全断面岩石掘进机TBM

第15章全断面岩石掘进机（TBM）2概述在岩石中开凿矿山巷道或交通隧道时，除采用常规的钻眼爆破法外，还可采用掘进机施工。掘进机：是指能够直接截割、破碎工作面岩石，同时完成装载、转运岩石，并可调动行走和进行喷雾除尘的功能，有的还具有支护功能，以机械方式破岩的隧（巷）道掘进综合机械。3全断面岩石掘进机：主要适用于直径一般为2.5～10m的全岩隧（巷）道，岩石的单轴抗压强度可达50～350MPa；可一次截割出所需断面，且形状多为圆形，主要用于工程涵洞和隧道的岩石掘进。全断面岩石掘进机TBM的定义TBM的技术名称在我国过去很不统一,各行业均冠以习惯称呼,铁道和交通部门称之为隧道掘进机,矿山部门称之为巷道掘进机,水电部门又称为隧洞掘进机。83年国家标准(GB4052-83)统一称为全断面岩石掘进机(FullFaceRockTunnelingBoringMachine-TBM)简称掘进机或TBM.TBM定义:一种靠旋转并推进刀盘,通过盘形滚刀破碎岩石而使隧洞全断面一次成形的机器。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的起源1856年，美国人查理士·威尔逊获得掘进机发明专利。1881年，波蒙特开发了压缩空气式TBM，并成功应用于英吉利海峡隧道直径为2.1米的勘探导坑。TBM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日本的三菱公司Robbins中国最长的铁路隧道8中国最长的铁路隧道：乌鞘岭特长隧道，全长20.05公里，是兰新铁路兰武段（兰州西至武威南）新增二线铁路上的一座长隧道，06年8月23日上午实现双线开通。兰新铁路兰武段是中国铁路网“八纵八横”中重要“一横”——欧亚大陆桥通道的组成部分，也是内地连接新疆和甘肃河西地区的主要通道。中国目前最长的公路隧道秦岭终南山隧道：位于我国西部大通道内蒙古阿荣旗至广西北海国道上西安至柞水段，在青岔至营盘间穿越秦岭，全长18.4公里，技术标准为高速公路双洞四车道，行车速度为每小时80公里。终南山隧道2001年1月由国家发展计划委员会批准立项建设，设计工期为67个月，总投资约25亿元人民币。与已建成的我国第一长隧道——西安安康铁路秦岭隧道并行。秦岭终南山特长公路隧道道路等级按高速公路设计。隧道横断面高5米、宽10.5米，双车道各宽3.75米。上、下行线两条隧道间每750米设紧急停车带一处、每500米设行车横通道一处、每250米设人行横通道一处。2007年1月20日建成通车。秦岭终南山公路隧道是我国自行设计施工的高速公路特长隧道，堪称世界第二、亚洲第一，是世界上第一个采用双洞单向行驶的特长隧道，双洞全长36.04公里，建设规模居世界第一。910中国目前第二长的铁路隧道西(安)(安)康铁路秦岭隧道：位于西（安）（安）康铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ线隧道全长18456米，居当时世界山岭隧道第6位、亚洲第2位。秦岭隧道Ⅰ、Ⅱ线均为单线电气化铁路隧道，Ⅰ线(左线)隧道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷，二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。隧道于1995年1月18日正式开工，1999年9月6日全部贯通，2000年8月18日西康铁路开通运营。11《地下工程讲稿》12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２台威尔特(WIRTH)8.8m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5.621km，TBM施工中，1998年平均月进尺为252.36ｍ，1999年平均月进尺为290.64ｍ，最高月进尺为528.48ｍ。铁路隧道使用情况桃花铺１号隧道西安南京铁路桃花１号隧道全7.234km,TBM掘进长度为6.2km，由中铁十八局采用8.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ｉ线隧道出口段）最高月进尺为551.82m。铁路隧道使用情况铁路隧道使用情况磨沟岭隧道磨沟岭隧道全长6114m，软岩占隧道总长的70.5％,于2002年11月完工。该隧道由中铁隧道集团采用8.8m开敞式TBM施工（该TBM曾施工秦岭Ｉ线隧道进段）TBM掘进长度为4.653ｋｍ，最高月进尺为573.9mTBM施工图片大件运输现场组装TBM施工图片步进洞内步进TBM施工图片步进至出发洞撑靴TBM施工图片激光定向系统TBM控制室TBM施工图片锚杆钻机作业喷射混凝土施工TBM施工图片刀盘与掌子面22全断面岩石隧道掘进机全断面岩石隧道掘进机：通常简称隧道掘进机（TunnelBoringMachine，缩写为TBM），是一种用于圆形断面隧（巷）道、采用滚压式切削盘在全断面范围内破碎岩石，集破岩、装岩、转载、支护于一体的大型综合掘进机械，现已成为国外较长隧道开挖普遍采用的方法。全断面岩石隧道掘进机利用圆形的刀盘破碎岩石，故又称刀盘式掘进机。刀盘的直径多为3～10m，3～5m的较适用于小型水利水电隧道工程和矿山巷道工程，5m以上适应于大型的隧道工程。国外生产的岩石掘进机直径较大，目前最大可达13.9m。23TBM外形图基本功能有掘进、出渣、导向和支护，并配置有完成这些功能的机构。还配备有如运渣运料、支护、供电、供水、排水、通风等后配套系统，总长度较大，一般为150～300m。24掘进机的基本施工工艺：刀盘旋转破碎岩石，岩渣由刀盘上的铲斗运至掘进机的上方，靠自重下落至溜渣槽，进入机头内的运渣胶带机，然后由带式输送机转载到矿车内，利用电机车拉到洞外卸载。掘进机在推力的作用下向前推进，每掘够一个行程便根据情况对围岩进行支护。25全断面岩石掘进机的类型与结构按掘进的方式：全断面一次掘进式（又叫一次成洞）和分次扩孔掘进式（又叫两次成洞）。按掘进机是否带有护壳：敞开式和护盾式。掘进机的结构部件：机构和系统。机构：刀盘、护盾、支撑、推进、主轴、机架及附属设施设备等。系统：驱动、出渣、润滑、液压、供水、除尘、电气、定位导向、信息处理、地质预测、支护、吊运等。它们各具功能、相互连接、相辅相成，构成有机整体，完成开挖、出渣和成洞功能。26敞开式TBM敞开式TBM是一种用于中硬岩及硬岩隧道掘进的机械。由于围岩比较好，掘进机的顶护盾后，洞壁岩石可以裸露在外，故称敞开式。敞开式TBM主要由三大部分组成：切削盘，切削盘支承与主梁，支撑与推进。切削盘支承和主梁是掘进机的总骨架，二者联为一体，为所有其它部件提供安装位置；切削盘支承分顶部支承、侧支承、垂直前支承，每侧的支承用液压缸定位；主梁为箱形结构，内置出渣胶带机，两侧有液压、润滑、水气管路等。支撑分主支撑和后支撑，主支撑分单T型支撑和双X型支撑。27Robbinsφ8.0m型敞开式全断面掘进机1-顶部支承；2-顶部侧支承；3-主机架；4-推进油缸；5-主支撑架；6-TＢM主机架后部；7-通风管；8-皮带输送机；9-后支承带靴；10-主支撑靴；11-刀盘主驱动；12-左右侧支承；13-垂直前支承；14-刀盘；15-锚杆钻；16-探测孔凿岩机敞开式TBM基本构造敞开式TBM是山岭隧道施工的成套设备，从结构上一般分为主机、连接桥、后配套及附属设备，各部分分别由相应的液压系统、电气系统、PLC（ProgrammablelogicController可编程控制器）等控制完成相应的动作。主机由刀盘、刀盘护盾、内外机架、后支承、通风管道、推进油缸、钢拱架安装器、锚杆或超前钻机、激光对准装置,1#皮带桥、驱动电机、离合器、变速箱、传动轴等部件组成，完成掘进机的掘进、换步、锚杆支护、钢拱架支护及出碴等作业，是该成套设备的核心。连接桥由主桥、除尘系统、注浆系统、驾驶室、通风管路、2#皮带桥、仰拱吊机、材料吊机、材料升降平台、钢拱架运输小车等组成，连接主机与后配套，完成除尘、出碴及仰拱铺设、材料运输等作业。后配套后配套由后配套桥、液压主泵站、电器控制柜、应急发电机、空压机、喷锚支护设备、3#皮带桥、机车停放平板、料车拖拉系统、供水系统、排水系统、通风系统、医疗室／洗手间、休息室、维修工作间等组成，完成向主机供电供气以及喷锚支护、停放矿车、材料运输、出碴等作业。附属设备有10kV电缆、￠2200软风管、￠150进水管和水阀、出碴运输设备、通风设备、翻车机，主要完成出碴、材料运输、通风及翻车作业。33护盾式TBM护盾式TBM按其护壳的数量分有单护盾、双护盾和三护盾三种，我国以双护盾掘进机为多。双护盾为伸缩式，以适应不同的地层，尤其适用于软岩且破碎、自稳性差或地质条件复杂的隧道。双护盾式掘进机没有主梁和后支撑，除了机头内的主推进油缸外，还有辅助油缸。辅助推进油缸只在水平支撑油缸不能撑紧洞壁进行掘进作业时使用，辅助油缸推进时作用在管片上。护盾式掘进机只有水平支撑没有X型支撑。34TB880Ｈ/TS-（φ8.8m）型护盾式全断面掘进机1-刀盘；2-石碴漏斗；3-刀盘驱动装置；4-支撑装置；5-盾尾密封；6-凿岩机；7-砌块安装器；8-砌块输送车；9-盾尾面；10-辅助推进液压缸；11-后盾；12-主推进液压缸；13-前盾；14-支撑油缸；15-带式输送机护盾式TBM35扩孔式TBM当隧道断面过大时，会带来电能不足、运输困难、造价过高等问题。在隧道断面较大、采用其它全断面掘进机一次掘进技术经济效果不佳时就可采用扩孔式全断面掘进机。扩孔式全断面掘进机是先采用小直径TBM先行在隧道中心用导洞导通，再用扩孔机进行一次或两次扩孔。为保证掘进机支撑有足够的撑紧力，导洞的最小直径为3.3m，扩孔的孔径一般不超过导洞孔径的2.5倍。对于直径6m以上的隧道，除在松软破碎的围岩中作业的护盾式掘进机外，设备制造商比较主张先打φ4m左右的导洞，再用扩孔机扩孔。国外在1970年施工的一条隧道，先用直径3.5m的掘进机开挖，然后用扩挖机扩大到10.46m；另一隧道用的扩孔机直径为4.5m，扩孔直径10.8m。36（a）导洞掘进机；（b）Wirth扩孔机主机部分扩孔机施工方式图1-推进液压缸；2-支撑液压缸；3-前凯氏外机架；4-前凯氏内机架；5-护盾；6-切削盘；7-石渣槽；8-输送带；9-后凯氏内机架；10-后凯氏外机架；11-后支承；12-滚刀；13-护盾液压缸；14-前支承扩孔式TBM首先决定是否使用掘进机开挖然后确定隧道的总体开挖方案再进行掘进机设备选型：首先根据地质条件确定掘进机的类型；然后根据隧道设计参数及地质条件确定主机的主要技术参数；最后根据生产能力与主机掘进速度相匹配的原则，确定后配套设备的技术参数与功能配置。37全断面岩石隧道掘进机的选择隧道的设计有单、双洞之分和断面大小之别。根据掘进工作面的设置和推进方向，掘进方式有单头单向掘进、双向对头掘进、多向多头掘进等方案，对于矿山巷道，一般都是单巷单头掘进。根据断面的大小，掘进方式有全断面掘进机一次掘进、分次扩孔掘进、机掘与钻爆混合掘进等方案。38隧道施工方案的选择隧道的长度和弯曲度在3km以上长度的隧道中使用才具有较好的技术经济效果；隧道长度大于6km时应尽量使用，长度大于10km且工程地质、水文地质条件较适宜时应优先考虑采用。全断面掘进机对隧道的曲线半径有一定要求，曲线半径一般要求在200m以上，隧道的拐弯半径必须大于或等于所选机型所要求的拐弯半径。隧道断面的形状与大小全断面掘进机适用于圆形断面的隧（巷）道。断面大小基本上可决定掘进机机型的大小，每种机型都有一定的使用范围，选用时应考虑其最佳掘进断面积。如断面过大，采用全断面掘进机时，可考虑扩孔机掘进或者先用小直径全断面掘进机掘进再用钻爆法扩挖。39掘进机主机的选择岩石性质：掘进机对隧道的地层最为敏感，掘进机的具体类型要根据地质条件、施工环境、工期要求等因素确定。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。一般情况下，在围岩为中硬以上且整体性较好的隧道中，宜选用敞开式掘进机；中等长度隧道且整条隧道地质情