隧道掘进机(TBM)施工.ppt

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第三章第三章隧道掘进机隧道掘进机（TBM）施工施工主讲内容：

主讲内容：

施工流程施工流程施工技术要求施工技术要求施工要点施工要点第一节第一节隧道掘进机法基本概念隧道掘进机法基本概念一、一、TBMTBM发展历史简介发展历史简介u隧道掘进机隧道掘进机（TunnelBoringMachine）是一种用机械破碎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，它是由岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构盾构技术发展而来的。

技术发展而来的。

u1818年英国年英国布鲁诺布鲁诺（Brunel）受受蛀虫钻孔蛀虫钻孔启示，最早提出盾启示，最早提出盾构雏形与施工方法。

构雏形与施工方法。

u1846年意大利人年意大利人Maus发明隧道掘进机发明隧道掘进机（盾构盾构）。

u1851年美国人年美国人查理士查理士威尔逊威尔逊研制出研制出TBM试用于花岗岩试用于花岗岩掘进未获成功。

掘进未获成功。

u1881年年波蒙特波蒙特开发出压缩空气式开发出压缩空气式TBM，成功用于，成功用于英吉利英吉利海峡隧道海峡隧道直径直径2.1m的勘探导坑。

的勘探导坑。

u美国美国罗宾斯罗宾斯（Robbins）公司公司1952年研制出第一台年研制出第一台软岩软岩TBM，1956年又成功研制年又成功研制中硬岩中硬岩TBM。

二、国外主要制造商二、国外主要制造商u德国德国威尔特威尔特（Wirth）公司公司u德国德国德马克德马克（Dcmag）公司公司u美国美国罗宾斯罗宾斯（Robbins）公司公司u美国美国贾瓦贾瓦（Jarva）公司公司u德国德国海瑞克海瑞克（Herrenknecht）公司公司u加拿大加拿大拉瓦特拉瓦特（Lovat）公司公司u日本日本三菱重工三菱重工（MitsubishiHeavyIndustries）三、三、TBM分类分类u开敞式开敞式TBM：

配置钢拱架安装器与喷锚等辅助设：

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备。

常用于硬岩，采取有效支护手段后也可应用于软岩隧道。

于软岩隧道。

u双护盾双护盾TBM：

适用于各种地质，既能适应软岩，：

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也能适应硬岩或软硬岩交互地层。

u单护盾单护盾TBM：

常用于劣质地层。

单护盾：

常用于劣质地层。

单护盾TBM推进推进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。

与双护时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。

与双护盾盾TBM相比，掘进与安装管片不能同时进行。

相比，掘进与安装管片不能同时进行。

u微型微型TBM：

0.253.00mu中型中型TBM：

3.08.0mu巨型巨型TBM：

大于大于8.0mSingleShieldTBM护盾；护盾；液压推进油缸；液压推进油缸；管片；管片；刀盘；刀盘；装渣斗；装渣斗；皮带输送机皮带输送机第二章山岭隧道施工技术DoubleShieldTBM可伸缩护盾；可伸缩护盾；刀盘；刀盘；活动支撑鞋；活动支撑鞋；辅助推进油缸；辅助推进油缸；管片管片GripperTBM支撑鞋；支撑鞋；钢支架举升器；钢支架举升器；锚杆安装机构；锚杆安装机构；钢筋网举升器钢筋网举升器四、四、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理TBM破岩方式主要有：

挤压式与切削式破岩方式主要有：

挤压式与切削式1.挤压式挤压式主要是通过主要是通过水平推进油缸水平推进油缸使使刀盘刀盘上的上的滚刀滚刀强行强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压挤压与剪切作用与剪切作用破碎岩体。

破碎岩体。

滚刀类型：

滚刀类型：

圆盘型圆盘型、楔齿形楔齿形、球齿型球齿型2.切削式切削式主要利用岩石抗弯、抗剪强度低主要利用岩石抗弯、抗剪强度低（仅为抗压强度仅为抗压强度的的510%）的特点，靠铣削的特点，靠铣削（即剪切即剪切）与弯断破碎与弯断破碎岩体。

岩体。

在两种破岩方式总的破岩体积中，大部分并不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切破碎的，先形成破碎沟或切削槽是先决条件四、四、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理（续续）3.圆盘型圆盘型滚刀破岩原理滚刀破岩原理圆盘型滚刀圆盘型滚刀（图图a）工作压力工作压力50200kN，岩体表面在刀圈，岩体表面在刀圈刀尖强刀尖强集中力集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑作用下破碎而被切人，并形成切入坑（见见图图b）。

随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，。

随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石破碎沟之间岩石AO1O2B受滚刀侧刃挤压力的作用而受滚刀侧刃挤压力的作用而剪剪切破碎切破碎。

当切入深度。

当切入深度h较大时，剪裂面为较大时，剪裂面为O1O2（图图c）。

四、四、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理（续续）4.楔齿型楔齿型与与球齿型球齿型滚刀破岩原理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，切人深度为石的表面，切人深度为。

然后由齿尖的楔入力继续引。

然后由齿尖的楔入力继续引起剪切破坏，楔入深度为起剪切破坏，楔入深度为h。

由于各齿环的齿节是不同。

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。

理与楔齿型滚刀相同，适用于硬岩掘进。

四、四、TBM破岩方式与原理破岩方式与原理（续续）5.削刀削刀破岩原理破岩原理削刀在挤压力削刀在挤压力Pv和切割力和切割力PH作用下，首先在刀尖处形成作用下，首先在刀尖处形成切碎区切碎区2，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区，随着刀具的回转运动形成剪力破碎区3。

削刀。

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在削刀侧向挤压力R的作用下而剪切破坏。

的作用下而剪切破坏。

五、单护盾五、单护盾TBM与盾构的与盾构的区别区别前者采用皮带机出碴而盾构则采用螺旋输送机或前者采用皮带机出碴而盾构则采用螺旋输送机或泥浆泵通过管道出碴；前者不具备平衡掌子面的泥浆泵通过管道出碴；前者不具备平衡掌子面的功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖功能，而盾构则采用土压力或泥水压力平衡开挖面水土压力。

面水土压力。

六、六、TBM选用选用整条隧道地质情况均差时采用整条隧道地质情况均差时采用单护盾单护盾TBM；良好地质条件中则采用良好地质条件中则采用开敞式开敞式TBM；双护盾双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，一常用于复杂地层的长隧道开挖，一般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本般适用于中厚埋深、中高强度、地质稳定性基本良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有良好的隧道，对各种不良地质与岩石强度变化有较好适应性。

较好适应性。

七、国内外应用概况七、国内外应用概况TBM施工法始于二十世纪三十年代，限于机械技术水平，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施工的隧道超过施工的隧道超过1000座，总长度超过座，总长度超过4000km，以，以逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。

逐步成为长大隧道修建的主要施工方法之一。

1.国外典型应用国外典型应用英吉利海峡隧道英吉利海峡隧道由由2条外径条外径8.6m单线铁路隧道与单线铁路隧道与1条外径条外径5.6m辅助隧道辅助隧道组成。

全长组成。

全长48.5km，海底段长，海底段长37.5km，隧道最深处在，隧道最深处在海平面下海平面下100m，全部采用，全部采用TBM施工。

英国侧施工。

英国侧6台，岸边台，岸边段段3台海底段台海底段3台台（单向推进单向推进21.2km）。

法国侧。

法国侧5台，岸边台，岸边段段2台海底段台海底段3台。

最深处需承受台。

最深处需承受10atm水压力，平均月水压力，平均月进尺进尺1000m/月。

月。

隧道建成标志着隧道建成标志着TBM施工技术的最高水平，也是融合英、施工技术的最高水平，也是融合英、美、法、德等国美、法、德等国TBM施工技术于一体的最高成就。

施工技术于一体的最高成就。

2.国内应用国内应用国内国内TBM研发制造始于二十世纪六十年代中期，研发制造始于二十世纪六十年代中期，共生产共生产10余台直径余台直径2.55.8m的的TBM，先后用于，先后用于下列水电与煤矿井巷工程。

国产机型月均进尺下列水电与煤矿井巷工程。

国产机型月均进尺20300m，累计总掘进长度，累计总掘进长度12km。

云南云南西洱河西洱河水电站引水隧道水电站引水隧道引滦入津引滦入津新王庄新王庄隧道陡河电站的引水隧道隧道陡河电站的引水隧道引大入秦引大入秦总干渠总干渠38号隧道号隧道北京北京落坡岭落坡岭水电工程水电工程贵州贵州猫跳河猫跳河水电站引水隧道水电站引水隧道福建福建龙门滩龙门滩引水隧道引水隧道江西江西萍乡萍乡、山西、山西怀仁怀仁、山西、山西古交古交、云南、云南羊场羊场煤矿煤矿2.国内应用国内应用（续续）甘肃甘肃引大入秦水磨沟引大入秦水磨沟输水隧道输水隧道5.54m；11649m；Robbins双护盾双护盾TBM；最高月进尺；最高月进尺1300.8m/月月引黄入晋引黄入晋总干总干6、7、8号与南干号与南干4、5、6、7号隧道号隧道Robbins双护盾双护盾TBM，总长，总长122km，最高月进尺，最高月进尺1637m/月，日掘进月，日掘进113m/日日辽宁大伙房引水工程辽宁大伙房引水工程全长全长85.32km，3台台8.0m开敞式开敞式新疆新疆大阪输水隧道工程大阪输水隧道工程全长全长30.68km，德国海瑞克双，德国海瑞克双护盾护盾TBM青海青海引大济湟引大济湟总干渠工程总干渠工程德国德国Wirth双护盾双护盾TBM，5.93m，全长，全长19.94km西康铁路西康铁路秦岭秦岭线隧道线隧道掘进掘进5.621km，8.8m开敞式开敞式TBM西安南京铁路西安南京铁路桃花铺桃花铺1号隧道号隧道掘进掘进7.23km,机型同上机型同上西安南京铁路西安南京铁路磨沟岭隧道磨沟岭隧道掘进掘进6.11km,机型同上机型同上南疆铁路南疆铁路吐库二线中天山隧道吐库二线中天山隧道机型同上机型同上兰渝铁路西秦岭隧道兰渝铁路西秦岭隧道10.23mRobbins开敞式开敞式TBMk重庆地铁一号线重庆地铁一号线2台台6.36m开敞式开敞式TBM第二节第二节掘进机法施工流程掘进机法施工流程1TBM施工主要流程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2Robbins开敞式开敞式TBM循环作业流程循环作业流程STEP1:

作业开始作业开始。

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:

准备换步准备换步。

刀盘停转，后支撑腿抵住仰拱承重STEP3:

主支撑回缩主支撑回缩。

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。

3TBM基本构造基本构造TBM由由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置机构及吸尘、通风装置等几部分组成。

等几部分组成。

1.破岩机构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。

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.推进机构推进机构主支撑鞋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。

顶撑洞壁以支承和推进机身。

副支撑鞋控制振动与方向。

3TBM基本构造基本构造（续续）3.出碴机构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，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