隧道掘进机隧道掘进机( (TBM) )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试用于花岗岩掘试用于花岗岩掘进未获成功。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(见图见图b)。随着滚刀滚动，在岩面上形成一条条的破碎沟，破。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切剪切破碎破碎。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，德国海瑞克双护，德国海瑞克双护盾盾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，经皮带机装车运出洞外。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。证符合设计的轴线和坡度的要求。5.通风及吸尘装置通风及吸尘装置掘进机工作时将产生大量的掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘热量与粉尘。故对通风、降。故对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备吸尘设备和和喷水装喷水装置置，掘进时连续喷水降尘。，掘进时连续喷水降尘。机房内机房内专设通风降温设备。专设通风降温设备。第三节第三节 掘进机法施工技术要求掘进机法施工技术要求1基本原则基本原则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.判定依据判定依据隧道围岩的抗压强度、裂缝状态、涌水状态等岩性条件机械构造、TBM直径等机械条件；隧道断面、长度、位置状况、地址条件等。2.TBM工法选用流程工法选用流程(参见下页流程图)初步调查初步调查地质构造分析地质构造分析 地表调查地表调查弹性波速度弹性波速度阻抗试验阻抗试验钻孔调查钻孔调查开挖直径开挖直径刀具直径与数量刀具直径与数量马达刀具转速马达刀具转速后续设备等后续设备等循环、支护辅助循环、支护辅助工法、临时设计工法、临时设计与钻爆法比较与钻爆法比较线路决定线路决定地质调查地质调查当地条件当地条件TBM规格决定规格决定施工计划施工计划经济分析经济分析实施计划实施计划变更线路变更线路 其他方法其他方法NoYesTBM工工法法研研究究流流程程框框图图2工程地质条件工程地质条件主要调查影响影响TBM使用的使用的地质条件。1.影响影响TBM选用选用的地质因素的地质因素隧道地压。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断层破碎带、软弱泥岩以及蛇纹岩等膨胀性岩层掘进困难涌水状态。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。2挤出性挤出性膨胀性围岩膨胀性围岩2 4轻微挤出性轻微挤出性地压大的围岩地压大的围岩4 10地压大地压大有地压的围岩有地压的围岩10几乎无地压的围岩几乎无地压的围岩2工程地质条件工程地质条件(续续)2.影响影响TBM效率效率的地质因素的地质因素岩石强度。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。岩层裂隙。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。岩石硬度。岩石硬度。一般地，对于q100MPa的岩层，其石英含量较多、粒径较大，刀具磨耗很大。破碎带等恶劣条件。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。2工程地质条件工程地质条件(续续)3.TBM适用范围适用范围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。开挖隧道直径1.812m之间，以直径36m最为成熟。一次性连续开挖长度不宜短于1km，也不宜长于10km，以38km最佳。适用于中硬岩层，岩石单轴抗压强度介于20250MPa，尤以50100MPa最佳。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500600m，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。选用TBM开挖隧道应尽量避开复杂不良岩层。3机械条件机械条件uTBM不仅受地质条件地质条件约束，还受到开挖直径开挖直径、开开挖机构挖机构的约束。u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。u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。u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。4开挖长度开挖长度uTBM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12个月。uTBM后续设备长100200m，为正规地进行掘进也需先筑一段长200m左右的隧道。u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。u国外在断面1030m2、长1000km以上的隧道开挖，优先考虑采用TBM施工。u最佳开挖长度为3000km以上，短隧道慎用。5工程所在地的道路设施工程所在地的道路设施uTBM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法(即最小分割尺寸与重量)。uTBM一般在工厂试组装、试运输后分割。分割重量约为35t，断面3.53.5m左右。uTBM施工电耗较高，约为同规模其他工法施工的双车道隧道的1.5倍，规划时应充分考虑。6TBM选用应考虑的条件工程规模：工程规模：隧道形状、长度、直径、埋深、走向；地质情况：地质情况：岩石类型与强度、节理分布与发育程度、断层、暗河、溶洞、地下水分布、已有地表建筑、河流等基础设施：基础设施：交通运输能力、水电来源、进出洞口场地施工进度与企业能力施工进度与企业能力(制造维修、经济、施工管理与习惯)第四节第四节 掘进机法施工要点掘进机法施工要点1TBM施工管理措施施工管理措施TBM工厂化施工是一项管理系统工程。施工与设备管理水平的提高是其高效率与高效益的保证。在一般地质条件下，国外掘进机净掘进时间在40 50左右。1.提高提高设备完好率设备完好率，强调，强调预防性维修预防性维修。2.选择合理选择合理掘进系数掘进系数，定时检查、更换与调换，定时检查、更换与调换刀具刀具3.配件配件储备与供应储备与供应4.定岗定责，标准化作业定岗定责，标准化作业5.地质超前预报地质超前预报6.控制测量与施工控制测量与施工测量精度测量精度7.电力专供电力专供8.洞口平纵面条件、作业场地、大型临时工程等洞口平纵面条件、作业场地、大型临时工程等施工准备施工准备2衬砌施工技术要点衬砌施工技术要点衬砌结构一般是由临时或初期支护以及二次衬砌组成。在隧道设计时，就应确定基本支护形式。引水隧道引水隧道大都采用护盾式TBM进行管片衬砌的结构形式；公、铁隧道公、铁隧道除进行临时支护外，一般视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模注混凝土作为永久衬砌。 1.管片式衬砌管片式衬砌护盾式TBM一般采用圆形全周管片式衬砌。该类衬砌适合于软弱围岩。管片间应安装止水条，并在管片外圆与洞壁间隙间压入豆石与注浆。2.二次模筑混凝土衬砌二次模筑混凝土衬砌Fig.3-12开敞式掘进机一般随开挖先施作临时支护，再进行二次模注混凝土衬砌。亦可采用二次喷射混凝土作为永久衬砌，加钢筋网或钢纤维。3不良地质地段施工不良地质地段施工掘进机必须具备通过不良地质地段的能力，一般安装有辅助施工设备进行特殊功能作业。 1.地质超前钻机地质超前钻机安装在主机顶部、大刀盘后部的平台上，停机时超前钻探30m。兼具注浆与安装管棚功能。3不良地质地段施工不良地质地段施工(续续)2.钢拱环安装器钢拱环安装器紧靠刀盘后部安装，钢拱环间距应与掘进机的行程距离一致或成倍数关系，在预制仰拱块上要留有安放拱环的沟槽。3.锚杆钻机锚杆钻机前后两排共四台。可与TBM开挖平行作业。4.意外事故处理意外事故处理开挖面大规模坍方埋机；洞壁围岩变形卡机；突发涌水淹机；工作面挤出造成机体后移。处理方法是：将掘进机后退，人工到掌子面用不同方法进行加固处理，以便让掘进机步进通过。大块卵石层与溶洞群这类特殊地质情况下不宜用掘进机施工。膨胀性地层与瓦斯地层应采取相应安全措施。4综合施工方法综合施工方法u隧道较长隧道较长时可一端采用钻爆法，另一端采用TBM施工。u隧道直径较大隧道直径较大时，可用一台TBM开挖导坑，而后用钻爆法扩挖成洞(一般用于公路、铁路隧道)。或采用一台扩孔式TBM扩挖成洞(一般用于输水隧道等圆形隧道)。u大断面隧道大断面隧道掘进一般先用一台5m左右TBM开挖导洞，再扩挖到所需断面。也可用TBM开挖两个导洞再用钻爆法扩挖成洞。u先导后洞先导后洞的优点：可适时获取地质资料，便于制定相关计划；可节约35%左右的爆破费用；降低爆破对地层的扰动；减少通风量，降低安全风险。双导洞双导洞+钻爆法钻爆法上导坑上导坑+ +钻爆法钻爆法加拿大某铁路隧道联合开挖形式加拿大某铁路隧道联合开挖形式挪威卑尔根城郊公路隧道联合开挖形式挪威卑尔根城郊公路隧道联合开挖形式引水隧道扩孔式引水隧道扩孔式TBM扩挖成洞扩挖成洞5施工方法选择施工方法选择总结现有工程实践，钻爆法与总结现有工程实践，钻爆法与TBM法施工的隧道洞径与法施工的隧道洞径与洞长和岩石抗压强度的关系如下图。洞长和岩石抗压强度的关系如下图。