盾構(gòu)機(jī)TBM掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用與發(fā)展

石家家莊莊鐵鐵道道大大學(xué)學(xué)2022年年10月月27日日郭京京波波盾構(gòu)構(gòu)/TBM及應(yīng)應(yīng)用用第一一部部分分盾構(gòu)構(gòu)第二二部部分分全斷斷面面巖巖石石掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)（（TBM）第三三部部分分TBM/盾構(gòu)構(gòu)技技術(shù)術(shù)發(fā)發(fā)展展與與展展望望第一一部部分分盾構(gòu)構(gòu)技技術(shù)術(shù)一、、概概述述二、、盾盾構(gòu)構(gòu)基基本本概概念念三、、盾盾構(gòu)構(gòu)基基本本結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)高鐵鐵發(fā)發(fā)展展迅迅速速“十十一一五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：2.42萬(wàn)億億元元；；“十十二二五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：3.5萬(wàn)億億元元；；“十十三三五五““鐵鐵路路固固定定資資產(chǎn)產(chǎn)投投資資：：3.5萬(wàn)億億元元；；到2020年，，中中國(guó)國(guó)以以高高鐵鐵為為骨骨架架的的快快速速客客運(yùn)運(yùn)網(wǎng)網(wǎng)，，運(yùn)運(yùn)營(yíng)營(yíng)里里程程到到5萬(wàn)公公里里以以上上，，基基本本覆覆蓋蓋80%的50萬(wàn)以以上上人人口口的的城城市市。。一、、概概述述軌道道交交通通發(fā)發(fā)展展迅迅速速已有有43個(gè)城城市市獲獲批批修修建建軌軌道道交交通通。。2014年新新增增42條新新線線，，858公里里，，566個(gè)車車站站，，投投資資5380.29億元元；；此此外外，，2014年續(xù)續(xù)建建88條，，2136KM，1383座車車站站，，投投資資12735億元元；；全全國(guó)國(guó)在在建建100條地地鐵鐵線線，，里里程程超超過過3000公里里。。到2020年，，50個(gè)城城市市有有地地鐵鐵，，軌軌道道交交通通里里程程6000公里里，，投投資資4萬(wàn)億億元元。。采用用全全斷斷面面隧隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)修修建建隧隧道道是是發(fā)發(fā)展展方方向向一、、概概述述二、、盾盾構(gòu)構(gòu)基基本本概概念念全斷斷面面隧隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)采采用用了了類類似似機(jī)機(jī)器器人人的的技技術(shù)術(shù)，，是是集集機(jī)機(jī)、、電電、、液液、、光光、、氣氣、、水水、、信信息息于于一一體體的的隧隧道道施施工工成成套套專專用用設(shè)設(shè)備備。。具具有有自自動(dòng)動(dòng)化化程程度度高高、、對(duì)對(duì)交交通通和和周周圍圍地地層層影影響響小小、、有有利利于于環(huán)環(huán)境境保保護(hù)護(hù)的的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)。。隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)的的地地質(zhì)質(zhì)針針對(duì)對(duì)性性非非常常強(qiáng)強(qiáng)，，一一般般來(lái)來(lái)說說，，用用于于巖巖石石地地層層的的隧隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)稱稱為為TBM，用用于于軟軟土土地地層層的的隧隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)稱稱為為盾盾構(gòu)構(gòu)。。1掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)分分類類2盾構(gòu)構(gòu)與與TBM的區(qū)區(qū)別別TBM是“TunnelBoringMachine”的英英文文縮縮寫寫，，一一般般指指全全斷斷面面硬硬巖巖隧隧道道掘掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)，，通通常常定定義義中中的的TBM是以以巖巖石石地地層層為為掘掘進(jìn)進(jìn)對(duì)對(duì)象象，，不不具具備備泥泥水水壓壓、、土土壓壓等等維維護(hù)護(hù)掌掌子子面面穩(wěn)穩(wěn)定定的的功功能能。。盾構(gòu)構(gòu)施施工工主主要要由由穩(wěn)定定開開挖挖面面、、掘掘進(jìn)進(jìn)及及排排土土、、管管片片襯襯砌砌及及壁壁后后注注漿漿三大大要要素素組組成成。。其其中中開開挖挖面面的的穩(wěn)穩(wěn)定定方方法法是是其其工工作作原原理理的的主主要要方方面面，，也也是是盾盾構(gòu)構(gòu)區(qū)區(qū)別別于于TBM及比比TBM復(fù)雜雜的的主主要要方方面面。。盾構(gòu)構(gòu)，，用用于于軟軟土土隧隧道道暗暗挖挖施施工工，，具具有有金金屬屬外外殼殼，，殼殼內(nèi)內(nèi)裝裝有有整整機(jī)機(jī)及及輔輔助助設(shè)設(shè)備備，，在在其其掩掩護(hù)護(hù)下下進(jìn)進(jìn)行行土土體體開開挖挖、、土土碴碴排排運(yùn)運(yùn)、、整整機(jī)機(jī)推推進(jìn)進(jìn)和和管管片片安安裝裝等等作作業(yè)業(yè)，，而而使使隧隧道道一一次次成成形形的的機(jī)機(jī)械械。二、盾構(gòu)基基本概念念3盾構(gòu)組成成及原理理盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備管片襯砌輔助設(shè)施施二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念土壓平衡衡盾構(gòu)（（EPB）施工原原理圖二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念泥水平衡衡盾構(gòu)施工原理理圖二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念TBM全斷面隧隧道掘進(jìn)進(jìn)機(jī)二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念4盾構(gòu)施工工特點(diǎn)盾構(gòu)施工工具有以以下優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)：（1）對(duì)環(huán)境境影響小小（2）施工進(jìn)進(jìn)度快（3）適應(yīng)地地層范圍圍廣（4）施工質(zhì)質(zhì)量容易易保證（5）自動(dòng)化化程度高高，勞動(dòng)動(dòng)強(qiáng)度低低（6）施工作作業(yè)安全全、整潔潔（7）技術(shù)成成熟，應(yīng)應(yīng)用廣泛泛（8）工程造造價(jià)優(yōu)勢(shì)勢(shì)較明顯顯二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念5盾構(gòu)機(jī)分分類盾構(gòu)按開開挖面與與作業(yè)室室之間隔隔板構(gòu)造造可分為為全敞開開式、半半敞開式式及閉胸胸式三種種。具體體劃分見見下圖。。手掘式半機(jī)械式機(jī)械式全敞開式半敞開式擠壓式泥水式土壓式閉胸式盾構(gòu)土壓平衡式加泥式土壓平衡式二、盾構(gòu)基基本概念念通過土壓壓作用于于開挖面面以平衡衡開挖面面的水土土壓力。。通過螺旋旋輸送機(jī)機(jī)排放渣渣土。土壓平衡衡、土介介質(zhì)和設(shè)設(shè)備的要要求土壓平衡衡盾構(gòu)機(jī)機(jī)二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念二、盾構(gòu)基基本概念念2泥水平衡衡盾構(gòu)機(jī)機(jī)通過泥膜膜的張力力保持水水壓力，，以平衡衡作用于于開挖面面的土壓壓力和水水壓力。。開挖的渣渣土以泥泥漿形式式輸送到到地面，，經(jīng)過分分離再循循環(huán)至開開挖面。。二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念2泥水平衡衡盾構(gòu)泥水平衡衡盾構(gòu)通通過配置置不同的的刀盤類類型，可可以兼顧顧軟土地地層和復(fù)復(fù)合地層層隧道施施工，主主要應(yīng)用用在富水水地層、、透水系系數(shù)高的的砂、卵卵石層等等。二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念2、泥水平平衡盾構(gòu)構(gòu)二、盾構(gòu)構(gòu)基本概概念◆泥水盾構(gòu)構(gòu)有兩種種體系。。泥水盾構(gòu)構(gòu)根據(jù)泥泥水倉(cāng)構(gòu)構(gòu)造形式式和對(duì)泥泥漿壓力力的控制制方式的的不同，，泥水盾盾構(gòu)分為為:直接控制制型間間接控制制型2、泥水平平衡盾構(gòu)構(gòu)二、盾構(gòu)基基本概念念整體結(jié)構(gòu)構(gòu)盾體三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)刀盤三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)刀盤及驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)主驅(qū)動(dòng)-馬達(dá)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)主軸承承三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)推進(jìn)和拼拼裝系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)拼裝機(jī)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)橋架(連接盾體體和后配配套系統(tǒng)統(tǒng))三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)橋架(連接盾體體和后配配套系統(tǒng)統(tǒng))三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)后配套系系統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)遙控器三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)潤(rùn)滑、密密封及注注漿三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)盾尾尾三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)注漿系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)水路系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)液壓系統(tǒng)統(tǒng)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)三、盾構(gòu)構(gòu)基本結(jié)結(jié)構(gòu)第二部分分全斷面巖巖石掘進(jìn)進(jìn)機(jī)（TBM）一、TBM概述二、TBM分類三、TBM系統(tǒng)構(gòu)成成四、TBM工作原理理目錄錄一、TBM概述隧道掘進(jìn)進(jìn)機(jī)（TBM）是一種種集掘進(jìn)進(jìn)、出碴碴、支護(hù)護(hù)和通風(fēng)風(fēng)防塵等等多功能能為一體體的大型型高效隧隧道施工工機(jī)械。。由于采采用非爆爆破開挖挖方法，，與傳統(tǒng)統(tǒng)的鉆爆爆法相比比，具有有以下明明顯特點(diǎn)點(diǎn)：1TBM的優(yōu)點(diǎn)①作業(yè)連續(xù)續(xù)，施工工效率高高。它可可進(jìn)行掘掘進(jìn)、出出碴、支支護(hù)一條條龍，在在中硬巖巖條件下下，施工工速度為為鉆爆法法的3～5倍。②開挖輪輪廓園順順，超挖挖量少，，減少支支護(hù)工作作量，降降低工程程費(fèi)用。。③對(duì)圍巖巖擾動(dòng)少少，避免免因爆破破振動(dòng)可可能引起起的圍巖巖松動(dòng)坍坍塌，施施工安全全性好。。④使用勞勞力少，，勞動(dòng)強(qiáng)強(qiáng)度低，，作業(yè)環(huán)環(huán)境好，，有利維維護(hù)作業(yè)業(yè)人員的的健康。。一、TBM概述2TBM施工法與與鉆爆法法的比較較鉆爆法和和TBM法是當(dāng)今今國(guó)內(nèi)外外隧道工工程的兩兩種主要要施工方方法。TBM在速度、環(huán)環(huán)保、安安全和效效益方面的優(yōu)優(yōu)勢(shì)越來(lái)來(lái)越明顯顯，對(duì)地地質(zhì)條件件的適應(yīng)應(yīng)能力不不斷增強(qiáng)強(qiáng)，造價(jià)價(jià)降低，，在長(zhǎng)大大隧道施施工中的的應(yīng)用越越來(lái)越多多。一、TBM概述秦嶺隧道道TBM(德國(guó)Wirth公司生產(chǎn)產(chǎn)）TB880E型TBM法施工的的隧道二、TBM分類根據(jù)不同同參照標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)有不不同的分分類方法法：1．按一次次開挖斷斷面占全全部斷面面的份額額分：全全斷面、、部分?jǐn)鄶嗝妗?．按開挖挖斷面的的形狀分分：圓形形斷面、、非圓形形斷面。。3．按開挖挖斷面的的大小分分：大、、中、小小。4．按成洞洞開挖次次數(shù)分：：一次成成洞、先先導(dǎo)后擴(kuò)擴(kuò)。5．按開挖挖的洞線線分：平平洞、斜斜洞、豎豎井。6．按開挖挖隧洞掌掌子而是是含需要要壓力穩(wěn)穩(wěn)定分：：常壓、、增壓。。7．按掘進(jìn)進(jìn)機(jī)頭部部形狀：：刀盤式式、背架架式。8．按掘進(jìn)機(jī)機(jī)是否帶帶有盾殼殼分：敞敞開式、、護(hù)盾式式。9．按掘進(jìn)進(jìn)機(jī)盾殼殼數(shù)量分分：?jiǎn)巫o(hù)護(hù)盾、雙雙護(hù)盾。。10．按掘進(jìn)進(jìn)機(jī)機(jī)體體與推進(jìn)進(jìn)機(jī)構(gòu)是是聯(lián)合一一體還是是分成二二體分：：整機(jī)式式、分體體式。二、TBM分類常見TBM分類全斷面隧隧道掘進(jìn)進(jìn)機(jī)（TBM）包含巖巖石掘進(jìn)進(jìn)機(jī)、盾盾構(gòu)和穿穿江掘進(jìn)進(jìn)機(jī)。TBM由主機(jī)和和后配套套系統(tǒng)組組成，一一般又分分為敞開式TBM和護(hù)盾式TBM兩大類型型，護(hù)盾式TBM又有雙護(hù)盾TBM和單護(hù)盾TBM之分；敞開式TBM目前主要要有兩種種結(jié)構(gòu)形形式，即即前后共共有兩組組“X”支撐的凱氏TBM（含有內(nèi)內(nèi)凱機(jī)架架InnerKelly和外凱機(jī)機(jī)架OuterKelly），另一一種為單單支撐主大梁式式TBM。二、TBM分類支撐式(敞開式)TBM二、TBM分類敞開式TBM敞開式TBM則只設(shè)有有較短的刀刀盤護(hù)盾盾，在其主主機(jī)和后后配套上上安裝有有支護(hù)設(shè)設(shè)備，隨隨著TBM的向前掘掘進(jìn)，一一般可以以同時(shí)進(jìn)行行安裝錨錨桿、掛掛網(wǎng)和噴噴射混凝凝土等支支護(hù)作業(yè)業(yè)。敞開式式TBM刀盤推力力和扭矩矩通過機(jī)機(jī)架或主主梁傳遞遞到支撐撐系統(tǒng)，，支撐系系統(tǒng)徑向向作用于于巖壁上上承受推推力和扭扭矩。二、TBM分類護(hù)盾式TBM在整機(jī)外外圍設(shè)置置與機(jī)器器直徑相相一致的的圓筒形形護(hù)盾結(jié)結(jié)構(gòu)，可可分為單單護(hù)盾、、雙護(hù)盾盾(伸縮式)和三護(hù)盾盾三類二、TBM分類雙護(hù)盾式式掘進(jìn)機(jī)機(jī)二、TBM分類（1）主機(jī)系系統(tǒng)1TBM主機(jī)刀盤刀盤護(hù)盾盾刀盤支承承和主軸軸承刀盤驅(qū)動(dòng)動(dòng)主梁推進(jìn)系統(tǒng)統(tǒng)支撐系統(tǒng)統(tǒng)液壓系統(tǒng)統(tǒng)電氣控制制系統(tǒng)三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成刀盤三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成刀盤布置置三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成盤形滾刀刀三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成盤形滾刀刀三、TBM系統(tǒng)構(gòu)成成廢舊刀具具三、TBM系統(tǒng)構(gòu)成成撐靴三、TBM系統(tǒng)構(gòu)成成2TBM后配套系系統(tǒng)后配套系系統(tǒng)由鋼鋼結(jié)構(gòu)件件主機(jī)連連接橋和和若干平平臺(tái)車組組成，其其上有供供水、供供電、通通風(fēng)、支支護(hù)、出出渣等作作業(yè)所需需設(shè)備、、設(shè)施和和作業(yè)空空間。包括：液液壓動(dòng)力力裝置、、電氣開開關(guān)裝置置、變壓壓器、主主斷路開開關(guān)、電電纜卷筒筒、應(yīng)急急發(fā)電機(jī)機(jī)、除塵塵器、通通風(fēng)管道道、控制制室、拌拌漿裝置置、材料料轉(zhuǎn)運(yùn)吊吊機(jī)、皮皮帶輸送送機(jī)系統(tǒng)統(tǒng)、集裝裝箱式修修理間、、人員休休息室及及廁所、、噴混系系統(tǒng)、錨錨桿系統(tǒng)統(tǒng)、供水水系統(tǒng)等等。三、TBM系統(tǒng)構(gòu)成成后配套臺(tái)臺(tái)車三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成后配套臺(tái)臺(tái)車三、TBM的系統(tǒng)構(gòu)構(gòu)成四、TBM工作原理理主機(jī)前部部是裝有有若干滾滾刀的刀刀盤，由由刀盤驅(qū)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)驅(qū)動(dòng)刀刀盤旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，并由由TBM推進(jìn)系統(tǒng)統(tǒng)給刀盤盤提供推推進(jìn)力，，在推進(jìn)進(jìn)力的作作用下滾滾刀切入入掌子面面巖石，，不同部部位的滾滾刀在掌掌子面上上留下不不同半徑徑的同心心圓切槽槽軌跡，，在滾刀刀的擠壓壓下，相相鄰切槽槽的巖石石在剪切切力作用用下從巖巖體上剝剝落下來(lái)來(lái)形成石石碴，石石碴則隨隨著刀盤盤的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)由刀盤盤上的鏟鏟碴斗自自動(dòng)拾起起，經(jīng)刀刀盤內(nèi)的的溜碴槽槽輸送到到裝在主主機(jī)上的的皮帶機(jī)機(jī)上，再再運(yùn)到后后配套系系統(tǒng)處經(jīng)經(jīng)隧道出出碴運(yùn)輸輸系統(tǒng)運(yùn)運(yùn)出洞外外。四、TBM工作原理理刀盤與施施工面四、TBM工作原理理1TBM破巖機(jī)理理四、TBM工作原理理2TBM破巖軌跡跡四、TBM工作原理理3工作循環(huán)環(huán)四、TBM工作原理理4TBM的基本功功能（1）掘進(jìn)功功能掘進(jìn)功能能分為破破碎掌子子面巖石石的功能能和不斷斷推進(jìn)掘掘進(jìn)機(jī)前前進(jìn)的功功能。為為此掘進(jìn)進(jìn)機(jī)必須須配置合合適的破破巖刀具具并給予予足夠的的破巖力力，即椎椎力和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤盤變換刀刀具破巖巖位置的的回轉(zhuǎn)力力矩，還還必須配配置合適適的支撐撐機(jī)構(gòu)將將破巖用用的椎力力和刀盤盤回轉(zhuǎn)力力矩傳遞遞給洞壁壁，同時(shí)時(shí)推進(jìn)和和支撐機(jī)機(jī)構(gòu)還應(yīng)應(yīng)具有步步進(jìn)作用用以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)機(jī)前進(jìn)的的功能。。四、TBM工作原理理刀具、刀刀盤、刀刀盤驅(qū)動(dòng)動(dòng)機(jī)構(gòu)、、推進(jìn)機(jī)機(jī)構(gòu)、支支撐機(jī)構(gòu)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)現(xiàn)掘進(jìn)功功能的基基本機(jī)構(gòu)構(gòu)。掘進(jìn)推力力大于巖巖石破碎碎所需的的力、刀刀盤回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)力矩大大于在推推力下全全部刀具具的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)阻力矩矩、支撐撐力產(chǎn)生生的比壓壓小于被被支撐物物的許用用比壓、、整機(jī)接接地比壓壓小于洞洞底許用用比壓是是實(shí)現(xiàn)掘掘進(jìn)功能能的基本本力學(xué)條條件。四、TBM工作原理理4TBM的基本功功能5不良地層層下的輔輔助功能能四、TBM工作原理理四、T