员少，安全性高； ⑧机械购置费用低。
四． 开挖长度 TBM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1~2个月。 TBM后续设备长100~200m，为正规地进行掘进 也需先筑一段长200m左右的隧道。 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。 国外在断面10~30m2、长1000km以上的隧道开 挖，优先考虑采用TBM施工。 最佳开挖长度为3000km以上，短隧道慎用。
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。



全断面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。
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
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。
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) q 围岩强度比 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。
2014-12-30
4
TBM主要制造商

美国罗宾斯
Robbins
德国海瑞克公司
德国威尔特公司 加拿大拉法特 日本三菱公司
2014-12-30
5
TBM刀盘结构示意图
2014-12-30
6
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
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] 辽宁大伙房引水工程[全长85.32km，3台Φ8.0m开 敞式] 新疆大阪输水隧道工程[全长30.68km，德国海瑞克 双护盾TBM] 青海引大济湟总干渠工程[德国Wirth双护盾TBM， Φ5.93m，全长19.94km] 西康铁路秦岭Ⅰ线隧道[掘进5.621km，Φ8.8m开敞 式TBM] 西安南京铁路桃花铺1号隧道[掘进7.23km,机型同 上] 西安南京铁路磨沟岭隧道[掘进6.11km,机型同上] 南疆铁路吐库二线中天山隧道[机型同上] 兰渝铁路西秦岭隧道[Φ10.23mRobbins开敞式 TBM] 沈阳在建地铁九号线[中铁重工制造 行健号]
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。
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。
TBM的结构类型，构造和工作原理 一、全断面TBM
隧道掘进机 (Tunnel Boring Machine ) TBM
1
掘进技术的发展
第三代 凿岩台车 第一代 钢钎大锤
2014-12-30
第四代 TBM
第二代 手持风钻
2
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。
1. ① ② ③ 2.
初步调查
线路决定
Yes
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
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
TBM 工 法 研 究 流 程 框 图
2014-12-30
16
TBM基本构造
1.
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。
2.
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。
3.
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， 铲斗旋转到顶部卸入集料斗，经皮带机装车运出洞外。
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)。
5. 削刀破岩原理
1.
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。
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
⑥
三． 机械条件 TBM不仅受地质条件约束，还受到开挖直径、 开挖机构的约束。 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。 目前TBM多数是单轴回转式。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。 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。
微型TBM：Φ0.25~3.00m 中型TBM： Φ3.0~8.0m 巨型TBM： 大于Φ8.0m

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
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
2014-12-30 3
TBM法的概述与应用

掘进机（Tunnel Boring Machine），简称 TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术。 在机械施工中很长一段时期，把在土质隧道中采 用的机械称为盾构，而把在岩质隧道中施工的机 械称为掘进机，或岩石掘进机。由于机械制造技 术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目 前多把掘进机和盾构并称为盾构掘进机。
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。
TBM的优缺点

优点：快速---约为钻爆法的4~6倍；
优质---洞壁光滑，超挖量少 ； 高效---节约衬砌，节约人工劳动； 安全---安全性加大，作业环境安全； 环保---非爆破开挖，尘土、气体、噪音 污染少， 减少辅助洞室，减少地表破坏； 自动化、信息化程度高。
③
④
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。
2014-12-30 24

缺点：①地质条件的适用范围小； ②发生粉尘； ③有涌水时易于泥化；
2014-12-30
25
TBM法隧道的施工流程、技术要点和 辅助工法wk.baidu.com
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
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)