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不同地质条件下的盾构TBM选型1陈馈二O一O年三月十八日2010咸阳盾构TBM培训讲座不同地质条件下TBM选型不同地质条件下的盾构TBM选型2讲座提纲•１TBM的分类•2TBM施工的优点•3TBM施工的缺点•4TBM施组的特点•5影响TBM选型的地质因素•6TBM选型的一般规定•7TBM选型•8制约TBM施工性能的典型因素•9出碴运输与进料设备的选择不同地质条件下的盾构TBM选型3１TBM的分类•TBM主要分为开敞式、双护盾式、单护盾式三种类型。•①开敞式TBM。常用于硬岩；在开敞式TBM上，配置了钢拱架安装器和喷锚等辅助设备，以适应地质的变化；当采取有效支护手段后，也可应用于软岩隧道。不同地质条件下的盾构TBM选型4１TBM的分类开敞式TBM工作原理•1撑靴撑紧在洞壁上，前支撑和后支撑缩回，开始掘进。不同地质条件下的盾构TBM选型5１TBM的分类开敞式TBM工作原理•2刀盘向前掘进一个循环后，掘进停止。不同地质条件下的盾构TBM选型6１TBM的分类开敞式TBM工作原理•3前支撑和后支撑伸出，撑紧在洞壁上，撑靴缩回，外凯向前滑移一个行程长度。不同地质条件下的盾构TBM选型7１TBM的分类开敞式TBM工作原理•4利用前、后支撑进行方向调整。不同地质条件下的盾构TBM选型8１TBM的分类开敞式TBM工作原理•5前后外凯撑靴重新撑紧在洞壁上，前支撑和后支撑缩回，开始新的掘进循环。不同地质条件下的盾构TBM选型9１TBM的分类开敞式TBM软岩适应性•开敞式TBM一般适用于硬岩施工•在TBM上加装锚杆机、混凝土喷射机、钢拱架安装机、以及超前钻机，能适应软岩施工。•开敞式TBM通过软岩地层，采用先锚后喷及先喷后锚，并架设钢拱架的一次支护。•采用以下辅助支护设备：█锚杆机█混凝土喷射机█钢拱架安装机█超前钻机不同地质条件下的盾构TBM选型10１TBM的分类开敞式TBM软岩适应性•TBM刀盘后作业平台有条件安装辅助设备及观察、测量围岩变化情况。不同地质条件下的盾构TBM选型11１TBM的分类开敞式TBM软岩适应性•开敞式TBM上安装的超前钻机不同地质条件下的盾构TBM选型12１TBM的分类开敞式TBM软岩适应性•开敞式TBM上安装的锚杆钻机不同地质条件下的盾构TBM选型13１TBM的分类开敞式TBM软岩适应性•开敞式TBM上安装的湿喷砼机械手不同地质条件下的盾构TBM选型14１TBM的分类•②双护盾TBM。双护盾式TBM按照硬岩掘进机配上一个软岩盾构功能进行设计，既可用于硬岩，又可用于软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。•双护盾TBM，又称伸缩护盾式TBM。与开敞式TBM不同的是双护盾TBM具有全圆的护盾，与单护盾TBM不同的是双护盾TBM在地质良好时可以掘进与安装管片同时进行，且在任何循环模式下都是在开敞状态下掘进。伸缩护盾形式是双护盾TBM的独有的技术特点，是实现软硬岩作业转换的关键。不同地质条件下的盾构TBM选型15１TBM的分类•双护盾TBM具有两种掘进模式：即双护盾掘进模式和单护盾掘进模式。双护盾掘进模式适用于稳定性好的地层及围岩有小规模剥落而具有较稳定性的地层，单护盾掘进模式则适应于不稳定及不良地质地段。不同地质条件下的盾构TBM选型16１TBM的分类•1）双护盾掘进模式在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘掘进提供反力，在主推进油缸的作用下，使TBM向前推进。此时TBM作业循环为：掘进与安装管片→撑靴收回换步→再支撑→再掘进与安装管片，具体见下图。双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快。不同地质条件下的盾构TBM选型17１TBM的分类①掘进与安装管片②撑靴收回换步③再支撑④再掘进与安装管片双护盾掘进模式不同地质条件下的盾构TBM选型18１TBM的分类•2）单护盾掘进模式单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段。在软弱围岩地层中掘进时，洞壁不能提供足够的支撑反力。这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护盾处于收缩位置，双护盾TBM就相当于一台简单的盾构。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供，TBM掘进与管片安装不能同步。作业循环为：掘进→辅助油缸回收→安装管片→再掘进。不同地质条件下的盾构TBM选型19①掘进②换步（辅助推进油缸缩回）③安装管片④再掘进不同地质条件下的盾构TBM选型20１TBM的分类•③单护盾TBM。常用软岩，单护盾TBM推进时，要利用管片作为支撑，其作业原理类似于盾构，与双护盾TBM相比，掘进与安装管片两者不能同时进行，施工速度较慢。单护盾TBM与盾构的区别有两点：一是单护盾TBM采用皮带机出碴，而盾构则采用螺旋输送机出碴或采用泥浆泵以通过管道出碴；二是单护盾TBM不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土仓压力或泥水压力平衡开挖面的水土压力。不同地质条件下的盾构TBM选型212TBM施工的优点•1)快速TBM是一种集机、电、液压、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护等作业，实现了工厂化施工，掘进速度较快，效率较高。•2)优质TBM采用滚刀进行破岩，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。不同地质条件下的盾构TBM选型222TBM施工的优点•3)高效TBM施工速度快，缩短了工期，较大地提高了经济效益和社会效益；同时由于超挖量小，节省了大量衬砌费用。TBM施工用人少，降低了劳动强度、降低了材料消耗。•4)安全用TBM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。不同地质条件下的盾构TBM选型232TBM施工的优点•5)环保TBM施工不用炸药爆破，施工现场环境污染小；TBM施工减少了长大隧道的辅助导坑数量，保护了生态环境，有利于环境保护。•6）自动化、信息化程度高TBM采用了计算机控制、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备，具有自动化程度高的优点。TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工。不同地质条件下的盾构TBM选型243TBM施工的缺点•TBM的地质针对性较强，不同的地质条件、不同的隧道断面，需要设计成满足不同施工要求TBM，需要配置适应不同要求的辅助设备。不同地质条件下的盾构TBM选型253TBM施工的缺点•1）地质适应性较差TBM对隧道的地层最为敏感，不同类型的TBM适用的地层也不同，一般的软岩、硬岩、断层破碎带，可采用不同类型的TBM辅以必要的预加固和支护设备进行掘进，但对于大型的岩溶暗河发育的隧道、高地应力隧道、软岩大变形隧道、可能发生较大规模突水涌泥的隧道等特殊不良地质隧道，则不适合采用TBM施工。在这些情况下，采用钻爆法更能发挥其机动灵活的优越性。•一般情况下，以II、Ⅲ级围岩为主的隧道较适合采用敞开式TBM施工，以Ⅲ、Ⅳ级围岩为主隧道较适合采用双护盾TBM施工，对于V级围岩为主和地下水位较高的城市浅埋隧道或越江隧道则较适合采用盾构法施工。不同地质条件下的盾构TBM选型263TBM施工的缺点•2）不适宜中短距离隧道的施工由于TBM体积庞大，运输移动较困难，施工准备和辅助施工的配套系统较复杂，加工制造工期长，对于短隧道和中长隧道很难发挥其优越性。国外的实践表明，当隧道长度与直径之比大于600时，采用TBM施工是比较经济的。对于一般的单线铁路隧道，开挖直径通常在9～10m左右，按此计算，大于6km的隧道就可以考虑采用TBM施工。发达国家的隧道施工，一般优先考虑TBM法，只有在TBM法不适宜时才考虑采用钻爆法。我国则相反，根据我国的国情，我国是一个劳动力过剩的国家，钻爆法施工一直是我国的强项，采用钻爆法已成功修建了5000多公里的铁路隧道，且钻爆法施工的进度仍在逐年加快。在我国，一般认为，小于10km的隧道难以发挥TBM的优越性，而钻爆法则具有相对经济的优势；对于10km～20km的特长隧道，可以对TBM法和钻爆法施工进行经济技术比较，选择适宜的施工方法；对于大于20km的特长隧道，则宜优先采用TBM法施工。另外，对于穿越江河、城市建筑物密集或地下水位较高隧道，考虑到施工安全和沉降控制等因素，不论隧道长短，则宜优先考虑采用盾构法施工。不同地质条件下的盾构TBM选型273TBM施工的缺点•3）断面适应性较差断面直径过小时，后配套系统不易布置，施工较困难；而断面过大时，又会带来电能不足、运输困难、造价昂贵等种种问题。一般地，较适宜采用TBM施工的隧道断面直径在3m～l2m；对直径在12m～15m的隧道应根据围岩情况和掘进长度、外界条件等因素综台比较；对于直径大于15m的隧道，则不宜采用TBM施工。另一方面，变断面隧道也不能采用TBM施工。不同地质条件下的盾构TBM选型283TBM施工的缺点•4）运输困难，对施工场地有特殊要求TBM属大型专用设备，全套设备重达几千吨，最大部件重量达上百吨，拼装长度最长达200多米。同时洞外配套设施多，主要有混凝土搅拌系统、管片预制厂，修理车间、配件库、材料库、供水、供电、供风系统，运碴和翻碴系统，装卸调运系统，进场场区道路，TBM组装场地等。这些对隧道的施工场地和运输方案等都提出了很高的要求，可能有些隧道虽然长度和地质条件较适合TBM施工，但运输道路难以满足要求，或者现场不具备布置TBM施工场地的条件。不同地质条件下的盾构TBM选型293TBM施工的缺点•5）设备购置及使用成本大TBM施工需要高负荷的电力保证、需要高素质的技术人员和管理队伍、前期购买设备的费用较高，这些都直接影响到TBM施工的适用性。不同地质条件下的盾构TBM选型304TBM施组的特点•TBM的施工组织设计应充分考虑到TBM设备的采购周期较长（制造周期为11～12个月）的特点，按工期要求，有计划地合理组织好TBM及后配套设备的采购工作。•应充分考虑TBM对地质的适应性，根据隧道的围岩条件选用适应地质条件的TBM，合理组织好TBM及后配套设备的选型，并组织好TBM设备的监造工作。•应充分考虑使用TBM的特殊性，作好施工现场的准备工作，包括用电线路的架设，通往施工现场的道路、桥梁的修筑和加固，临时工程施工工作，组织好TBM大件的运输、安装、调试、掘进准备工作，并作好技术培训和材料、机具需要量计划；这些与TBM的购置同步进行。•应充分考虑TBM施工的特点和TBM通过特殊地质地段的设计方案、工程措施以及场地及水电情况对TBM的特殊要求。不同地质条件下的盾构TBM选型315影响掘进机选型的地质因素•（1）岩石的坚硬程度(单轴抗压强度Rc）•岩石的单轴抗压强度越低，掘进机的掘进速度越高，掘进越快，岩石的单轴抗压强度越高，掘进机的掘进速度越低，掘进越慢。但是，岩石的单轴抗压强度太低，掘进机掘进后围岩的自稳时间极短甚至不能自稳。岩石的单轴抗压强度值在一定范围内时，掘进机的掘进既能保持一定的速度，又能使隧道围岩在一定时间内保持自稳，这就是当前大多数掘进机适用于岩石的单轴抗压强度（Rc）值在30至150MPa之间的中等坚硬岩石和坚硬岩石的主要原因。不同类型、型号的掘进机有其各自适用的最佳岩石单轴抗压强度范围值。在硬岩中的掘进机施工，遇到的主要问题是刀具、刀圈及轴承的严重磨损以及上述部件的频繁更换，费时且耗资较大。不同地质条件下的盾构TBM选型325影响掘进机选型的地质因素•（２）岩石结构面的发育程度•一般情况下节理较发育和发育的，掘进机掘进效率较高，因为节理不发育，岩体完整，掘进机破岩困难；节理很发育，岩体破碎，自稳能力差，掘进机支护工作量增大，同时岩体给掘进机撑靴提供的反力低，造成掘进推力不足，因而也不利于掘进机效率的提高。岩体结构面越发育，密度越大，节理间距越小，完整性系数越小，掘进机掘进速度有越高的趋势。必须指出的是，当岩体结构面特别发育，结构面密度极大，也即结构面间距极小，岩体完整性系数很小时，岩体已呈碎裂状或松散状，岩体强度极低，作为隧道工程岩体已不具自