第11章-TBM法施工技术

TBM法隧道结构11掘进机(TBM)施工技术TBM法隧道结构本章内容11.1概述11.2TBM的分类11.3TBM的构造11.4采用TBM法的基本条件11.5TBM法的支护技术11.6TBM施工工程实例TBM法隧道结构11.1概述1)基本概念隧道掘进机（TunnelBoringMachine）简称TBM。隧道掘进机法：是利用隧道掘进机在岩石地层中进行隧道开挖的方法。通常是利用回转刀盘和掘进机推进装置的推进力使刀盘上的滚刀切割(或破碎)岩面，以达到破岩开挖隧道的目的。掘进机构造：由切削破碎装置、行走推进装置、出碴运输装置、驱动装置、机器方位调整机构、机架和机尾，以及液压、电气、润滑、除尘系统等组成。TBM法隧道结构11.1概述2)TBM法的优缺点(1)TBM法的优点快速—约为钻爆法的4~6倍；优质—洞壁光滑，超挖量少；高效—节约衬砌，节约人工劳动，缩短工期；安全—无爆破作业，安全性加大，作业环境安全；环保—非爆破开挖，尘土、气体、噪音污染少，减少辅助洞室，减少地表破坏；自动化、信息化程度高。TBM法隧道结构11.1概述2)TBM法的优缺点(2)TBM法的缺点地质适应性较差；不适宜中短距离隧道的施工；断面适应性较差；运输困难，对施工场地有特殊要求；设备购置及使用成本大。TBM法隧道结构11.1概述3)TBM与盾构机的区别1)适用的工程不一样，TBM用于硬岩，盾构机用于土层的挖掘。2)两者的掘进，平衡，支护系统都不一样。3)TBM比盾构技术更先进，更复杂。4)工作的环境也不一样，TBM是硬岩掘进机，一般用在山岭隧道或大型引水工程，盾构是软土类掘进机，主要是城市地铁，及小型管道。其实，TBM和盾构机除了这些本质的差别外，笼统的来说，都是一样，都是隧道全断面掘进机。只是不同的工作环境应用不用的机械罢了。TBM法隧道结构11.2TBM的分类隧道掘进机的分类按岩石的破碎方式分类：分为挤压破碎与切削破碎两种，前者是将较大的推力给予刀具，通过刀具的楔子作用将岩石挤压破碎；后者是利用旋转扭矩在刀具的切线方向及垂直方向上进行切削按刀具旋转方式分类：分为单轴旋转式与多轴旋转式两种。按切削方式分类：分为全断面切削方式和部分断面切削方式两类。部分断面切削方式是挖掘煤炭用的机械在隧道挖掘施工上的应用；全断面切削方式开挖的断面一般是圆形的。全断面隧道掘进机：支撑式TBM；护盾式TBM；扩孔式TBM；摇臂式TBM。TBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.1支撑式(开敞式)TBM支撑式TBM是利用自身支撑机构撑紧洞壁，以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。主要适用于：岩石整体性较好的隧道。支撑式TBM主机根据岩性不同可选择配置临时支护设备：钢拱架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备，预先固结周边岩石，然后再开挖。敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间，最优选择φ3～7m。TBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.1支撑式(开敞式)TBMTBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.2护盾式TBM护盾式全断面岩石掘进机是在整机外围设置与机器直径相一致的圆筒形护盾结构，以利于掘进松软、破碎或复杂的岩层的全断面岩石掘进机。护盾式掘进机可分为单护盾、双护盾和三护盾三类。TBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.2护盾式TBM1－刀盘；2－护盾；3－驱动装置；4－推进油缸；5－皮带运输机；6－主轴承及大齿圈;7－刀盘支承壳体；8－混凝土管片；9－混凝土管片铺架机单护盾TBMTBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.2护盾式TBM双护盾TBMTBM法隧道结构11.2TBM的分类11.2.3扩孔式TBM•扩孔式TBM：指先打导洞，然后分级或一次扩孔掘进成洞的全断面岩石掘进机。•适用于：开挖大直径隧洞。11.2.4摇臂式TBM•摇臂式TBM的刀具和摇臂随机头一起转动，摇臂的摆动由液压缸活塞杆的伸缩来传递，通过摇臂使刀具内外摆动。•转动与摆动这两种运动的合成使刀具以空间螺旋形轨迹破碎岩石，可掘进圆形或带圆角的矩形隧洞断面。•适用于：开挖岩石较软的隧洞。TBM法隧道结构11.3TBM的构造TBM的基本构成要素可以分为：开挖部、反力支撑靴部、推进部和排土部。11.3.1开挖部TBM目前使用的刀具主要是圆盘形滚刀。主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.1开挖部TBM法隧道结构11.3TBM的构造刀盘构造TBM与在软土中掘进的盾构不同，是以围岩的自稳为前提的。有各种各样的构造。但最重要的是刀盘和支撑靴。1）球面和平面刀盘为了不在边缘处安设特殊的边滚刀，可采用平面滚刀。目前较重视滚刀的互换性，因而球面刀盘采用的较多。TBM法隧道结构11.3TBM的构造2）周边支持型和中央主轴型刀盘周边支持型刀盘：是由圆筒状的筒体和主机架构成，采用大口径轴承，其后背设有开口很大的周边支持结构。刀盘周围装有均布的铲斗和刮板，以便及时收集切下来的石渣，送到排土装置中。中央主轴型刀盘：是一个圆板构造体，在其中心处设主轴，用小口径的轴承来支持，滚刀设在圆板上。出渣是利用设在刀盘外周的刮板从下部收集，而后用外周的料斗由上部送到排土装置中。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.2反力支承靴部支承靴的作用是提供TBM推进时所需的反力（推进力、刀盘扭矩）。为提供充分的反力和不损伤隧道壁面，应该加大其接触面积，以减小接地压力。把这种作用的支承靴称为主支承靴；还有所谓的以控制振动，控制方向等为目的的各种辅助支承靴。TBM法隧道结构11.3TBM的构造（1）护盾型TBM支承靴在护盾型TBM中，设有提供推进反力的主支承靴(尾部)和掌子面支承靴(前部)。主支承靴一般是水平的在左右设置一对。但对大口径的TBM，有时在周边上要设置4～5个支撑靴。机型特征：采用球面刀盘，盾壳保护，地质适应范围很广；开挖过程中可控制方向；因有盾壳，TBM在隧道内的后退受到限制；千斤顶要具备两倍以上的推力；因使用管片，可改为密闭型。TBM法隧道结构11.3TBM的构造（2）敞开式TBM支承靴有单支承靴方式和双支承靴方式两种。单支承靴：是在主梁上左右设一对支承靴。该支撑靴对应推进时主梁的方位变化。双支承靴：是前后各有一对支承靴。前面的支承靴有4个(X形)、2个（I形）、3个(T形)的布置形式。方向修正：不管支撑靴是何种方式，方向修正都应在设置支承靴前进行，但对于单支承靴方式，开挖过程中也能改变方向。而双支承靴方式，在开挖进程中不能改变方向，受地质变化的影响小，直进性能好。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.3推进部主要使用推进千斤顶，推进按下述动作循环进行。（1）扩张支撑靴，固定机体在隧道壁上；（2）回转刀盘，开动千斤顶推进；（3）推进一个行程后，缩回支撑靴，把支撑靴移置到前方，返回（1）的状态。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.4排土部TBM的排土设备一般有皮带运输机、喷射泵、螺旋式输送机等。（1）皮带运输机用于各种梁型TBM和敞开式TBM中。该方式运量大，可实现高速化，有涌水时，排土困难。（2）喷射泵适用于敞开式TBM，喷射泵输出后，由液体继续进行输送。有涌水时，该方法也极为有效。但排土效率低，只用于小口径的TBM中。（3）螺旋式输送机用于密闭式护盾TBM，也可以在土压式TBM中使用。使用该方法时，掌子面自稳性高，在无涌水时，掌子面可开放。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.5TBM的附属设施包括洞内设备和洞外设备。1）TBM附属设施设置原则根据TBM施工流程，选定与之配合的必要设备。因此，要充分研究作业计划和必要的功能，再选择有效率的各项设备。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.5TBM的附属设施2）附属设备种类运输对象的核心是掌子面开挖排出的大量石渣，其他还有隧道的支护材料和隧道延伸的各种器材和刀头类的TBM维修器材等。目前，在隧道施工中采用的运输方式有：有轨道方式、无轨方式、连续皮带运输方式、泥浆运输方式等几种。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.5TBM的附属设施3）集尘及通风设备在TBM施工中，因切削岩石，而产生大量粉尘，同时为冷却切削岩石的刀头，需采用压力水喷雾。压碎时发生的粉尘可被此冷却水吸收一部分。但因水压、水量、岩石状况等粉尘抑制效果各不相同，因此，为有效抑制粉尘，设置集尘设备收集粉尘并进行处理是必要的。TBM法的通风目的是驱散作业人员呼出的二氧化碳、内燃机等产生的有害气体、TBM主机动力产生的热量、岩石破碎时产生的粉尘等。TBM法隧道结构11.3TBM的构造11.3.5TBM的附属设施4）洞内超前钻孔设备隧道掘进过程中，遇到断层和涌水是不可避免的。施工前应进行充分的现场调查。其主要方法是在TBM掌子面进行地质钻孔调查，钻孔也可同时作为排水孔使用。钻孔设备要在TBM有限的空间内，而且要随施工的进展随时可以作业，故应是小型的、易于移动的。TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件TBM的适用范围，必须根据隧道周围岩石的抗压强度，裂缝状态，涌水状态等地层岩性条件的实际状况以及机械构造、直径等的机械条件以及隧道的断面、长度、位置状况、选址条件等进行判断。TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件11.4.1工程地质条件在TBM工法中，TBM和掌子面是分离的，故有软弱层和破碎带时，采用辅助工法很困难。所以，不良地质的调查，不仅对TBM的选择和施工速度有很大的影响，对能否采用TBM法也是决定性的因素。1)影响是否选用TBM法的地质因素-（1）隧道地压是否存在塑性地压是决定TBM适用性的重要因素。地压过大，掌子面难于自稳，TBM掘进是极为困难的。围岩强度比qhα＜2挤出性——膨胀性围岩2＜α＜4轻微挤出性——地压大的围岩4＜α＜10地压大——有地压的围岩α＞10几乎无地压的围岩TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件11.4.1工程地质条件1)影响是否选用TBM法的地质因素（1）隧道地压（2）涌水状态在软弱岩层和断层破碎带中，涌水的范围、大小、压力等，是造成掌子面坍塌和承载力低下的主要问题。在涌水地段，TBM的优点会丧失殆尽，应慎用。TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件11.4.1工程地质条件2)影响TBM效率的地质因素岩石强度。开挖难易一般用抗压强度来判定。刀具消耗应考虑岩石中石英粒的范围、大小与岩石抗拉强度等判断。岩层裂隙。岩层节理、层理、片理对开挖效率影响极大。裂隙适度发育的岩层，即使抗压强度大也能进行较为有效的开挖。岩石硬度。一般，对于q100MPa的岩层，其石英含量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。破碎带等恶劣条件。在破碎带、风化带等难于自稳的困难条件下进行机械开挖，均需采取辅助施工方法配合施工。特别是在有涌水的条件下更为困难，拱顶崩塌、机体下沉、支承反力降低等问题时有发生。TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件11.4.2机械条件TBM不仅受到地质条件的约束，还受到开挖直径、开挖机构的约束。一般在硬岩中，大直径的开挖是很困难的。日本的工程实例是最大直径5m左右。理由是：目前的TBM大都是单轴回转式的，开挖直径越大，刀头的内周和外周的周速差越大，对刀头产生种种不良影响。此外，随着开挖直径的增大，要增大推力，支撑靴也要增大。会出现运送上的困难和承载力问题。此外，挖掘机械是采用压碎方式还是切削方式，对实际应用的适用范围也有差别。TBM法隧道结构11.4采用TBM法的基本条件11.4.3开挖长度TBM进入现场后，一般要经过运输、组装的过程。根据TBM的直径和形式、运输途径、组装基地的状况等，要准备1~2个月。其次，TBM的后续设