1、地下空间工程导论第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程4 与掘进机施工配套的支护方式3 掘进机施工1 概 述2 掘进机的类型与构造1 概 述 钻爆法 明挖法 机械法机械法掘进机法掘进机法 沉埋法第三篇 掘进机法修建的地下工程 隧道掘进机械，一般分为两种：（1）臂式掘进机(Boom-type Roadheader)；（2）全断面隧道掘进机，简称TBM。第三篇 掘进机法修建的地下工程 隧道掘进机(Tunnel Boring Machine)，简称TBM，是利用回转刀具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机又称
2、为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。第三篇 掘进机法修建的地下工程 (1)在岩石中开挖隧道的TBM 通常适用于稳定性良好、中厚埋深、中高强度的岩层中掘进长大隧道。(2)在松软地层中掘进隧道的TBM 一般适用于在具有有限压力的地下水位以下基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧道。第三篇 掘进机法修建的地下工程 目前在国内通常有两种提法：(1)岩石掘进机(TBM)；(2)盾构机。岩石掘进机(TBM)就是适合硬岩开挖的隧道掘进机，盾构机指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。鉴于学术及现实中称法混乱，造成许多麻烦，有些学者提出采用“硬岩TBM”和“软岩
3、TBM（也即盾构机）”两种来规范。第三篇 掘进机法修建的地下工程(1)安全人员在局部或整体的护盾下工作(2)快速常规钻爆法掘进速度的310倍(3)优质洞壁光滑美观(4)自动化和机械化程度高（节省劳动力经济）(5)围岩扰动小(6)对环境影响小第三篇 掘进机法修建的地下工程(1)能耗大(2)断面单一(3)对岩层变化的适应性差(4)一次性购买TBM投资高(5)主机重量大，运输不方便，安装工作量大(6)短隧道不能发挥其优越性(不经济)第三篇 掘进机法修建的地下工程 1846年TBM由意大利人Maus发明。1851年美国人威尔逊开发了一台TBM，在花岗岩中试用未获 成功。1881年波蒙特开发了压气式TB
4、M，成功应用于英吉利海峡隧 道直径为2.1m的勘探导坑。1952年美国罗宾斯公司研制了现代意义上的第1台软岩TBM。1956年美国罗宾斯公司又研制成功中硬岩TBM。从此，TBM 进入快速发展时期。1.4 1.4 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展第三篇 掘进机法修建的地下工程 近年来，国外采用掘进机完成的大型隧道有：(1)英法海底铁路隧道单洞长约50km，使用11台掘进机，工期 三年多时间；(2)瑞士费尔艾那隧道长19km，其中约9.5km采用掘进机施工；(3)瑞士穿越阿尔卑斯山新圣哥达铁路隧道长达57km；(4)美国芝加哥TARP工程排水隧道大约40多km，全部采用 掘进机施工。第三篇 掘
5、进机法修建的地下工程 (1)1970年代末，甘肃引大入秦和山西万家寨引水工程采用掘进机获得成功(意大利CMC公司承包)。(2)1998.11999.8，西康铁路秦岭特长隧道引入德国Wirth公司TB880E型掘进机，进行长18.5km，直径8.8m的I线隧道施工，平均掘进速度为313.7/月。第三篇 掘进机法修建的地下工程 开挖直径范围为1.8-11.87m；可在抗压强度360MPa的岩体中掘进80-100m2大断面隧道，平均掘进速度350-400m/月；能开挖45的斜井；盘形滚刀的最大直径达483mm，其承载能力达312kN；刀具 的寿命达300500m；单台掘进机的最大总进尺已超过40km
6、。第三篇 掘进机法修建的地下工程 美 国：罗宾斯(obbins)公司(已归属阿特拉斯公司)佳瓦(Jarva)公司 德 国：维尔特(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)公司第三篇 掘进机法修建的地下工程2 掘进机的类型与构造隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式 掘进机的类型掘进机的类型第三篇 掘进机法修建的地下工程2.1 2.1 全
7、断面掘进机全断面掘进机 适合于软岩隧道；顶推反力利用尾部安装的衬砌管片。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；(1)开敞式掘进机(2)护盾式掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机型型 号：号：TB880E开开 挖挖 直直 径：径：8.8米米掘掘 进进 速速 度：度：3.5m/h西康铁路秦岭隧道西康铁路秦岭隧道西安西安-南京线磨沟岭隧道南京线磨沟岭隧道 最高月进度：最高月进度：574米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道）最高日进度：最高日进度：41.3米（磨沟
8、岭隧道）米（磨沟岭隧道）第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程开敞式掘进机模型开敞式掘进机模型第三篇 掘进机法修建的地下工程护盾式隧道掘进机护盾式隧道掘进机第三篇 掘进机法修
9、建的地下工程2.1.1 2.1.1 开敞式掘进机开敞式掘进机图10-2 单水平支撑掘进机示意图1.掘进刀盘；2.拱顶护盾；3.驱动组件；4.主梁；5.出碴输送机；6.后下支撑；7.撑靴；8.推进千斤顶；9.侧护盾；10.下支撑；11.刀盘支撑1111098234765开敞式掘进机基本有两种型式：单撑靴式、双撑靴式。第三篇 掘进机法修建的地下工程.掘进刀盘；2.顶护盾；3.轴承外壳；4、前水平撑靴；5.后水平撑靴；6.齿轮箱；7.出碴输送机；8.驱动电机；9.星形变速箱；10.后下支撑；11.扭矩筒；12.推进千斤顶；13.主机架；14.前下支撑(仰拱括板)图10-3 双水平支撑掘进机示意图14
10、13121112435910867第三篇 掘进机法修建的地下工程 刀座 吊耳 人工检查用脚踏点和把手 周边铲斗，可更换铲齿或铲碴板 带防护罩喷水孔 人孔通道 与刀盘回转轴承相连接的精加工部件及螺栓孔2.1.1 开敞式掘进机构造(1)刀 盘主要构造：刀盘；控制系统，支撑和推进系统；后部配套设备。第三篇 掘进机法修建的地下工程21铲斗；2.中心刀；3.扩孔边；4.扩孔刮碴器；5.面刀；6.铲齿；7.边刀图10-5 掘进机刀盘示意图34567第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘
11、进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程 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 13M in diameter.第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程 掘进中，刀具受顺刀圈径向和侧向复合压力及刀圈和岩石间摩擦力。在均一完整岩石中，
12、刀具主要受径向压力，而所受侧向力并不大。实际岩石是不均质和有裂纹的，每把滚刀受力不均一。刀具破碎岩石过程，机械能转换成热能，产生大量热能，将降低刀圈寿命，因此须作降温处理。(2)刀具的力学特性第三篇 掘进机法修建的地下工程(3)滚刀数量的确定3094107856102013111412705040608010090图10-6 刀盘直径与滚刀数量关系曲线图刀盘直径（m）滚刀数量（个）切削刀盘上滚刀平面布置是根据滚刀类型和合理刀间距确定的。在一定间距下，刀盘直径与滚刀数量间的关系可以从右图中查验。第三篇 掘进机法修建的地下工程(4)支撑和推进系统单撑靴式双撑靴式图10-4 掘进机撑靴型式推力千斤顶
13、单撑靴型双撑靴型撑靴推力千斤顶X型配置T型配置撑靴主梁第三篇 掘进机法修建的地下工程(5)驱动系统 刀盘驱动方式有两大类：电动和液压。电动又分单速电机、双速电机和调频电机。液压系统 供电系统 运输系统 通风系统 降温、防尘、供水及安全系统 隧道支护设备系统 其它辅助设施(6)后配套设备第三篇 掘进机法修建的地下工程TBM组装图第三篇 掘进机法修建的地下工程TBM组装图第三篇 掘进机法修建的地下工程TBM组装图第三篇 掘进机法修建的地下工程TBM组装图第三篇 掘进机法修建的地下工程(1)单护盾TBM常用于劣质地层。(2)双护盾TBM适用于各种地质，既适应软岩，也适应硬 岩或软硬岩交互地层。对比：
14、单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，速度较慢。2.1.2 护盾式掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇 掘进机法修建的地下工程Single Shield TBM 护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机图10-7 单护盾掘进机示意图掘进刀盘；2.护盾；3.驱动组件；4.推进千斤顶；5.管片安装机；6.超前钻机；7.出碴输送机；8.拼装好的管片；9.提升机；10.铰接千斤顶；11.主轴承、大齿圈；12.刀盘支撑121110123459867第三篇 掘进机法修建的地下工程第三篇
15、掘进机法修建的地下工程Double Shield TBM 可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；辅助推进油缸；管片可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；辅助推进油缸；管片掘进刀盘；2.前护盾；3.驱动组件；4.推进油缸；5.铰接油缸；6.撑靴护盾；7.尾护盾；8.出碴输送机；9.拼装好的管片；10.管片安装机；11.辅助推进靴；12.水平撑靴；13.伸缩护盾；14.主轴承大齿圈；15.刀盘支撑1514123图10-8 双护盾掘进机示意图134101211546798第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机又称为部分断面掘进机，是一种集切削岩石、自动行走、装载石碴等多种功能为一体的高效联合作业机械。2.2 2
16、.2 臂式掘进机臂式掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机具有效率高、机动性强、对围岩扰动小、超挖量小、安全性高、适应性强，以及费用相对较低等优点。可以适应任意形状的断面；对地质条件的要求较低，适合软岩及中硬岩隧道的掘进；连续掘进，支护可实现平行作业 基本投资费用少，约为全断面掘进机的15%左右。中短隧道施工更为适用。壁式掘进机的特点第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机开挖与支护平行作业示意图 第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机开挖作业示意图 第三篇 掘进机法修建的地下工程重型隧道掘进机第三篇 掘进机法修建的地下工程 臂式掘进机切削头 第三篇 掘进机法修建的地下工程 在
17、掘进时切削刀盘上的滚刀沿岩石开挖面滚动，切削刀盘均匀地对每个滚刀施加压力，形成对岩面的滚动挤压，切削刀盘每转动一圈，就会贯入岩面一定深度，在滚刀刀刃与岩石接触处，岩石被挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石碴，从而实现破岩，如右图。3 掘进机施工3.1 3.1 破岩机理破岩机理岩石龟裂纹图10-11 掘进机切削岩石机理示意图相邻刀具产生的粉碎岩石粒切削石碴滚刀粉碎岩石粒1.机理第三篇 掘进机法修建的地下工程 贯入深度 坚硬和裂隙很少岩石，一般为2.5-3.5mm/转,中等坚硬和裂隙较多岩石中，一般为5-9mm/转。滚刀间距 滚刀间距太大，滚刀产生压力达不到与相邻滚刀
18、的影响范围相接，从而使开挖效率降低。反之，如果刀间距太小，则会浪费设备的功率。岩体的裂隙 掘进机施工不仅要注意岩石抗压强度，还应注意岩石磨蚀性和岩体裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距越大时，切割也就会越困难。2.影响因素第三篇 掘进机法修建的地下工程3.2 3.2 掘进作业掘进作业前下支撑水平撑靴后下支撑水平撑靴后下支撑前下支撑前下支撑水平撑靴后下支撑 开敞式掘进机作业循环 第三篇 掘进机法修建的地下工程 掘进机开挖隧道的高效率源于隧道施工的工厂化，但要发挥最佳效益，就必须加强管理。3.3 3.3 施工管理施工管理1.保证有效作业时间 将整个有效的作业时间作为净掘进时间是不可能的，因为：。在一般地
19、质条件下，掘进机净掘进时间在50%左右是较为理想的。例如，某掘进机工点作业时间分配为：重新支撑3.2%、刀具更换13.8%、检修5.5%、后配套检修6.6%、支护1.7%、工地延误3.8%、其它11.1%、掘进54.3%。第三篇 掘进机法修建的地下工程2.提高设备完好率3.合理选用刀具参数4.保证配件供应5.管理人员对掘进方向的地质情况应有足够的了解6.提高隧道控制测量和施工测量的精度7.应建立专门的供电机构，确保供电质量8.精心设计，统筹安排，严格施工第三篇 掘进机法修建的地下工程 一般仍是由初期支护和二次衬砌组成。初期支护：喷射混凝土 二次衬砌：喷射混凝土 模筑混凝土 管片衬砌 不管是哪种
20、类型的衬砌，为了安放轨道运碴，都必须设置预制仰拱块，它也是最终衬砌的一部分。4 与掘进机施工配套的支护型式衬砌结构的组成第三篇 掘进机法修建的地下工程 见图10-13，使用护盾掘进机时，一般采用圆形管片衬砌，分为57块，在洞内拼装而成。4.1 4.1 管片衬砌管片衬砌图10-13 全周预制钢筋混凝土管片衬砌示意图仰拱块管片厚度标准块注浆充填TBM开挖断面相邻块封顶块1.构成第三篇 掘进机法修建的地下工程 优点：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低，撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反力；当撑靴可以支撑岩面时，双护盾掘进机可以使掘进和换步同时进行，提高了循环速
21、度；利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好，安全性强。缺点：造价高。为了防水需要，块与块之间必须安装止水带，并需在管片外壁和岩壁间隙中压入豆石和注浆。为了生产预制管片，需要有管片工厂，如工地施工场地允许，最好是设在现场，以方便运输，如秦岭铁路隧道就是如此。4.1 4.1 管片衬砌管片衬砌2.特点第三篇 掘进机法修建的地下工程 使用开敞式掘进机，可以先施作初期支护，然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌，即复合式衬砌，见图10-14，其底部为预制仰拱块。如秦岭线铁路隧道。4.2 4.2 复合式衬砌复合式衬砌图10-14 复合式衬砌示意图预制仰拱块模注混凝土衬砌1.构造第三篇 掘进机法修建的地下工程
22、一般而言，掘进机宜用于地质条件较好的隧道，但任何一座总体地质条件好的隧道，都有可能出现局部地质较差地段，这就需要掘进机对于这样的地质情况具有一定的处理能力。为了实现这一目的，可以在掘进机上安装一些辅助设备进行特殊功能的作业。4.3 4.3 在软弱破碎地层中的辅助支护措施1.安装地质超前钻机 将地质超前钻机安装在切削刀盘后部的主机顶部平台上，它在主机停机时进行掌子面前方约30m的超前钻孔，以预报前方的地质情况，为掘进提供可靠消息。超前钻机还具备注浆和安装管棚的功能，使掘进机具备加固前方地层的能力(图10-14)。第三篇 掘进机法修建的地下工程4.3 4.3 在软弱破碎地层中的辅助支护措施图10-
23、15从TVM机内进行的超前支护示意图 第三篇 掘进机法修建的地下工程 紧靠刀盘的后部设有钢拱环安装器，利用工字钢拱环形成钢拱架支护，这种方法的优点是安装速度快、支护效果及时。如果采用全断面钢拱架，则在预制仰拱块上要留有安放钢拱环的沟槽。4.3 4.3 在软弱破碎地层中的辅助支护措施2.设钢拱环安装器3.先开挖小导洞 就是先用小直径(3.5 5.0m)掘进机开挖导洞，然后再用钻爆法扩挖成隧道。这种方法充分利用了小直径掘进机技术成熟、造价低、速度快、运输方便、风险小等优点，能事先探明地质和为扩挖创造通风条件。第三篇 掘进机法修建的地下工程思考题：1.隧道掘进机的施工特点2.全断面掘进机的类型和构造3.掘进机的破岩机理4.掘进机施工时支护结构的形式、类型第三篇 掘进机法修建的地下工程
