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隧道掘进机2011-11维尔特TB880E支撑式掘进机，刀盘直径8.8m，1997年在陕西秦岭铁路隧道工地组装。第一章概论第一节引言全断面岩石掘进机简称掘进机或TBM，自美国罗宾斯(ROBBINS)公司1952年生产了第一台能实用的刀盘直径8m的掘进机以来，至今已有60多年的发展史，掘进机在技术上巳成熟。在国外使用掘进机掘进隧洞已很普遍，尤其是3km以上的长隧洞，很多业主在招标书中规定，要求投标商必须采用掘进机施工。截止到2003年，国外几家掘进机大公司生产的掘进机总数约有600多台，并完成隧道近6000km。1966年，国家科委重点科研项目——我国第一台刀盘直径为3.4m的掘进机在原水电部上海水工机械厂诞生，与国外几家掘进机大公司几乎是同时期起步研制的。以后原水电部、原煤炭部相继设计研制了第二代、第三代掘进机产品。从施工应用上，国产掘进机产品已达到了实用阶段，但与国外先进掘进机相比，从技术性能、产品质量和使用寿命等方面差距还很大。20世纪90年代初，随着我国对外开放的深人，国内过去封闭式生产的掘进机产品质量已无法与国外产品竞争，制造厂拿不到用户订单，不得不停止生产掘进机，而部分国内隧洞工程由国外或国内承包商购买外国掘进机进行施工，如引大入秦、引黄入晋输水工程隧洞分别由意大利CMC公司与英泼基诺(Impregilo)公司用罗宾斯型双护盾掘进机完成。引大入秦30A号和38号输水隧洞共长17km，刀盘直径5.53m，1991年开工，1992年完工，平均月进尺980m，最高月进尺达1400m，创造了出界先进水平的好成绩；山西引黄人晋主干线长12km，刀盘直径6.13m，1994年开工，1995年完工，平均月进尺810m；山西引黄人晋南干线长86.242km，刀盘直径4.82~4.94m，共4台掘进机施工，1997年开工，2002年完工，平均月进尺约784m，最高月进尺达1821.49m，又一次创造了世界先进水平的好成绩；铁道部1998年引进了德国维尔特(Wirth)公司支撑式(敞开式)掘进机两台，刀盘直径为8.8m，分别顺利掘进陕西秦岭隧道(南口5.6km，北口5.2km)、桃花铺1号隧道(6.2km)、磨沟岭隧道(约5km)，这是由铁道部两支施工队伍完成的。以上工程的完成没有一人因掘进事故而死亡。日本青函隧道全长约50km，使用钻爆法施工，花了12年才完工、伤亡100多人；云南鲁布革水电隧洞，采用钻爆法施工，引进全套机械化设备，平均月进尺200~250m，最高月进尺达373.7m，这个进尺已经是好成绩了。由此可见钻爆法是无法与掘进机施工法相比的。由掘进机施工实例，充分体现了掘进机施工具有的快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。我国水利、电力、铁道、煤炭、矿山、交通、地铁及城市地下工程等需要建设大量隧道，城市的地铁工程陆续开工，一些掘进机及盾构机投入施工，辽宁大伙房、新疆天山、兰渝线、引汉济渭、重庆地铁、青岛地铁、甘肃引洮等输水工程陆续上马，南水北调西线工程已作具体规划设计，我国长隧道采用掘进机施工将是发展的必然趋势。轰轰烈烈的掘进机掘进长隧道的大好形势即将到来。对此需要做好各项准备工作，如隧洞工程规划设计、掘进机引进计划、掘进机及后配套国产化实施计划、掘进机消耗件的研制计划、掘进机施工队伍的培训等，其中掌握掘进机及其施工技术将是首先要做好的准备工作。第二节全断面岩石掘进机与盾构机掘进机分类：一、掘进机的广义概念以上所列关系中掘进机可以是广义的名称，可指全断面掘进机，也包括部分断面掘进机，全断面掘进机中又包括了全断面岩石掘进机和盾构机（全断面土质掘进机），但习惯上所指的掘进机（TBM）是专指全断面岩石掘进机。二、全断面岩石掘进机英文名：FullFaceTunnelBoringMachine—TBM。掘进机的技术名称在我国过去很不统一，部门不同均冠以习惯称呼，如铁道部和交通部门称之为隧道掘进机，煤炭部门称之为巷道掘进机，水电部门又称为隧洞掘进机。1983年国家标准(GB4052—83)统一称为全断面岩石掘进机(也可以称为全断面岩石隧洞、隧道、巷道掘进机)，简称掘进机（TBM)。其定义是：一种靠旋转并推进刀盘，通过盘形滚刀破碎岩石而使隧道全断面一次成形的机器（见图1）。图1全断面岩石掘进机三、盾构机英文名TunnellingShieldMachine或ShieldMachine。简称盾构，又称盾构掘进机(ShieldedTBM)。其定义为：用于土质隧道暗挖施工、具有金属外壳，壳内装有整机及部分辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进、管片拼装等作业，通过割刀切割土体，而使隧道一次成形的机器(见图1-2)。四、全断面岩石掘进机与盾构机的互通性全断面岩石掘进机与盾构机在施工实践中各自遇到一些问题，盾构机在土质隧道掘进中有时会遇到短距离的岩石段，盾构机固有的结构特点就很难掘进，全断面岩石掘进机在岩石隧洞掘进中会遇到软岩、岩石破碎带、断层及短距离土质洞段，全断面岩石掘进机固有的结构特点也很难继续掘进。近二三十年来全断面岩石掘进机与盾构机的发展是各自从结构上吸取对方的特点以弥补自身的不足。盾构机在刀盘上除了割刀(铲刀)外，有的还可布置一定数量具有掘进机结构特征的盘形滚刀，以适应通过短距离的岩石段，如英法海峡隧道法国侧使用的φ5.61~8.62m盾构机。现代双模式盾构机(或称混合式盾构机)已经具备了盾构机和岩石掘进机的双重功能，在软土中开挖时采用螺旋输送机或泥浆管系统出碴，在岩石中掘进时可采用皮带机出碴，适用于软土和硬岩交替出现的混合地层，如瑞士苏黎世至斯维尔地下隧道工程、香港西铁隧道工程、广州和深圳地铁工程中采用的双模式盾构机。全断面岩石掘进机的发展则产生了单护盾、双护盾、三护盾掘进机，配置了具有盾构机结构特征的盾壳、割刀，在盾壳的保护下以适应通过软岩、破碎带和断层段的掘进要求，并装置管片安装机，预制钢筋砼衬砌管片可在盾尾的保护下拼装，如在我国引大入秦、引黄入晋引水隧道工程中使用的罗宾斯双护盾掘进机：刀盘上除了布置盘形滚刀外还可布置一定数量的割刀及过土槽，以适应通过短距离土质洞段。第三节全断面岩石掘进机施工特点全断面岩石掘进机施工具有以下几个特点：（1）快速。掘进机可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，并一次成洞，掘进速度快、效率高。用钻爆法，则钻孔、装药、放炮、通风、照明、排水、出碴等作业是间断进行，大截面隧道又要分块开挖，不能一次成洞，掘进速度慢，效率低。根据现有效果看，在均质同岩层中，掘进速度一般可达：软岩2m/h，中硬岩1m/h，硬岩0.5m/h。在一般的中硬岩中，掘进每月600以上。一般认为，掘进机的掘进速度较钻爆法可提高2~2.5倍。（2）优质掘进机实行机械破岩，避免了爆破作业，成洞周围岩层不会受爆破振动而破坏，洞壁完整光滑，超挖量少，一般小于开挖隧道断面面积的5%，减少了衬砌量。而钻爆法爆破成洞，围岩震裂，洞壁粗糙且凹凸不平，超挖量大于开挖隧道面积的20%，衬砌厚。（3）经济掘进机施工速度快，缩短了工期，大大提高了经济效益与社会效益，由于超挖量少，节省了大量衬砌费用。TBM施工超挖量能控制在几厘米之内，能减少清理作业和混凝土用量（混凝土用量约节约50%），适合于喷射混凝土衬砌。因此，国外有人认为在作业条件适宜时，总成本可降低20%~30%。一般掘进机施工需总人数40~50人即能达到月成洞200m，更为重要的是用掘进机施工可大大减轻劳动强度。（4）安全。用掘进机施工，改善了作业人员的洞内劳动条件，减轻了体力劳动量，避免了爆破施工可能造成的人员伤亡，事故大大减少。（5）环保。掘进机施工不用炸药爆破，施工现场环境不被污染，有利于环境保护。因此，全断面岩石掘进机特别适用于城市地下工程，河海地下隧道及山区隧道的开挖。对深埋长隧道，如采用钻爆法开挖时，必须开挖若干支洞以供主洞施工时出碴、通风等之用，当地形条件不允许开挖支洞时，则掘进机法施工是更好的选择。目前，对1km以下短洞或地质特别复杂，如大规模岩溶、涌水、断层兼有，则全断面岩石掘进机难以发挥其优势。掘进机施工存在问题（1）一次投资大，尺寸大，重量大，机器较为复杂（但对于岩层适宜的长隧道，由于掘进机掘进速度高，总的工程成本并不高），制造周期长，装运费时、费钱，刀具的消耗和维修费用也很高。但随着冶金技术的发展，刀具消耗的问题正在逐渐以以解决。（2）对岩层变化的适应性差。就目前使用情况看，对中硬岩使用较为有效，对软岩和硬岩仍存在较多困难。（3）开挖的隧道断面局限于圆形，对于其他形状的断面，则需要二次开挖，如用机器本身，则构造更为复杂。第四节国外全断面岩石掘进机发展概况一、国外掘进机主要厂商概况国外生产TBM的厂家较多，20世纪六七十年代实力较强的4家掘进机制造公司分别是美国的罗宾斯（Robbins）公司、佳伐（Jarva））公司、德国的维尔特(Wirth)公司和德马克（Demag）公司。罗宾斯公司自1952年开始生产第一台岩石掘进机，其他几家公司均在20世纪60年代中期开始研制掘进机。经过近几十年国际市场的剧烈竞争，生产厂家经历了重组、收购、兼并、转产及停产等，现在生产岩石掘进机的厂家主要有罗宾斯、维尔特、海瑞克（Herrenknecht）、拉瓦特（Lovat）和小松（Komatsu）。软土掘进机（即盾构）的主要厂家有川崎重工（Kawasaki）、三菱重工（Mitsubishi）和法马通（NFM，2001年与Wirth公司成立Wirth集团）。美国罗宾斯公司总部位于俄亥俄州梭隆（Solon）的罗宾斯公司是全球隧道掘进行业的领导者。罗宾斯公司自1952年成功地建造了世界上第一台岩石掘进机，后罗宾斯公司被阿特拉斯-科普柯集团（ATLASCOPCO）兼并，1998年开始停止生产掘进机；1999年美国博太克（BORETEC）公司收购了罗宾斯品牌，博太克改名罗宾斯公司，继续生产掘进机。由罗宾斯公司建造的掘进机在全球完成了700多项工程，累计长度超过4000km，直径从1.64m至11.87m。罗宾斯公司还生产和提供隧道掘进的配套设备和服务，包括隧道出碴系统、掘进机后配套系统、滚刀、消耗件和技术服务人员以及全面的隧道掘进技术支持。自20世纪80年代以来，已经为中国的建设项目提供了超过10台的隧道掘进机以及各类技术服务，包括为辽宁大伙房水库引水工程提供两台直径为8m的硬岩掘进机、全部后配套系统、长期的现场技术支持和服务。德国维尔特集团公司（WIRTHGROUP）德国维尔特公司成立于1895年，1916年公司开始生产钻进设备和泵类产品，1965年公司开始生产全断面掘进机（TBM和盾构），可生产直径为2m至15m的各型全断面设备。1989年维尔特公司成为英国豪顿（HOWDENGROUP）集团成员，1999年维尔特独立存在，2001年公司兼并了Soltau小直径掘进机厂商和Paurat巷道掘进机（Roadheader）分厂，并与法国法马通（FRAMATOME）下属子公司NFM（NeyrpicFramatomeMecanigue）公司联合成立集团公司。其中德国维尔特公司以生产硬岩掘进机为主，法国法马通公司以生产软土盾构为主。维尔特集团公司员工超过1000人，其中700多人在德国，200多人在法国和其他国家的办事处。我国秦岭铁路隧道购买的两台开敞式TBM就是维尔特公司制造的。广深港狮子洋隧道和北京地下直径线隧道共6台盾构通过公开招标，也是维尔特公司中标。海瑞克公司成立于1977年，由马丁-海瑞克创办，是一家专门从事隧道掘进机机械及配套设备研发、设计、制造和服务的专业公司。公司总部位于德国莱茵河边靠近法国和瑞士边境的Schwanau市。至2005年底，公司有员工超过1700人，分布在世界各地，其中1200人工作在德国总部的Schwanau。厂房面积56000m2，拥有现代化的生产厂房和设施。海瑞克公司在隧道掘进系统的设计、生产和服务等方面，在世界上处于领先地位。其产品可适用于各种不同的复杂的地质条件，机型齐全，直径系列完整。直径从0.8m至15.44m不等的掘进机均有成功的实