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1中国铁建重工集团双护盾TBM技术交流中国铁建重工集团2015年10月汇报提纲二、双护盾TBM施工简介三、双护盾TBM结构介绍一、双护盾TBM简介及适应性介绍四、铁建重工TBM设计特点23一、双护盾TBM简介及适应性介绍•TBM是“TunnelBoringMachine”的英文缩写。其英文意义是隧道钻掘机器。是指利用回转刀具开挖（同时破碎和掘进）隧道的整个断面的机械总称，通常称为岩石隧道掘进机或隧道掘进机。•TBM是集掘进、支护、出碴、运输于一体,为目前世界上最先进的隧道施工机械。采用TBM施工，无论是在隧道的一次成型、施工进度、施工安全、施工环境、工程质量等方面，还是在人力资源的配置方面都比传统的施工工法有了质的飞跃，实现了隧道施工工厂化作业。。4土压平衡盾构机泥水平衡盾构机土压/泥水双模式盾构机TBM敞开式TBM其它类型立井掘进机、水平定向钻、顶管机等土压平衡/单护盾双模式单护盾TBM双护盾TBM盾构/TBM分类TBM适应范围项目敞开式双护盾单护盾地质条件适应性适应地层一般要求围岩条件较好，岩石为中硬岩、坚硬岩、极硬岩，单轴抗压强度在50～300MPa,岩石稳定性要求较高，一般开挖围岩为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类围岩。适应地层较广，岩石为软岩、中硬岩、坚硬岩，单轴抗压强度在20～150MPa之间，岩体较完整至破碎都可适应，可适应围岩有Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ类围岩，但当遇到破碎带和膨胀围岩、地应力大而导致围岩变形时有卡机风险。主要应用于地质松软地层，即围岩的稳定性差，单轴抗压强度在50MPa以下的Ⅳ、Ⅴ类围岩。由于使用敞开式和双护盾掘进机无法支撑洞壁，不能有效提供反作用力，因此只能选择单护盾掘进机。施工速度地质情况好时只需进行挂网锚喷，支护工作量小，速度快。地质差时需要超前加固，并钢拱架支护，支护工作量大，速度慢。围岩较稳定时，掘进的同时可安装管片，掘进速度快。只能支撑在管片上掘进，施工速度相对较慢。5适应范围项目敞开式双护盾单护盾衬砌效果及质量采用复合式衬砌形式，可根据开挖情况随时调整初支和二衬措施，费用低。所需较多管片生产模具及管片场预制，管片总体造价高，支护整体性和防水性不如模筑衬砌。所需较多管片生产模具及管片场预制，管片总体造价高，支护整体性和防水性不如模筑衬砌。安全性设备与人员暴露在围岩下，需加强防护。设备与人员处于TBM壳体的保护下，安全性好。同双护盾式，安全性好。应急处理的灵活性灵活性好，对处理小型断层、破碎带、涌水等不良地质时可采用辅助设备进行临时处理，适当调整掘进参数，待掘进机通过时再加固。灵活性差，遇到软岩大变形地层时应急处理较差，由于护盾较长，遇到断层、破碎带时很容易被卡，脱困时间较长。灵活性差，由于没有支撑反力，单护盾掘进机没有后退功能，很难对刀盘前部围岩进行处理。对软岩大变形的应急处理灵活性较差，盾体较长容易被卡。6781.2、国内TBM应用简介我国的水利水电工程最早使用TBM施工。我国从六十年代开始进行TBM的研制和工业性试验，1981年在云南西洱河一级电站引水隧道使用了上海水工厂制造的TBM，共掘进2747.2m，最高日进尺19.85m，最高月进尺201.5m。在铁路隧道施工中使用TBM是从西安安康铁路秦岭Ⅰ线隧道开始的。秦岭Ⅰ线隧道。全长18.456km，采用TBM法和钻爆法施工，由铁道部1996年引进两台φ8.8m开敞式TBM，秦岭北口TBM掘进长度为5.244km，秦岭南口TBM掘进长度为5.621km，TBM施工中，1998年平均月进度为252.36m，1999年平均月进度为290.64m，最高月进度为528.48m。国内正在应用TBM的工程洞径承包商工程名称开工时间地质概况开挖洞长隧道类型8.5m18局辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km引水8.5m中隧辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km引水8.5m山西水工局辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km引水8.5m水电三局辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km引水8.5m水电六局辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km引水8.5m水电十四局辽西北引水工程2013Ⅱ、Ⅲ类围岩40km引水9洞径承包商工程名称开工时间地质概况开挖洞长8.02m中隧引汉济渭2014Ⅱ、Ⅲ类围岩18km8.02m十八局引汉济渭2013Ⅱ、Ⅲ类围岩18km4.30m武警水电西藏旁多引水工程2012Ⅱ、Ⅲ类围岩10km7.62m中铁十一局新街煤矿2013砂岩、泥岩6km7.62m中铁十三局局新街煤矿2013砂岩、泥岩6km7.62m中铁十一局补连塔煤矿2014砂岩、砾岩2km7.93m中铁十八局吉林引水项目2014Ⅱ、Ⅲ类围岩20km6.53米中铁十八局等新疆ABH引水工程2015Ⅱ、Ⅲ类围岩32km国内正在应用TBM的工程1011二、双护盾TBM施工简介双护盾TBM主要用于围岩较完整的岩石隧洞，这些隧洞的围岩一般具有较好的自稳性，采用管片支护。因具有主推进油缸、辅助推进油缸以及撑靴油缸，掘进和管片拼装可以同步进行，互不干扰，理论上其掘进速度是单护盾TBM的两倍，是敞开式TBM的1.5倍。根据围岩的强度分类，双护盾TBM有两种掘进模式：硬岩模式（双护盾模式）和软岩模式（单护盾模式）。双护盾掘进机工作模式－硬岩模式•双护盾TBM掘进时，首先将后盾的侧向支撑伸出撑在地层上，使后盾固定，刀盘旋转进行掘进，同时操纵前盾推进千斤顶，推动前盾前进。刀盘旋转时，刀盘周边的铲斗将土碴铲起，铲斗内的土碴旋转到顶部时，土碴通过碴槽卸到中心皮带输送机上，通过皮带输送机将土碴卸入矿车，土碴由矿车成列运出洞外。前盾向前掘进的同时，后盾进行管片安装。•刀盘推进一个循环后，前盾停止推进，将前盾的侧向支撑伸出，前盾固定于隧道，收回后盾侧向支撑，操纵后盾辅助油缸推动后盾前进一个循环，然后将撑靴伸出，固定后盾，收回前盾侧向支撑。开始进行下半环的掘进。(a)掘进与安装管片（b)换步(d)再掘进与安装管片©再支撑双护盾TBM硬岩作业模式双护盾掘进机工作模式－软岩模式•在破碎或软弱围岩时，支撑靴无效，或为了避免损坏围岩而不采用支撑靴，TBM通过副推进油缸（后盾千斤顶）支撑在管片上进行推进，此时掘进与安装管片不能同时进行。双护盾TBM软岩作业模式(a）掘进(b)换步（辅助推进油缸缩入）©安装管片(d)再掘进洞内混凝土管片衬砌及矿车出渣1617三、双护盾TBM结构介绍1－刀盘2－石碴漏斗3－刀盘驱动4－伸缩盾及支撑靴5－盾尾密封6－超前探测钻7－管片安装机8－管片输送车9－管片10－副推进油缸11－后盾12－主推进油缸13－前盾14－撑靴油缸15－皮带机双护盾式TBM主机结构TBM掘进、破岩的关键部件，刀盘的性能和质量对施工速度和刀具成本影响很大；采用低合金高强度钢板焊接而成，滚刀所受的推力通过刀座、面板、背板、垂直筋板、后锥板、连接法兰传递到主驱动，刀盘整体强度和刚度满足全断面硬岩隧道掘进要求。1、刀盘在推力的作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转，并绕自身轴线自转。硬岩掘进机的刀具组成目前是单刃盘形滚刀具，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，盘形滚刀在掌子面中心切缝上滚动，当推力超过岩石的强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成隧道同心圆沟槽。随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落，形成石碴。1、刀盘掘进岩面照片22接碴斗是安装在刀盘大法兰内圈的斗状钢结构件，其主要作用是将从溜碴槽里面掉落下来的岩碴转运到皮带输送机上。接碴斗采用具有高耐磨性的钢板焊接而成。护盾系统由前护盾、伸缩护盾、支撑护盾和尾护盾以及护盾的连接、支撑和拉动机构等组成；盾体结构采用锥形设计，并进行耐磨保护，可以适应复杂的地质条件。满足连续掘进15-20km。2、护盾2.1、前盾•前盾包含刀盘与刀盘驱动装置，并支承着刀盘与刀盘驱动装置。前盾由主推进液压油缸（即伸缩盾液压油缸）与后盾相接。主推进液压油缸分成上下左右四组进行控制，对前盾进行方向控制。前盾相对于后盾的位置，由测距传感器测量，并在操作室中显示读出。2.2、伸缩盾伸缩护盾联系着前护盾和支撑护盾。通过伸缩护盾实现掘进机开挖与隧道管片衬砌安装同时进行，大大提高了掘进机的效率。主推进油缸在遇到不稳定的地层条件，可传递拉力，这一性能可以有效防止前护盾向下倾斜。两个扭矩梁将刀盘的扭矩从前护盾传给支撑护盾，通过扭矩油缸对前护盾进行纠偏调整，同时可以在护盾滚动时可以将护盾复位。伸缩护盾设置了开口，可以便于观察围岩，同时可以清理堆积在护盾上的岩渣。2.2、伸缩盾2.3、支撑盾支撑护盾也叫撑紧盾，为焊接结构，包括两个大尺寸的撑靴保证与洞壁撑紧并保持较低的接地比压。撑靴由撑紧油缸作用，撑紧力无级可调，在不同地质条件下，根据洞壁的情况对撑紧力进行调整，可以满足不同围岩下的掘进需求。为了应对不良地质条件，在支撑护盾内设计了超前钻孔位置，可以超前钻孔、超前注浆，对不良地质进行超前加固，也可以对TBM前方围岩进行超前探测。2.4、尾盾尾护盾也称为尾盾，安装在支撑护盾后部。可以对管片安装机区域的工作人员进行保护。尾护盾设计了由弹簧钢板制成的盾尾密封，连接在尾盾后面。可以防止回填材料和浆液进入尾盾内部。辅助推进液压缸也分成四组，以利TBM转向，当在软弱围岩中掘进时，不用撑靴与伸缩盾。副推进液压缸在相应的四组内，连到一共同的推力靴上。3、连接桥及后配套系统根据国内用户的施工习惯设计，设备布置合理、人性化，操作便利；满足过站、始发期间特殊空间要求，拖车左右尺寸小。管片拼装机固定在盾尾区域，用于安装衬砌管片。主要由主支撑梁、回转机架、移动机架、管片抓取机构和提升油缸等组成。由单独的液压系统提供动力，通过对液压马达和液压油缸等执行机构动作的比例控制，可实现拼装管片的纵向移动、径向移动、横向移动、回转、横摇和俯仰动作。3.1、管片拼装系统型式双梁式数量2行走驱动链条驱动起吊能力2×5t行走速度10m/min提升/下降速度（高速）3.2m/min提升/下降速度（低速）0.75m/min控制方式摇控+线控管片吊运系统将管片从位于TBM一号拖车中部的管片卸载区运至管片小车上，再由管片小车转运至管片拼装机工作区域。管片吊运系统起升机构采用电动环链葫芦，行走机构采用电机+链轮链条驱动，制动可靠，维护保养方便。管片小车主要由底架、内托梁、外托梁、拖拉油缸、顶升油缸、输送油缸等组成。顶升油缸和输送油缸的配合动作将管片运送到管片拼装机工作区域，管片小车上可根据设计同时存放3-6块管片。皮带机包含主机皮带机、后配套皮带机、连续皮带机系统。皮带机具有自动清理、刮渣、防跑偏、耐磨、防滑、张紧等功能，使用寿命长。皮带机具有与掘进和检修相匹配的调速功能。3.2、皮带机系统通过主机皮带，可将刀盘接碴斗收集到的石碴转运到后配套皮带机上。当需要人员进入刀盘检修或更换刀具时，TBM停机后，可通过主机皮带机伸缩液压油缸将主机皮带机从盾体内拉出3米至4米的距离，可留出供人员通过的空间。主要由尾部改向滚筒、头部驱动滚筒、驱动马达、减速机、托辊、滑移轨道、清扫器、张紧装置、速度检测装置、拉绳开关、跑偏开关等部件组成。主机皮带机通过后配套皮带机，可将主机皮带机倒运过来的的碴石转运至后配套后部的连续皮带机上。后配套皮带机采用变频电机、减速机驱动，可实现无级调速，具有正反转功能。配置大行程液压油缸张紧，可满足长皮带的张紧需求。后配套皮带机连续皮带机主要由豆砾石罐、豆砾石罐体吊机、豆砾石皮带机、豆砾石料斗和豆砾石喷射机组成。其主要作用是在管片与洞壁之间的空隙内及时回填豆砾石以保证管片结构的稳定性。3.3豆砾石回填系统安装好的管片在脱出尾盾后进行管片豆砾石充填与灌浆。先通过管片上预留的注浆孔对隧洞底部90°范围灌浆，再对隧洞上部270°范围通过管片上预留的注浆孔充填豆砾石，再进行灌浆。豆砾石充填顺次按先拱底、次两侧、后拱顶的顺序，避免充填的豆砾石出现架空。喷射豆砾石豆砾石豆砾