掘進機法PPT課件

1、隧 道 工 程第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術10.4 與掘進機施工配套的支護方式10.3 掘進機施工10.1 概 述10.2 掘進機的類型與構造第10章 隧道掘進機開挖技術10.1.1 有關概念和TBM發(fā)展歷史10.1 概 述 1.隧道常用施工方法 鉆爆法 明挖法 機械法掘進機法 沉埋法第10章 隧道掘進機開挖技術 2.隧道掘進機械 隧道掘進機械，一般分為兩種： （1）臂式掘進機(Boom-type Roadheader)； （2）全斷面隧道掘進機，簡稱TBM。 隧道掘進機(Tunnel Boring Machine)，簡稱TBM ，是利用回轉刀具切削破巖及掘進，形成

2、整個隧道斷面的一種新型、先進的隧道施工機械。 3.定 義第10章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機又稱為部分斷面掘進機，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯合作業(yè)機械。 3.定 義第10章 隧道掘進機開挖技術 (1) 在巖石中開挖隧道的TBM 通常適用于穩(wěn)定性良好、中厚埋深、中高強度的巖層中掘進長大隧道。 (2) 在松軟地層中掘進隧道的TBM 一般適用于在具有有限壓力的地下水位以下基本均質的軟弱地層中開挖有限長度的隧道。10.1.2 全斷面隧道掘進機分類第10章 隧道掘進機開挖技術 1. 全斷面隧道掘進機分類I（Grandori，1996年） 目前在國內通常有兩種提法：

3、(1)巖石掘進機(TBM ) ； (2) 盾構機。 巖石掘進機(TBM )就是適合硬巖開挖的隧道掘進機，盾構機指的是適于在軟巖、土中的隧道掘進機。第10章 隧道掘進機開挖技術 2. 全斷面隧道掘進機的分類II 鑒于學術及現實中稱法混亂，造成許多麻煩，有些學者提出采用“硬巖TBM”和“軟巖TBM（也即盾構機）”兩種來規(guī)范。 3. 全斷面隧道掘進機的分類III(1) 安全人員在局部或整體的護盾下工作(2) 快速常規(guī)鉆爆法掘進速度的310倍(3) 優(yōu)質洞壁光滑美觀(4) 自動化和機械化程度高（節(jié)省勞動力經濟）(5) 圍巖擾動小(6) 對環(huán)境影響小10.1.3 隧道掘進機施工特點第10章 隧道掘進機開

4、挖技術 1. 優(yōu) 點(1) 能耗大(2) 斷面單一(3) 對巖層變化的適應性差 (4) 一次性購買TBM投資高(5) 主機重量大，運輸不方便，安裝工作量大(6) 短隧道不能發(fā)揮其優(yōu)越性(不經濟)第10章 隧道掘進機開挖技術 2. 缺 點10.1.3 隧道掘進機施工特點第10章 隧道掘進機開挖技術 1846年TBM由意大利人Maus發(fā)明。 1851年美國人威爾遜開發(fā)了一臺TBM，在花崗巖中試用未獲 成功。 1881年波蒙特開發(fā)了壓氣式TBM，成功應用于英吉利海峽隧 道直徑為2.1m的勘探導坑。 1952年美國羅賓斯公司研制了現代意義上的第1臺軟巖TBM。 1956年美國羅賓斯公司又研制成功中硬巖

5、TBM。 從此，TBM 進入快速發(fā)展時期。1.發(fā)展歷史大事記10.1.4 掘進機的應用與發(fā)展第10章 隧道掘進機開挖技術2.應 用國外 近年來，國外采用掘進機完成的大型隧道有： (1) 英法海底鐵路隧道單洞長約50km，使用11臺掘進機，工期 三年多時間； (2) 瑞士費爾艾那隧道長19km，其中約9.5km采用掘進機施工； (3) 瑞士穿越阿爾卑斯山新圣哥達鐵路隧道長達57km； (4) 美國芝加哥TARP工程排水隧道大約40多km，全部采用 掘進機施工。 (1) 1970年代末，甘肅引大入秦和山西萬家寨引水工程采用掘進機獲得成功(意大利CMC公司承包)。 (2) 1998.11999.8，

6、西康鐵路秦嶺特長隧道引入德國Wirth公司TB880E型掘進機，進行長18.5km，直徑8.8m的I線隧道施工，平均掘進速度為313.7/月。第10章 隧道掘進機開挖技術3.應 用國內第10章 隧道掘進機開挖技術4.國外掘進機的發(fā)展技術水平 開挖直徑范圍為1.8-11.87m； 可在抗壓強度360MPa的巖體中掘進80-100m2大斷面隧道， 平均掘進速度350-400m/月； 能開挖45的斜井； 盤形滾刀的最大直徑達483mm，其承載能力達312kN；刀具 的壽命達300500m； 單臺掘進機的最大總進尺已超過40km。第10章 隧道掘進機開挖技術5.世界上著名的巖石掘進機制造廠商 美 國：

7、羅賓斯(obbins)公司(已歸屬阿特拉斯公司) 佳瓦(Jarva)公司 德 國：維爾特(Wirth)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 三菱(Mitsubishi)公司 日立(Hitachi)公司第10章 隧道掘進機開挖技術10.2 掘進機的類型與構造隧道掘進機(巖石)全斷面掘進機開敞式懸臂式掘進機護盾式單臂式多臂式單撐靴式雙撐靴式單護盾式雙護盾式 掘進機的類型第10章 隧道掘進機開挖技術10.2.1 全斷面掘進機 適合于軟巖隧道； 頂推反力利用尾部安裝

8、的襯砌管片。 適合于硬巖隧道； 頂推反力與刀盤扭矩力依靠圍巖堅硬壁面提供；(1) 開敞式掘進機(2) 護盾式掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術中鐵隧道局研發(fā)的開敞式隧道掘進機型 號：TB880E開 挖 直 徑：8.8米掘 進 速 度：3.5m/h西康鐵路秦嶺隧道西安-南京線磨溝嶺隧道 最高月進度：574米（磨溝嶺隧道） 最高日進度：41.3米（磨溝嶺隧道）第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開

9、挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術開敞式掘進機模型第10章 隧道掘進機開挖技術護盾式隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術10.2.1.1 開敞式掘進機開敞式掘進機基本有兩種型式：單撐靴式、雙撐靴式。第10章 隧道掘進機開挖技術 刀座 吊耳 人工檢查用腳踏點和把手 周邊鏟斗，可更換鏟齒或鏟碴板 帶防護罩噴水孔 人孔通道 與刀盤回轉軸承相連接的精加工部件及螺栓孔10.2.1.1 開敞式掘進機構造(1)刀 盤第10章 隧道掘進機開挖技術主要構造：刀盤；控制系統，支撐和推進系統；后部配套設備。第1

10、0章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術 The biggest hard rock tunnel boring machine in the world is set to start work on the Brisbane North-South Bypass Tunnel inDecember 2007. The machine is 250M long, weighs 4000T and is almost

11、 13M in diameter. 第10章 隧道掘進機開挖技術 掘進中，刀具受順刀圈徑向和側向復合壓力及刀圈和巖石間摩擦力。 在均一完整巖石中，刀具主要受徑向壓力，而所受側向力并不大。 實際巖石是不均質和有裂紋的，每把滾刀受力不均一。 刀具破碎巖石過程，機械能轉換成熱能，產生大量熱能，將降低刀圈壽命，因此須作降溫處理。 第10章 隧道掘進機開挖技術(2)刀具的力學特性第10章 隧道掘進機開挖技術(3)滾刀數量的確定 切削刀盤上滾刀平面布置是根據滾刀類型和合理刀間距確定的。在一定間距下，刀盤直徑與滾刀數量間的關系可以從右圖中查驗。 (4)支撐和推進系統第10章 隧道掘進機開挖技術單撐靴式雙撐靴

12、式(5) 驅動系統第10章 隧道掘進機開挖技術 刀盤驅動方式有兩大類：電動和液壓。 電動又分單速電機、雙速電機和調頻電機。 液壓系統 供電系統 運輸系統 通風系統 降溫、防塵、供水及安全系統 隧道支護設備系統 其它輔助設施(6) 后配套設備第10章 隧道掘進機開挖技術TBM組裝圖第10章 隧道掘進機開挖技術TBM組裝圖第10章 隧道掘進機開挖技術TBM組裝圖第10章 隧道掘進機開挖技術TBM組裝圖(1) 單護盾TBM常用于劣質地層。(2) 雙護盾TBM適用于各種地質，既適應軟巖，也適應硬 巖或軟硬巖交互地層。 對比：單護盾TBM推進時，要利用管片作為支撐，與雙護盾TBM相比，掘進與安裝管片兩者

13、不能同時進行，速度較慢。10.2.1.2 護盾式掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術第10章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機又稱為部分斷面掘進機，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯合作業(yè)機械。10.2.2 臂式掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機具有效率高、機動性強、對圍巖擾動小、超挖量小、安全性高、適應性強，以及費用相對較低等優(yōu)點。 可以適應任意形狀的斷面； 對地質條件的要求較低，適合軟巖及中硬巖隧道的掘進； 連續(xù)掘進，支護可實現平行作業(yè) 基本投資費用少，約為全斷面掘進機的15%左右。 中短隧道施工更為適用。壁式掘進機的特點第10

14、章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機開挖與支護平行作業(yè)示意圖 第10章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機開挖作業(yè)示意圖 第10章 隧道掘進機開挖技術重型隧道掘進機第10章 隧道掘進機開挖技術 臂式掘進機切削頭 第10章 隧道掘進機開挖技術 在掘進時切削刀盤上的滾刀沿巖石開挖面滾動，切削刀盤均勻地對每個滾刀施加壓力，形成對巖面的滾動擠壓，切削刀盤每轉動一圈，就會貫入巖面一定深度，在滾刀刀刃與巖石接觸處，巖石被擠壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴展，進而形成片狀石碴，從而實現破巖，如右圖。10.3 掘進機施工10.3.1 破巖機理1.機理第10章 隧道掘進機開挖技術 貫入深度 堅硬和裂隙很

15、少巖石，一般為2.5-3.5mm/轉,中等堅硬和裂隙較多巖石中，一般為5-9mm/轉。 滾刀間距 滾刀間距太大，滾刀產生壓力達不到與相鄰滾刀的影響范圍相接，從而使開挖效率降低。反之，如果刀間距太小，則會浪費設備的功率。 巖體的裂隙 掘進機施工不僅要注意巖石抗壓強度，還應注意巖石磨蝕性和巖體裂隙程度，當巖體節(jié)理裂隙面間距越大時，切割也就會越困難。2.影響因素第10章 隧道掘進機開挖技術10.3.2 掘進作業(yè)第10章 隧道掘進機開挖技術 開敞式掘進機作業(yè)循環(huán) 掘進機開挖隧道的高效率源于隧道施工的工廠化，但要發(fā)揮最佳效益，就必須加強管理。10.3.3 施工管理1.保證有效作業(yè)時間 將整個有效的作業(yè)時

16、間作為凈掘進時間是不可能的，因為：。在一般地質條件下，掘進機凈掘進時間在50%左右是較為理想的。 例如，某掘進機工點作業(yè)時間分配為：重新支撐3.2%、刀具更換13.8%、檢修5.5%、后配套檢修6.6%、支護1.7%、工地延誤3.8%、其它11.1%、掘進54.3%。第10章 隧道掘進機開挖技術2.提高設備完好率3.合理選用刀具參數4.保證配件供應5.管理人員對掘進方向的地質情況應有足夠的了解6.提高隧道控制測量和施工測量的精度7.應建立專門的供電機構，確保供電質量8.精心設計，統籌安排，嚴格施工第10章 隧道掘進機開挖技術 一般仍是由初期支護和二次襯砌組成。 初期支護：噴射混凝土 二次襯砌：

17、噴射混凝土 模筑混凝土 管片襯砌 不管是哪種類型的襯砌，為了安放軌道運碴，都必須設置預制仰拱塊，它也是最終襯砌的一部分。10.4 與掘進機施工配套的支護型式襯砌結構的組成第10章 隧道掘進機開挖技術 見圖10-13，使用護盾掘進機時，一般采用圓形管片襯砌，分為57塊，在洞內拼裝而成。10.4.1 管片襯砌1. 構成第10章 隧道掘進機開挖技術 優(yōu)點：適合軟弱圍巖，特別是當圍巖允許承載力很低，撐靴不能支撐巖面時，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進反力；當撐靴可以支撐巖面時，雙護盾掘進機可以使掘進和換步同時進行，提高了循環(huán)速度；利用管片安裝機安裝管片速度快、支護效果好，安全性強。 缺點

18、：造價高。為了防水需要，塊與塊之間必須安裝止水帶，并需在管片外壁和巖壁間隙中壓入豆石和注漿。為了生產預制管片，需要有管片工廠，如工地施工場地允許，最好是設在現場，以方便運輸，如秦嶺鐵路隧道就是如此。10.4.1 管片襯砌2. 特點第10章 隧道掘進機開挖技術 使用開敞式掘進機，可以先施作初期支護，然后澆灌二次模筑混凝土永久性襯砌，即復合式襯砌，見圖10-14，其底部為預制仰拱塊。如秦嶺線鐵路隧道。10.4.2 復合式襯砌1. 構造第10章 隧道掘進機開挖技術 一般而言，掘進機宜用于地質條件較好的隧道，但任何一座總體地質條件好的隧道，都有可能出現局部地質較差地段，這就需要掘進機對于這樣的地質情況具有一定的處理能力。為了實現這一目的，可以在掘進機上安裝一些輔助設備進行特殊功能的作業(yè)。10.4.3 在軟弱破碎地層中的輔助支護措施1. 安裝地質超前鉆機 將地質超前鉆機安裝在切削刀盤后部的主機頂部平臺上，它在主機停機時進行掌子面前方約30m的超前鉆孔