地下工程——TBM

2020/6/131第四篇TBM法2020/6/132目录第一章TBM法的概述与应用；第二章TBM的结构类型，构造和工作原理；第三章TBM法隧道的施工流程、技术要点和辅助工法；第四章课后习题及课堂讨论。2020/6/133掘进技术的发展第一代钢钎大锤第二代手持风钻第三代凿岩台车第四代TBMTBM发展历史简介2020/6/134隧道掘进机(TunnelBoringMachine)是一种用机械破碎岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。1818年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示，最早提出盾构雏形与施工方法。1846年意大利人Maus发明隧道掘进机(盾构)。1851年美国人查理士·威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进未获成功。1881年波蒙特开发出压缩空气式TBM，成功用于英吉利海峡隧道直径2.1m的勘探导坑。美国罗宾斯(Robbins)公司1952年研制出第一台软岩TBM，1956年又成功研制中硬岩TBM。2020/6/135第一章TBM法的概述与应用掘进机（TunnelBoringMachine），简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术。在机械施工中很长一段时期，把在土质隧道中采用的机械称为盾构，而把在岩质隧道中施工的机械称为掘进机，或岩石掘进机。由于机械制造技术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目前多把掘进机和盾构并称为盾构掘进机。2020/6/136TBM主要制造商美国罗宾斯德国海瑞克公司德国威尔特公司加拿大拉法特日本三菱公司Robbins2020/6/137TBM刀盘结构示意图TBM破岩方式主要有：挤压式与切削式1.挤压式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。滚刀类型：圆盘型、楔齿形、球齿型2.切削式主要利用岩石抗弯、抗剪强度低(仅为抗压强度的5~10%)的特点，靠铣削(即剪切)与弯断破碎岩体。在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不是由刀具直接切割下来的，而是由后进刀具剪切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件TBM破岩方式与原理3.圆盘型滚刀破岩原理圆盘型滚刀(图a)工作压力50~200kN，岩体表面在刀圈刀尖强集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑(见图b)。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度h较大时，剪裂面为O1O2(图c)。4.楔齿型与球齿型滚刀破岩原理最初由楔齿尖端在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩石的表面，切人深度为λ。然后由齿尖的楔入力继续引起剪切破坏，楔入深度为h。由于各齿环的齿节是不同的，因此加大了楔齿的破岩效果。球齿型滚刀的破岩原理与楔齿型滚刀相同，适用于硬岩掘进。5.削刀破岩原理削刀在挤压力Pv和切割力PH作用下，首先在刀尖处形成切碎区2，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，两槽之间的岩石在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。2020/6/1312TBM的优缺点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；安全---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。2020/6/1313缺点：1、设备购置及使用成本大；2、施工途中不能改变开挖半径；3、地质适应性较差;4、断面适应性较差;5、运输困难。TBM施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，其应用实例甚少。五六十年代随着机械工业与掘进机技术水平的不断提高发展较快。迄今为止，世界上采用TBM施工的隧道超过1000座，总长度超过4000km，以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。1.国外典型应用——英吉利海峡隧道由2条外径8.6m单线铁路隧道与1条外径5.6m辅助隧道组成。全长48.5km，海底段长37.5km，隧道最深处在海平面下100m，全部采用TBM施工。英国侧6台，岸边段3台海底段3台(单向推进21.2km)。法国侧5台，岸边段2台海底段3台。最深处需承受10atm水压力，平均月进尺1000m/月。隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平，也是融合英、美、法、德等国TBM施工技术于一体的最高成就。国内外应用概况2.国内应用国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期，共生产10余台直径2.5~5.8m的TBM，先后用于下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺20~300m，累计总掘进长度12km。云南西洱河水电站引水隧道引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道引大入秦总干渠38号隧道北京落坡岭水电工程贵州猫跳河水电站引水隧道福建龙门滩引水隧道江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿甘肃引大入秦水磨沟输水隧道[Φ5.54m；11649m；Robbins双护盾TBM；最高月进尺1300.8m/月]辽宁大伙房引水工程[全长85.32km，3台Φ8.0m开敞式]新疆大阪输水隧道工程[全长30.68km，德国海瑞克双护盾TBM]青海引大济湟总干渠工程[德国Wirth双护盾TBM，Φ5.93m，全长19.94km]西康铁路秦岭Ⅰ线隧道[掘进5.621km，Φ8.8m开敞式TBM]西安南京铁路桃花铺1号隧道[掘进7.23km,机型同上]西安南京铁路磨沟岭隧道[掘进6.11km,机型同上]南疆铁路吐库二线中天山隧道[机型同上]兰渝铁路西秦岭隧道[Φ10.23mRobbins开敞式TBM]重庆地铁一号线[2台Φ6.36m开敞式TBM]2020/6/1317第二章TBM的结构类型，构造和工作原理一、全断面TBMTBM基本构造TBM由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几部分组成。1.破岩机构滚刀或削刀在强大轴推力的作用下旋转，切削与剪切破碎岩石。2.推进机构主支撑鞋顶撑洞壁以支承和推进机身。副支撑鞋控制振动与方向。3.出碴机构破岩形成的片状石碴，由安装在刀盘上的铲碴斗铲起，铲斗旋转到顶部卸入集料斗，经皮带机装车运出洞外。4.导向及调向机构导向机构是用来指示和校核掘进机推进的方向，使其保证符合设计的轴线和坡度的要求。5.通风及吸尘装置掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘。故对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装置，掘进时连续喷水降尘。机房内专设通风降温设备。全断面TBM分类开敞式TBM：配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设备。常用于硬岩，采取有效支护手段后也可应用于软岩隧道。双护盾TBM：适用于各种地质，既能适应软岩，也能适应硬岩或软硬岩交互地层。单护盾TBM：常用于劣质地层。单护盾TBM推进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双护盾TBM相比，掘进与安装管片不能同时进行。微型TBM：Φ0.25~3.00m中型TBM：Φ3.0~8.0m巨型TBM：大于Φ8.0mSingleShieldTBM①护盾；②液压推进油缸；③管片；④刀盘；⑤装渣斗；⑥皮带输送机DoubleShieldTBM①可伸缩护盾；②刀盘；③活动支撑鞋；④辅助推进油缸；⑤管片GripperTBM①支撑鞋；②钢支架举升器；③锚杆安装机构；④钢筋网举升器2020/6/1324二、自由断面TBM2020/6/1325自由断面TBM的优缺点优点：①开挖断面形状自由；②易于适应地质条件的变化；③开挖速度快；④围岩松弛少；⑤噪声、振动少；⑥轻量、小型、机动性好；⑦人员少，安全性高；⑧机械购置费用低。2020/6/1326缺点：①地质条件的适用范围小；②发生粉尘；③有涌水时易于泥化；一．TBM施工主要流程施工准备→全断面开挖与出渣→外层管片式衬砌或初期支护→TBM前推→管片外灌浆或二次衬砌二．Robbins开敞式TBM循环作业流程STEP1:作业开始。主支撑前位撑紧洞壁，后支撑腿提起。刀盘转动，推进油缸伸出，TBM前部前移一个作业行程STEP2:准备换步。刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重STEP3:主支撑回缩。推进油缸回缩将自由态主支撑前拉回位STEP4:主支撑回位后伸出支撑鞋抵紧岩壁，后支撑提起，TBM定位找正，坡道上必要时先定坡度。STEP5:返回第一步，TBM准备下一循环掘进。第三章TBM法隧道的施工流程、技术要点和辅助工法第三节掘进机法施工技术要求一．基本原则TBM掘进断面大可达10m以上，小仅为1.8m。由于TBM与辅助施工技术日臻完善以及现代高科技成果(液压新技术、电子技术与材料科学技术等)的应用大大提高了TBM对各种困难条件的适应性，因此简单从开挖可能性来考虑TBM的适用范围是不全面的。1.判定依据①隧道围岩的抗压强度、裂缝状态、涌水状态等岩性条件②机械构造、TBM直径等机械条件；③隧道断面、长度、位置状况、地址条件等。2.TBM工法选用流程(参见下页流程图)初步调查地质构造分析地表调查弹性波速度阻抗试验钻孔调查开挖直径刀具直径与数量马达刀具转速后续设备等循环、支护辅助工法、临时设计与钻爆法比较线路决定地质调查当地条件TBM规格决定施工计划经济分析实施计划变更线路其他方法NoYesTBM工法研究流程框图二、工程地质条件主要调查影响TBM使用的地质条件。1.影响TBM选用的地质因素①隧道地压。是否存在塑性地压？指标：围岩强度比(软岩)；围岩抗剪强度比(似砂土软岩)围岩强度比断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难②涌水状态。涌水范围、大小与压力会造成工作面崩塌与承载力低下，应慎用。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qh2.影响TBM效率的地质因素①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范围、大小与抗拉强度等判断。②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。③岩石硬度。一般地，对于q＜100MPa的岩层，其石英含量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。④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。二、工程地质条件(续)3.TBM适用范围①一般只适用于圆形断面隧道，只有铣削滚筒式掘进机可在软岩中掘进非圆形断面隧道。②开挖隧道直径1.8~12m之间，以直径3~6m最为成熟。③一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km，以3~8km最佳。④适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20~250MPa，尤以50~100MPa最佳。⑤地质条件对TBM掘进效率影响很大。在良好岩层中月进尺可达500~600m，而在破碎岩层中只有100m左右，在塌陷、涌水、暗河地段甚至需停机处理。⑥选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。二、工程地质条件(续)三．机械条件TBM不仅受地质条件约束，还受到开挖直径、开挖机构的约束。在硬岩中开挖大直径隧道很是困难。日本实例的最大直径仅为5m左右。目前TBM多数是单轴回转式。若开挖直径越大，刀头内周与外周的周差速越大，将对刀头产生种种不良影响。随着开挖直径的增大，需要增大推力，支撑靴也要增大，将导致运输困难与承载力问题。四．开挖长度TBM进场需经历运输、组装等过程。根据其直径与型式、运输途径、组装基地状况等不同，需准备1~2个月。TBM后续设备长100~200m，为正规地进行掘进也需先筑一段长200m左右的隧道。隧道长度小于1000m时，其运行成本急剧增大。达3000m左右时的成本大致是一定的。国外在断面10~30m2、长1000km以上的隧道开挖，优先考虑采用TBM施工。最佳开挖长度为3000km以上，短隧道慎用。五.工程所在地的道路设施TBM的运输与组装要求注意工程所在地的基础设施条件。搬运计划应考虑道路宽度、高度与重量等限制，根据组装条件充分调查运输时的分割方