地下工程施工：TBM法施工.ppt

掘進機(TBM)施工技術,巖石隧道掘進機（TBM）法概述,一、基本概念 巖石隧道掘進機（Tunnel Boring Machine）簡稱TBM。 是利用巖石隧道掘進機在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。通常是利用回轉刀盤又借助推進裝置的作用力從而使刀盤上的滾刀切割(或破碎)巖面，以達到破巖開挖隧道(洞)的目的。 掘進機構造：是由切削破碎裝置、行走推進裝置、出碴運輸裝置、驅動裝置、機器方位調整機構、機架和機尾，以及液壓、電氣、潤滑、除塵系統(tǒng)等組成。,巖石隧道掘進機（TBM）法概述,二、巖石隧道掘進機的分類 按巖石的破碎方式分類：分為擠壓破碎與切削破碎兩種，前者是將較大的推力給予刀具，通過刀具的楔子作用將巖石擠壓破碎；后者是利用旋轉扭矩在刀具的切線方向及垂直方向上進行切削。 按刀具旋轉方式分類：分為單軸旋轉式與多軸旋轉式兩種。 按切削方式分類：分為全斷面切削方式和部分斷面切削方式兩類。部分斷面切削方式是挖掘煤炭用的機械在隧道挖掘施工上的應用，全斷面切削方式開挖的斷面一般是圓形的。 按開挖地層分類：土質隧道掘進機（盾構）和巖石隧道掘進機（TBM）,巖石隧道掘進機（TBM）法概述,三、TBM法的優(yōu)缺點 1、TBM法的優(yōu)點 掘進效率高：連續(xù)作業(yè)，能保證破巖、出碴、支護一條龍作業(yè)。特別在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時，尤其明顯。 開挖施工質量好：超挖量少，內壁光滑，不存在凹凸現(xiàn)象，減少支護工程量，降低工程費用。 對巖石的擾動?。焊纳崎_挖面的施工條件。周圍巖層穩(wěn)定性較好，保證了施工人員的健康和安全。 施工安全：TBM可在防護棚內進行刀具的更換，密閉式操縱室和高性能的集塵機的采用，使安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。,巖石隧道掘進機（TBM）法概述,2、TBM法的缺點 適應性較差：對多變的地質條件(斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅硬巖石等)的適應性較差。近年來采用了盾構外殼保護型的掘進機，施工既可以在軟弱和多變的地層中掘進又能在中硬巖層中開挖施工。 經濟性問題：掘進機結構復雜，對材料、零部件的耐久性要求高。制造的價格較高。難用于短隧道。 開挖不同斷面問題：施工途中不能改變開挖直徑。斷面的大小、形狀變更難，在應用上受到一定的制約。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,一、TBM工法的基本構成 大體上可分為以下開挖部、反力支撐部、推進部和排土部幾個部分。 1、開挖部 （1）開挖機制 開挖巖層所使用的刀具，不是用于開挖軟弱土層的鋸齒形刀具，而是所謂的滾刀（回轉式刀具）。滾刀以一定的間距安設在刀盤上，掘進時，滾刀向巖層擠壓，把巖層壓碎，進行開挖。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,（2）滾刀 滾刀是由回轉的刀體和裝備有刀具的刀頭環(huán)構成。刀頭環(huán)具有能夠更換的結構。最新的刀頭環(huán)采用了算盤狀的刀圈，材質也改為鎳鉻鉬合金鋼系。 掘進性能與刀具的性能密切相關。在高速施工的條件下，開發(fā)長壽命，大型化的刀具是極為必要的。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,滾刀的構造,刀頭開挖方法的差異,掘進機（TBM）的基本構成和性能,（3）刀盤構造 TBM與在軟土中掘進的盾構不同，是以圍巖的自穩(wěn)為前提的。有各種各樣的構造。但其最主要的是刀盤和支撐靴。 1）球面和平面刀盤 如圖示,刀頭輪廓,掘進機（TBM）的基本構成和性能,（2）周邊支持型和中央主軸型刀盤 周邊支持型刀盤：是由圓筒狀的筒體和主機架構成，采用大口徑軸承。后背部設有開口很大的周邊支持結構。開挖石碴由設在刀盤前面和外周面的縫隙處理。施工時，通過把主機架作為料斗提升，將石碴送到排土裝置中。 中央主軸型刀盤：是一個圓板構造體，在其中心處設主軸，用小口徑的軸承來支持。滾刀配置在圓板上。出碴是利用設在刀盤外周部的刮板從下部收集，而后用外周部的料斗由上部送到排土裝置中。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,2、反力支承靴部 TBM推進時所需的反力（推進力、刀盤轉矩）。為提供充分的反力和不損傷隧道壁面，應該加大其接觸面積，以減小接地壓力。通常，接地壓力取為3.05.0 MPa。如把上述支承靴稱為主支承靴，則還有所謂的以控制震動，控制方向等為目的的各種輔助支承靴。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,（1）盾構形TBM支承靴 在盾構型TBM中，設有提供推進反力的主支承靴(尾部)和掌子面支承靴(前部)。主支承靴一般是水平的在左右設置一對，但對大口徑的TBM，有時在周邊上要設置45個支撐靴。,盾構型支撐靴構造,掘進機（TBM）的基本構成和性能,（2）敞開式TBM支承靴 有單支承靴方式和雙支承靴方式兩種。 單支承靴：是在主梁上左右設一對支承靴。該支撐靴對應推進時主梁的方位變化。 雙支承靴：是前后各有一對支承靴。前面的支承靴有4個(X形)、2個（I形）、3個(T形)的布置形式。 方向修正：不管支撐靴是何種方式，都應在設置支承靴前進行，但對于單支承靴方式，開挖過程中也能改變方向。而雙支承靴方式，在開挖進程中不能改變方向，受地質變化的影響小，直進性能好。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,敞開式TBM支撐靴構造,掘進機（TBM）的基本構成和性能,常用的各類支承靴的構造特點 1）單支承靴敞開式TBM方式 TBM的刀盤是周邊支持型的。驅動馬達設在刀盤的后面。為減小伸縮千斤頂時對支承靴產生的彎矩，可把主梁和支承靴座相連接。 2）雙支承靴梁型TBM方式 TBM的刀盤通常是平面型的。多把驅動裝置設在最后端。用主梁內的驅動裝置驅動。千斤頂與支承靴的主梁連接。皮帶運輸機設置在主梁上部。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,3）盾構型TBM 開放型盾構型TBM的刀盤都是穹型的（呈拱形）。分前后筒體間可伸縮的2筒式結構和前中筒間及中后筒間用可活動鉸結合的筒式結構兩種。 4）斜井用TBM 斜井使用的TBM基本上與在水平坑道中使用的TBM一樣。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,5）導坑和擴挖型TBM 開挖大口徑隧道的方法，首先是用導坑TBM開挖小斷面的導坑，以此為前導，用擴挖型TBM擴挖隧道。組成如下圖。,擴挖TBM,掘進機（TBM）的基本構成和性能,3、推進部 主要使用推進千斤頂，推進按下述動作反復進行。 （1）擴張支撐靴，固定機體在隧道壁上； （2）回轉刀盤，開動千斤頂前進； （3）推進一個行程后，縮回支撐靴，把支撐靴移置到前方，返回（1）的狀態(tài)。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,掘進機（TBM）的基本構成和性能,4、排土方式 （1）皮帶運輸機 使用較多、運量大，可實現(xiàn)高速化，有涌水時，排土困難。 （2）噴射泵 液體進行輸送。由噴射泵開路，掌子面可以開放。有涌水時，該方法也極為有效。但排土效率低，只用于小口徑的TBM中。 （3）螺旋式輸送機 用于密閉式盾構TBM，也可以在土壓式TBM中使用。 使用該方法掌子面自穩(wěn)性高，在無涌水時，掌子面可開放。 （4）泥土加壓方式液體輸送 使用在密閉式盾構TBM中。對掌子面的穩(wěn)定效果很好。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,二、TBM的掘進速度 滾刀掘進速度的計算公式有很多種，但一般以下式概括。 R = P n 式中： R： 掘進速度（cm/min）； P： 切入深度（cm/rev）； n： 滾刀回轉數(shù)（rpm）。 一次切入深度P與巖石強度（單軸抗壓強度），刀頭間隔（S），刀頭荷載（W）有關，可按下式計算： 為提高掘進速度，可采用加大切入深度，或增加刀盤回轉數(shù)的措施。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,TBM的掘進速度可按下式計算： 式中： ：TBM移動的作業(yè)時間（h）； ：TBM移動中的損失時間（h）； n ：刀盤轉數(shù)（rpm）； ：刀盤轉動一次的切入深度（cm/rev）； ：更換一個刀具的時間（h）； ：刀具的轉送距離（km）； D ：開挖直徑（m）； ：每米的輔助作業(yè)時間（h）。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,一、概述 根據隧道周圍巖石的抗壓強度，裂縫狀態(tài)，涌水狀態(tài)等地層巖性條件的實際狀況以及機械構造、直徑等的機械條件以及隧道的斷面、長度、位置狀況、選址條件等進行判斷。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,TBM工法的研究流程,掘進機（TBM）的基本構成和性能,二、 工程地質條件 在TBM工法中，TBM和掌子面是分離的，故有軟弱層和破碎帶時，采用輔助工法很困難。所以，不良地質的調查，不僅對TBM的選擇和施工速度有很大的影響，對能否采用TBM法也是決定性的因素。 1、影響選用TBM工法的地質因素 （1）隧道地壓 很大的地壓作用掌子面難于自穩(wěn)，TBM掘進是極為困難的。 （2）涌水狀態(tài) 在涌水地段，在極端的情況下，機體會產生下沉 ，TBM的優(yōu)點會喪失殆盡。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,2、影響TBM效率的地質因素 主要有巖石強度、硬度及裂隙等。這些因素對TBM切削巖石的能力影響極大。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,三、 機械條件 TBM不僅受到地質條件的約束，還受到開挖直徑、開挖機構的約束。 一般說在硬巖中，大直徑的開挖是很困難的。日本的實績是最大直徑5m前后。理由是：目前的TBM大都是單軸回轉式的，開挖直徑越大，刀頭的內周和外周的周速差越大，對刀頭產生種種不良影響。此外，隨著開挖直徑的增大，要增大推力，支撐靴也要增大。會出現(xiàn)運送上的困難和承載力問題。 此外，挖掘機械是采用壓碎方式還是切削方式，對實際應用的適用范圍也有差別。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,四、 開挖長度 TBM進入現(xiàn)場后，一般要經過運輸、組裝的過程。根據TBM的直徑和形式、運輸途徑、組裝基地的狀況等，要準備12個月。其次，TBM的后續(xù)設備長100200m，為正規(guī)地進行掘進，也要先修筑一段長200m左右的隧道。所以，隧道長度短時，包括機械購置費在內的成本是很高的，是不經濟的。 當隧道長度在1000m以下時，固定費的成本急劇增大，到3000m左右時，成本大致是一定的。因此，如果單純的比較，TBM適宜的長度最好是3000m以上。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,五、工程所在地的設施 在TBM法中，因要進行機械的運輸、組裝等，故要對隧道所處地點的狀況，給以應有的注意。TBM的運搬計劃，要考慮道路的寬度、高度和重量的限制，根據組裝的條件要充分調查運輸時的分割方法（最小分割尺寸和重量）。,掘進機（TBM）的基本構成和性能,掘進機在各類隧道開挖中的技術可行性、經濟合理性主要取決于： 工程規(guī)模：隧道形狀、長度、直徑、埋深、走向以及圍巖條件等。 地質情況：巖石類型及強度，地質的節(jié)理分布及發(fā)育程度，有無斷層、暗河、溶洞，地下水的分布，隧道正上方有無建筑物、河流等。 作業(yè)場地：交通運輸能力。掘進機的機械部件多、重量大、現(xiàn)場搬運、解體等工作需要起重設備等配合。水電來源、進出洞口場地等。 施工進度要求：由總控制工期的時間推算出平均月進尺指標。 企業(yè)自身的實際能力：制造維修能力、經濟能力，施工隊伍的技術、管理水平以及傳統(tǒng)的施工習慣等。,掘進機（TBM）法的附屬設施,一、TBM的附屬設施 包括與TBM本體接續(xù)的在洞內配置的后續(xù)設備和在整個洞內布設的設備以及洞外的設備。 二、TBM附屬設施的設置原則 是根據TBM流程（作業(yè)計劃和內容），選定與之配合的必要設備。因此，要充分研究作業(yè)計劃和必要的功能，再來選擇有效率的各項設備。,掘進機（TBM）法的附屬設施,三、附屬設備的種類 1、運輸方式和運輸設備 運輸對象的核心是掌子面開挖排出的大量石碴。其他還有隧道的支護材料和隨隧道延伸的各種器材和刀頭類的TBM維修器材等。 目前，在隧道施工中采用的運輸方式有。軌道方式、無軌方式、連續(xù)皮帶運輸方式、泥漿運輸方式以下等幾種 。,掘進機（TBM）法的附屬設施,2、集塵及通風設備 （1）集塵設備 集塵設備在TBM施工中，因切削巖石，而產生大量粉塵，刀頭部為防止刀頭發(fā)熱，需采用壓力水噴霧。壓碎時發(fā)生的粉塵可被此冷卻水吸收一部分。但因水壓、水量、巖石狀況等粉塵抑制效果各不相同，條件差時，例如灑水不充分，粉塵和水的粒子在空氣中浮游，妨礙視線，因此，為抑制粉塵，收集粉塵進行處理是必要的。,掘進機（TBM）法的附屬設施,（2）通風設備 TBM工法的通風對象是工作人員呼出的有害氣體和TBM主機動力發(fā)生的熱量、巖石破碎時發(fā)生的粉塵和內燃機等發(fā)生的有害氣體等。 四、 洞內超前鉆孔設備 隧道掘進過程中，遇到斷層和涌水是不可避免的。為把此類事故控制在最小的限度內，進行事前調查是必要的。其主要方法是在TBM掌子面進行地質鉆孔調查。鉆孔也可同時作為排水孔使用。鉆孔設備要在TBM有限的空間內，而且要隨施工的進展隨時可以作業(yè)，故應是小型的、易于移動的。,掘進機（TBM）法的附屬設施,五、 排水和給水設備 在TBM工法中排水處理是極其重要。如位于掌子面的TBM浸水，就會產生不可預料的事故。在開挖中不能依靠自然排水時，就應采取強制排水。因此，排水設備要有足夠的處理能力，并應能分階段地予以增設。 在TBM地后續(xù)臺車上應設置排水槽，而后用大容量地泵將水排出洞外。并應防止泥漿地沉淀。,掘進機（TBM）法的附屬設施,六、噴射及其他設備 TBM工法中的噴射混凝土同礦山法一樣，是作為一次支護用的。因此，可在TBM本體后面或不超過后續(xù)臺車處進行。但多采用前者。在該處，因空間限制，多采用人力進行噴射。 噴射時，要注意處理集中在隧道底部的回彈物。噴射設備多搭接在后續(xù)臺車上。,隧道掘進機（TBM）法的支護技術,一、概述 在TBM中，支護同NATM法一樣，采用噴混凝土、錨桿、鋼支撐以及木背板、鋼背板等，有的還采用管片，也是基于地質條件進行設計的，但其設計方法和施工方法的問題還沒有完全解決，其理由是： （1）掌子面被TBM機體所堵塞，很難基于掌子面直接進行判斷； （2）拱頂下沉和凈空位移等動態(tài)量測，開挖后立即進行困難，因此，要采用量測以外的手段來判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護是否妥當； （3）施設支護的位置，要離開掌子面一定距離，支護設置時間較遲；因TBM的形式各異； （4）TBM的直徑、用途是多種多樣的，在同樣的條件下的工程實例較少，因此，TBM的支護要在積累實踐經驗的基礎上逐步完善。,隧道掘進機（TBM）法的支護技術,支護形式的基本要素,隧道掘進機（TBM）法的支護技術,二、支護設計 通常與NATM的情況一樣，事前調查進行預設計，設定支護模式，并在掘進中根據對圍巖狀況的判斷，修正支護形式。應特別注意以下幾點。 （1）為確保高速掘進，應在盡可能短的時間內進行支護的施設，或能夠與掘進平行施工； （2）TBM的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支護可以采用輕型的； （3）支護的施工位置（與掌子面的距離）的確定； （4）開挖后到構筑的時間較遲； （5）是永久的或是暫時的； （6）構筑支護時對TBM裝置