搜索
刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院)第四篇掘进机法修建的地下工程第一章TBM法及其应用第一节概述1.1盾构掘进机掘进机（tunnelboringmachine），简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化的施工技术。与盾构有异曲同工之处。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，而把在岩质隧道施工中的机械称为掘进机，或者岩石掘进机。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一并称为盾构掘进机。①安全、省力、改善劳动环境等社会的要求提高。使单纯作业和危险作业机械化。②掘进机施工不采用爆破，对围岩扰动小，有利于保护围岩、维护围岩固有的承载力，减轻支护结构的支护量。③施工对周围影响小、安全性和施工可靠性高、洞内的作业环境也比其他隧道施工方法好等。④由于地质条件的复杂性，把盾构技术引进到TBM中，使TBM法的适用范围扩大，发挥TBM的作用。1.2掘进机技术获得巨大发展的原因第二节TBM法2.1TBM法隧道TBM是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出碴及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。用此法修筑隧道的方法，称为TBM法。1.根据破碎岩石的方法分类：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，用挤压和剪切的联合作用破碎岩体。切削式利用岩石抗弯、抗剪强度低（仅为抗压强度的1/10-1/20）的特点，靠铣削（即剪切）和弯断破碎岩体。2.按照TBM的作业是否封闭分类：可分为开敞式、单护盾和双护盾TBM。开敞式TBM适用于围岩稳定性好的场合，护盾式TBM适合于围岩较软弱、需进行混凝土（钢）管片安装的场合。2.2TBM的分类TBM一般由刀盘、机架、推进缸、套架、支撑缸、胶带机及动力间等部分组成。掘进时，通过推进缸给刀盘施加压力，滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘上的集料斗转至顶部通过胶带机将岩碴运至机尾，卸入其他运输设备运走。为了避免粉尘危害，TBM头部装有喷水及吸尘设备，在掘进过程中连续喷水、吸尘。2.3TBM1.TBM的工作图a为机器用支撑板撑住，前后下支撑回缩，推进缸推压刀盘钻掘开始；图b为掘进一个行程，钻掘终止;图c为前后下支撑伸出到洞底部、支撑板回缩；图d为外机体前移，用后下支撑调整机器方位；图e为支撑板撑住洞壁，前后下支撑回缩，为下一个工作循环做好准备。2.TBM的工作循环图2.4TBM的破岩原理TBM的破岩原理，随刀具的类型不同分为滚刀和削刀两类。1.滚刀破岩滚刀破岩是通过滚刀对岩石施加强大的压力，在岩面上滚动来破碎岩石的。根据滚刀的形式不同，又分为圆盘型、楔齿型、球齿型滚刀几类。a.圆盘型滚刀工作时每只圆盘刀具上约作用有50-200kN的压力，使岩体表面在刀圈刀尖强集中力作用下破碎并被切入，并形成切入坑，如图4-1-2b所示。随着滚刀滚动，切入坑连通，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石AO1C又受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度h较小时，剪裂面为O1C或O2D，h较大时，剪裂面为O1O2，如图4-1-2c所示。b.楔齿型和球齿型最初由楔齿的尖端，在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩石的表面，切入深度为λ，如图4-1-3c所示。然后，由齿尖在楔入力继续引起剪切破坏，楔入深度为h。另外，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，球齿型滚刀更为耐磨，适用于硬岩掘进。2.削刀破岩工作时，削刀在挤压力PV和切割力PH的作用下，首先在刀尖处形成切碎区，随着刀具回转运动，形成剪力破碎区，如图4-1-4所示。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，该槽的宽度即为刀刃的宽度，约为刀具回转一周破岩总进尺的1/4-1/3，两切削槽之间的岩石，约为破岩进尺的2/3-3/4，则由削刀侧向挤压力R作用而剪力破碎，如图4-1-5所示。不论是滚刀或是削刀，总的破岩体积中，大部分破岩并不是由刀具直接切割的，而是由后进刀具剪切破碎的。为有效破岩，先形成破碎沟或切削槽是前提条件。破碎沟或切削槽的深度、宽度愈大，破岩效果便愈好。因此，需根据开挖岩体的性质，选择适宜的刀具。2.5TBM的特点1.TBM法的优点①开挖作业能连续进行，施工速度快，工期短。特别是在稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。②对围岩的扰动损伤小，用爆破法使围岩的损伤范围约为2-3m，而TBM法只有1m左右，几乎不产生松弛、掉块、崩塌的危险，可减轻支护的工作量。此外，超挖小，衬砌也省时省料。③开挖表面平滑，在圆形隧洞的情况下，受力条件好。④振动和噪声对周围的居民和结构物的影响小。⑤施工安全，近期的TBM可在防护棚内进行刀具的更换，密闭式操纵室、高性能集尘机等的采用，使安全性和作业环境有了较大的改善。⑥作业人员少。2.TBM法的缺点①设备的购置、运输、组装解体等的费用高，设计制造时间长，初期投资高。②施工途中不能改变开挖直径。③地质的适应性受到一定限制。④开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定的制约。⑤运输困难2.6TBM法的基本条件1.TBM法的技术流程2.地质条件在TBM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。TBM施工的地质调查主要是调查影响TBM使用的地质条件，如地层的硬软、破碎带的位置、规模、地下水的涌水、膨胀性围岩等，对TBM法是否适合，以及影响TBM开挖效率的地质因素等。a.是否合适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。②涌水状态在软弱岩层、破碎带中，涌水的范围、大小、压力等，是造成掌子面崩塌和承载力低下的主要问题。b.影响TBM效率的地质因素①岩石强度②岩层的裂隙③岩石硬度④破碎带等恶劣的条件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的后续设备长100-200m，为正规地进行掘进，也要先修筑一段长200m左右的隧道。所以，隧道长度短时，包括机械购置费在内的成本是很高的。在TBM法中因进行机械的运输、组装等，故要对隧道所处地点的状况给予应有的注意。TBM的搬运计划，要考虑道路的宽度、高度及重量的限制，根据组装条件要充分调查运输时的分割方法（最小分割尺寸和重量）。第三节TBM法的应用3.1应用简介（见教材P273）3.2应用事例3.3TBM的应用前景第二章TBM的结构类型及构造第一节全断面隧道TBM的类型1.1全断面隧道TBM①开式隧道TBM指切削时不用控制工作面的地压，TBM按出碴系统运碴能力掘进。不需要特别考虑地表下沉的情况。其设计刚度较大，适用于在硬地层中快速掘进。②闭式隧道TBM通过控制好螺旋运输机卸料门的开启，使切削岩土的刀盘前腔的压力与地压平衡。通常用于软地层或流动性地层。在软地层中隧道施工的TBM又称为盾构。1.2支撑式TBM刀盘属于TBM第一组合体，由液压马达或电动机驱动，通常沿中空主轴承周围以环形模式布置在机器的主轴上。带有防尘隔层的刀盘罩将刀盘与被开挖掌子面隔开，刀盘罩可保护刀盘，防止物料侵入；防尘隔层防止灰尘和碎屑进入刀盘后面的工作区。岩碴通过刀盘上的铲斗装置和刀盘后面的导向板运到刀盘中心，在那里岩碴落进漏斗，送到运输机上，运输机通常置于机器的中心轴位置。选用液压驱动马达时，驱动液压泵站的电动机安装在后配套上。掘进头的推进力由一支撑推进系统提供。第二组合体和设施用在工作面或TBM防尘护盾后面进行即时支护措施，并进行地层预探测。初期保护性支护措施包括：直接在刀盘罩后面架设支护拱架和挂网、洞顶锚杆或喷浆，进行洞顶区域的巷道保护。1.3扩孔式TBM扩孔TBM特适合于需要通过探测导洞来确认特殊风险因素的地层条件。在第一阶段由TBM开挖直径为4-4.5m的导洞，再用扩孔TBM进行第二阶段的扩孔开挖。1.4护盾式TBM1.单护盾式TBM单护盾式TBM的整个机器都是由一个护盾进行保护，适用于需在刀盘后采用较多支护措施的一般破碎甚至不稳定的地层。护盾式TBM的优点是支护工作可在护盾壳内完成，与洞壁没有任何接触。然而，当遇到较大的断层或通过洞穴地层时会产生严重的问题。因此，在预测的断层地段掘进期间，进行系统的勘测钻探是非常重要的。TBM遇到有问题的地段时，可以进行灌浆以稳固岩体，或者借助用玻璃纤维强化的洞顶锚杆来加强地层结构。另外，要以最佳的方式设计刀盘检修出口，以便在掌子面前发生障碍时进行检查并处理，对掌子面前方的“洞穴”也能从这些出口用喷浆进行稳固。在护盾保护下用管片进行支护和衬砌。2.双护盾式TBM同单护盾式TBM一样，双护盾式TBM适用于无地下水的不能自立的软弱破碎地层段，并在护盾内安装管片衬砌。双护盾系统可同时满足推进和管片安装的要求。双护盾TBM在每个掘进行程中的中断时间短，后接触护盾周期性地前移。双护盾TBM系统在纵向上可分为三部分：带刀盘的前护盾；中间部分的伸缩护盾；后接触护盾，带有用于安装管片的尾盾。把伸缩护盾、接触护盾（支撑盾壳）和盾尾合称为后护盾3.带管片衬砌操作的双护盾TBM工作周期①前进和管片放置过程支撑护盾牢固地撑紧在洞壁上，刀盘推进油缸支承在接触护盾的连接处，并在掘进过程中将刀盘向前推进，保持所达到的掘进速率直至刀盘推进油缸行程结束。同时，管片在盾尾安装，在安装期间后护盾的护盾推进油缸支承着管片直至整环闭合。②后护盾换位阶段后护盾盾壳换位只持续几分钟。首先，推进油缸卸载，随后护盾盾壳支撑的径向支撑油缸缩回并卸载。然后，借助于后护盾推进油缸使刀盘推进油缸周围的后护盾盾壳前移。最后，重复掘进和管片安装过程。附属装置：•①刀盘上的超挖刀具，可得到更大的开挖直径，洞壁由伸缩护盾盾壳支承直至管片安装。•②可纵向及径向移动伸缩的刀盘，以便超挖隧道的一侧，提高机器的转向性。1.5后配套系统1.TBM后续设备的设置原则要充分研究作业计划和必要的功能，再来选择有效率的各种设备。特别是在隧道施工中，作业的循环性很强，前一作业未完成就不能进行下一个作业且作业空间有限制等。在配置设备时，要考虑前后各作业的关联，以提高作业性。在后续设备中，由于作业宽度有限，要在考虑到设备必需的空间后，最后确定整个长度。2.运输方式和运输设备运输对象的核心是掌子面开挖产生的大量石碴，其他还有隧道的支护材料和随着隧道延伸的各种器材，以及以切削刀具类为主的TBM维修器材。前者由作为TBM特征的连续出碴来解决，后者主要是充分利用返空车辆和后续作业的时间安排。其中，出碴方式的选择对TBM的施工性是很重要的。目前，在隧道施工中采用的运输方式有以下几种。①有轨方式。②无轨方式。③连续胶带输送机方式。④泥浆运输方式。3.集尘和通风设备集尘设备用TBM切削岩石，在硬岩和含水量小的岩层条件下会产生大量粉尘，因此在切削头部，也包括为了防止刀具破碎岩石时产生热量，需用压力水喷雾，这在一定程度上可以吸收一部分破岩产生的粉尘。但是，由于水压、流量、岩体的状况，粉尘抑制效果各不相同，条件恶化时，比如洒水不充分，粉尘和水粒子会以雾状浮游在空气中，妨碍视线。因此，为了有效地抑制粉尘，有必要收集粉尘进行处理，产生的粉尘尽量不让它扩散而使其集中在一起为最好。在最近的TBM实例中有从切削头的腔室内用专用管道直接与集尘器连接进行直接处理的方法，效果非常好。专用管道安装在胶带输送机的旁边，当TBM的直径较小时，连胶带输送机本身也作为管道。另外，集尘器有干式和湿式之分，都装在后续台车上，除了其能力外，包括鼓风机在内集尘器的形状尺寸也成了重要的选定条件。通风设备TBM施工法的通风对象要考虑作业人员呼气排出的气体和由TBM的动力等产生的热量、岩石的破碎和装载及喷混凝土产生的粉尘、内燃机排出的有害气体等。除轮胎式外，洞内的温度可通过吸水冷却进行相应处理，粉尘可用前述的集尘设备进行相应处理，因此通常是以作业人员的