《隧道與地下工程施工》課件-模塊五 機械開挖法隧道施工技術(shù)-單元2-掘進機法施工

《隧道與地下工程施工》模塊五

機械開挖法隧道施工技術(shù)

單元2掘進機(TBM)隧道施工《隧道工程施工》

掘進機概述1掘進機的類型2本講主要內(nèi)容掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

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定義：隧道掘進機（TBM）是一種依靠刀盤旋轉(zhuǎn)破巖推進，隧道支護與出渣同時進行，并使隧道全斷面一次成形的大型專用裝備。

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隧道掘進機包含盾構(gòu)和TBM。一般來說，在歐洲，盾構(gòu)也稱為TBM；但在日本和我國，習慣上將用于軟土地層的隧道掘進機稱為盾構(gòu)，將用于巖石地層的隧道掘進機稱為TBM。近年來，二者區(qū)別已經(jīng)不明顯，例如盾構(gòu)也稱為盾構(gòu)掘進機（ShieldTBM）。

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通常定義中的TBM是指全斷面巖石隧道掘進機，是以巖石地層為掘進對象。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

國產(chǎn)超大直徑盾構(gòu)機TBM掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

TBM與盾構(gòu)的區(qū)別有兩點：（1）TBM不具備平衡掌子面的功能，而盾構(gòu)則采用土壓力或泥水壓力平衡開挖面的水土壓力。（2）TBM采用皮帶機出碴，而盾構(gòu)則采用螺旋輸送機出碴或采用泥漿泵通過管道出碴。

在隧道施工技術(shù)中，目前廣泛應(yīng)用鉆爆法和掘進機法，與鉆爆法相比，掘進機法具有以下特點：掘進機是山嶺隧道高度機械化的開挖設(shè)備，雖然投資成本高，但具有安全、快速、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保等優(yōu)點。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

掘進機法施工的優(yōu)點：

（1）安全——對巖石的擾動小，影響范圍一般小于50cm，掘進機自身帶有局部護盾或整體護盾，有利于施工人員的安全，同時，支護設(shè)備及時支護，確保施工安全。自動化和機械化程度高，并配置電視監(jiān)控和通信系統(tǒng)，作業(yè)人員少，便于安全管理。

（2）快速——掘進機掘進效率高，其掘進速度為常規(guī)鉆爆法的3~5倍

(3)優(yōu)質(zhì)——掘進機開挖施工質(zhì)量好，洞壁光滑美觀，減少支護工作量

(4)環(huán)?！_挖時采用機械破巖，無鉆爆法用的炸藥等化學物質(zhì)爆炸及污染，人員勞動強度低、數(shù)量少、作業(yè)環(huán)境好，有利于作業(yè)人員的健康。另外自動化程度高，且實現(xiàn)了信息化施工。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

掘進機法施工的局限性：

與鉆爆法相比，目前尚具有如下局限性：

工程建設(shè)成本較高，前期一次性投資成本費用較高

設(shè)計制造周期長。根據(jù)目前市場情況來看，采購周期一般需要12~15個月。

掘進機針對性強，對多變的地質(zhì)條件（如斷層、破碎帶、巖溶、涌水等）的適應(yīng)性較差，不同地質(zhì)條件需要不同種類的掘進機及相應(yīng)的配置。

開挖斷面僅限于圓形，每臺掘進機只能用于一種開挖斷面。

對施工人員的技術(shù)水平和管理水平要求高，施工短隧道時不能發(fā)揮其優(yōu)越性。

運輸困難，對施工場地有特殊要求。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機概述

掘進機的應(yīng)用：

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21世紀是地下空間的世紀，隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國城市化進程不斷加快，今后相當長的時期內(nèi)，國內(nèi)的城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程將需要大量的隧道掘進機。?

隧道掘進機是一種高智能化，集機、電、液、光、計算機技術(shù)為一體的隧道施工重大技術(shù)裝備。在發(fā)達國家，使用隧道掘進機施工已占隧道總量的90%以上。由于隧道掘進機的制造工藝復雜，技術(shù)附加值高，目前國際上只有德國、美國、日本、法國、加拿大等少數(shù)幾個國家的企業(yè)具有能力生產(chǎn)，且造價高昂。掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

如圖所示，掘進機的類型可分為全斷面掘進機和懸臂式掘進機：

全斷面掘進機懸臂式掘進機掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

1全斷面掘進機

根據(jù)掘進機的結(jié)構(gòu)形式，可將其分為敞開式掘進機護盾式掘進機

掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

1全斷面掘進機

（1）開敞式掘進機：是利用支撐機構(gòu)撐緊洞壁，以承受向前推進的反作用力和扭矩的全斷面巖石掘進機。它的頂推反力與刀盤扭矩力依靠圍巖堅硬壁面提供；

典型機型有德國威爾特Wirth公司生產(chǎn)的雙排支撐靴結(jié)構(gòu)形式和美國羅賓斯Robbins公司生產(chǎn)的單排支撐靴結(jié)構(gòu)形式。適用于巖石不易坍塌和地層比較穩(wěn)定的軟硬巖隧道，采取有效支護手段后，也可適用于軟巖隧道。開敞式掘進機掘進隧道的最終支護方式是模筑混凝土或鋼釬維噴射混凝土。

掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

該機由Wirth研制生產(chǎn)，直徑8.8m，開敞式西康鐵路秦嶺隧道Ⅰ線隧道使用2臺8.8米敞開式掘進機（TBM）由隧道兩端相向施工。掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

（1）開敞式掘進機：

敞開式掘進機適合于硬巖隧道掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

1全斷面掘進機

（2）護盾式掘進機：根據(jù)其原理不同可以分為單護盾掘進機和雙護盾掘進機，頂推反力利用尾部安裝的襯砌管片。

單護盾掘進機常用于軟巖，雙護盾掘進機對地質(zhì)具有廣泛的適應(yīng)性，既能適應(yīng)軟巖，也能適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互的地層。

護盾式掘進機類似于盾構(gòu)，但是盾構(gòu)有穩(wěn)定工作面的設(shè)施，而護盾式掘進機沒有該設(shè)施。

特點對比：單護盾掘進機推進時，要利用管片作為支撐，與雙護盾掘進機相比，掘進與安裝管片兩者不能同時進行，速度較慢。

掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

護盾式掘進機:單護盾TBM、雙護盾TBM

單護盾TBM——常用于軟巖掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

護盾式掘進機:單護盾TBM、雙護盾TBM

適用于各種地質(zhì)，既適應(yīng)軟巖，也適應(yīng)硬巖或軟硬巖交互地層掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

2臂式掘進機

臂式掘進機，又稱為部分斷面掘進機，是一種集切削巖石、自動行走、裝載石碴等多種功能為一體的高效聯(lián)合作業(yè)機械。在煤礦行業(yè)也較為常用。掘進機(TBM)隧道施工01二、掘進機的類型

2臂式掘進機

臂式掘進機的特點：臂式掘進機具有效率高、機動性強、對圍巖擾動程度小、超挖量小、安全性高、適應(yīng)性強以及費用相對較低等優(yōu)點。

可以適應(yīng)任意形狀的斷面；

對地質(zhì)條件要求較低，適合軟巖及中硬巖隧道的掘進；

連續(xù)掘進，支護可實現(xiàn)平行作業(yè)

基本投資費用少，約為全斷面掘進機的15%左右。

中短隧道施工更為適用。模塊五

機械開挖法隧道施工技術(shù)

單元2掘進機(TBM)隧道施工

《隧道工程施工》

掘進機的工作特點1掘進機施工支護襯砌2本講主要內(nèi)容掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

1隧道掘進機破巖機理

通過水平推進油缸使刀盤上的滾刀壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進過程中聯(lián)合擠壓與剪切作用破碎巖體。滾刀掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

2.

隧道掘進機破巖效率影響因素貫入度，堅硬和完整巖體，一般2.5-3.5mm/轉(zhuǎn)，中等堅硬和裂隙較多巖石中，一般5-9mm/轉(zhuǎn)。刀間距，刀間距太大，滾刀產(chǎn)生壓力達不到與相鄰滾刀的影響范圍相接，則開挖不出片狀石渣，從而使開挖效率降低。反之，如果刀間距太小，則會使石渣塊太小，從而浪費設(shè)備的功率。

應(yīng)該強調(diào)指出，掘進機施工不僅要注意巖石抗壓強度，還應(yīng)注意巖石磨蝕性和巖體裂隙程度，當巖體節(jié)理裂隙面間距越大時，切割也就會越困難。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

3.

隧道掘進機施工主要流程

TBM施工主要流程：

施工準備

全斷面開挖與出渣

外層管片襯砌或初期支護

掘進機前推

管片外注漿或二次襯砌

掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

3.

隧道掘進機施工主要流程

開敞式掘進機循環(huán)作業(yè)流程：開敞式TBM的掘進循環(huán)由掘進作業(yè)和換步作業(yè)交替組成。

在掘進作業(yè)時，掘進機刀盤進行沿隧道軸線的直線運動和繞軸線的單方向回轉(zhuǎn)運動復合而成的螺旋運動，被破碎的巖石由刀盤的鏟斗落入皮帶輸送機向機后輸出。換步作業(yè)是利用支撐系統(tǒng)，掘進機掘進時，撐靴進行動作來撐緊洞壁，推進油缸推動刀盤掘進破巖，被破碎的巖石由刀盤的鏟斗落入出渣系統(tǒng)后輸至洞外。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

3.

隧道掘進機施工主要流程

開敞式TBM掘進循環(huán)步驟：(1)掘進作業(yè)水平支撐撐緊洞壁→收起后支撐→回轉(zhuǎn)刀盤→伸出推進缸將掘進機機頭、主梁、后支撐向前推進一個行程。(2)換步作業(yè)

刀盤停止回轉(zhuǎn)→伸出后支撐，撐緊洞壁→收縮水平(或x型)支撐使靴板離開洞壁→收縮推進缸，將水平支撐向前移一行程。(3)再掘進作業(yè)再伸出水平支撐撐緊洞壁→收起后支撐→回轉(zhuǎn)刀盤伸出→推進缸掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

4.

調(diào)向、糾偏和轉(zhuǎn)彎

(1)調(diào)向、糾偏通過激光導向系統(tǒng)。操作人員發(fā)現(xiàn)掘進機的開挖洞線與設(shè)計洞線發(fā)生偏離時就必須隨時進行調(diào)向，使掘進機開挖洞線與設(shè)計洞線方向一致。

(2)轉(zhuǎn)彎隧道工程因設(shè)計的需要有時要開挖曲線隧道。掘進機的作業(yè)是以折線代替曲線來實現(xiàn)的。掘進機(TBM)隧道施工01一、掘進機的工作特點

5.

隧道掘進機施工出渣一般采用皮帶運輸機出渣

皮帶運輸機出渣掘進機(TBM)隧道施工01二、襯砌結(jié)構(gòu)施工

用掘進機法施工的隧道，其襯砌一般仍是由初期支護和二次襯砌組成。(1)初期支護：噴射混凝土(2)二次襯砌：噴射混凝土或模筑混凝土或管片襯砌

不同形式的掘進機，要求采用不同的支護形式。一般在充分進行地質(zhì)勘探后滿足隧道設(shè)計時，就應(yīng)確定基本支護形式。

?例如引水隧道，為保證輸水的可靠性，要求支護對圍巖有密封性，所以大都采用護盾式掘進機進行管片襯砌的結(jié)構(gòu)形式；

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對于一般公路、鐵路隧道，除進行臨時支護外，視地質(zhì)情況采用二次噴射混凝土或二次模筑混凝土作為永久襯砌。掘進機(TBM)隧道施工01二、襯砌結(jié)構(gòu)施工

管片式襯砌

使用護盾掘進機時，一般采用圓形全周管片式襯砌，每一環(huán)襯砌由為5～7塊管片在洞內(nèi)拼裝而成。

管片式襯砌掘進機(TBM)隧道施工01二、襯砌結(jié)構(gòu)施工

管片式襯砌

優(yōu)點：

適合軟弱圍巖，特別是當圍巖允許承載力低，撐靴不能支撐巖面時，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進反力；

當撐靴可以支撐巖面時，雙護盾掘進機可使掘進和換步同時進行，提高了循環(huán)速度；

利用工廠化預制生產(chǎn)和管片安裝機安裝管片，具有施工速度快、支護效果好、安全性強等優(yōu)勢。

管片式襯砌掘進機(TBM)隧道施工01二、襯砌結(jié)構(gòu)施工

管片式襯砌

缺點：

（1）造價相對較