TBM设计教案
全断面岩石掘进机TBM,秦岭隧道TBM,TBM步入出发洞,Komatsu Hard Rock TBM,Disc Cutter (Back Loading Type),TBM刀具,TBM与盾构,隧道（洞）掘进机一般分为盾构和岩石掘进机两种，盾构主要应用于软土地层的开挖，岩石掘进机主要用于硬质地层的开挖，两种掘进机在破岩机理上不同。本文介绍的是适于硬岩开挖的全断面岩石掘进机（英文Full Face Tunnel Boring Machine，简称TBM）。,TBM的工作原理,主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切入掌子面岩石，不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同心圆切槽轨迹，在滚刀的挤压下，相邻切槽的岩石在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石碴，石碴则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲碴斗自动拾起，经刀盘内的溜碴槽输送到装在主机上的皮带机上，再运到后配套系统处经隧道出碴运输系统运出洞外。,破岩轨迹,TBM类型,TBM由主机和后配套系统组成，一般又分为敞开式TBM和护盾式TBM两大类型，护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分；敞开式TBM目前主要有两种结构形式，即前后共有两组“X”支撑的凯氏TBM（含有内凯机架Inner Kelly和外凯机架Outer Kelly），另一种为单支撑主梁式TBM。软弱围岩所占比例较大的隧道一般选用护盾式TBM，而岩石稳定性好软弱围岩较少的隧道一般选用敞开式TBM，此外，还要根据工程设计及工程造价进行综合分析确定。,双护盾TBM,双护盾TBM的主机在护盾的保护下进行掘进作业，主机后部一般装有衬砌管片安装器，随着TBM的向前掘进，双护盾TBM可同时进行管片安装作业，后配套系统则完全在已经完成管片衬砌的隧道内作业；当无法实现径向支撑而需要辅助推进油缸提供所需推进力时，推力作用于管片衬砌上，掘进作业与管片安装作业此时不能同时进行，相当于“单护盾模式”的作业方式，相应掘进效率较低。,敞开式TBM,敞开式TBM则只设有较短的刀盘护盾，在其主机和后配套上安装有支护设备，随着TBM的向前掘进，一般可以同时进行安装锚杆、挂网和喷射混凝土等支护作业。敞开式TBM刀盘推力和扭矩通过机架或主梁传递到支撑系统，支撑系统径向作用于岩壁上承受推力和扭矩。,系统构成,刀盘 刀盘护盾 刀盘支承和主轴承 刀盘驱动 主梁 推进系统 支撑系统 液压系统 电气系统,主机辅助设备,此外，TBM主机上的辅助设备主要有：主机出渣皮带机、钢拱架安装器、洞底石渣清理皮带机、超前钻机、锚杆钻机、通风设施和除尘系统、通讯系统、数据采集记录系统、激光导向系统、安全控制系统、甲烷监测器、支护材料转运系统、紧急手动混凝土喷射系统等。,TBM后配套系统,后配套系统由钢结构件主机连接桥和若干平台车组成，其上有供水、供电、通风、支护、出渣等作业所需设备、设施和作业空间。包括：液压动力装置、电气开关装置、变压器、主断路开关、电缆卷筒、应急发电机、除尘器、通风管道、控制室、拌浆装置、材料转运吊机、皮带输送机系统、集装箱式修理间、人员休息室及厕所、喷混系统、锚杆系统、供水系统等。,TBM施工主要关键技术,（1）TBM选型及系统集成设计 TBM系统结构庞大复杂，各种高技术系统集成，是价值数亿元的大型成套工厂化作业系统，属于典型的非标定制产品，其机型、系统设备配置和主要技术参数均需要承包商与制造商根据具体的工程设计、地质条件和施工工艺共同研究确定。TBM及其后配套系统的选型及集成设计是否合理是工程能否顺利完成的首要问题。,TBM施工主要关键技术,（2）TBM施工组织管理技术 TBM施工时，掘进、出碴、支护、进料运输等工序平行连续作业，系统性强，要求各环节紧密配合，以TBM掘进作业为中心，其他配套设施和系统要尽可能满足TBM掘进的需要，与钻爆法施工在组织管理上具有完全不同的技术特点，这给TBM施工组织管理技术提出了挑战。TBM掘均机时利用率是衡量TBM施工组织管理技术水平的主要指标，目前国际水平在40%左右。,TBM施工主要关键技术,（3）TBM掘进参数匹配技术 TBM施工中隧道地质条件不断变化，而不同岩石条件下选取的掘进参数对TBM施工的安全、掘进速度、掘进效益影响很大，只有根据不同的围岩条件进行刀盘转速、刀盘推力、刀盘扭矩、推进速度、撑靴压力、推进行程等主要参数的合理匹配，才能使TBM能够安全、快速和高效掘进。,TBM施工主要关键技术,（4）TBM在软弱围岩和不良地质地段施工技术 软弱围岩条件下容易出现掌子面不稳定、围岩坍塌、刀盘被卡、支撑系统撑不住、刀盘下沉、掘进方向难以控制等技术问题。另外断层、涌水、岩爆等不良地质地段也对TBM施工带来很大技术难题。因此，TBM在软弱围岩下的掘进技术和不良地质地段的施工技术是TBM工程能否安全贯通的关键。,TBM施工主要关键技术,（5）TBM状态监测与故障诊断和维护技术 TBM是机、电、液、光一体化的大型复杂隧道施工作业系统，且作业环境恶劣，作业空间狭窄。由于TBM和后配套系统庞大复杂以及实际地质条件的复杂性，在国际TBM工程施工中发生重大事故的情况多有报道，造成了巨大的经济损失和社会影响。如何建立先进可靠的TBM监测诊断和维护技术，保证TBM处于安全完好掘进状态和提高机时利用率是需要解决的关键技术问题。,TBM施工主要关键技术,（6）TBM刀具技术 TBM刀具是其破岩的核心技术，而且硬岩TBM施工中刀具检查、更换、维修等作业时间和刀具消耗费用占TBM施工总时间和施工总费用的很大比例。因此，硬岩TBM施工中的刀具技术是制约掘进效率和效益的首要问题，也是制约我国TBM国产化和降低TBM施工成本的关键技术问题。TBM施工中设立专门的刀具班组，建立合理的TBM刀具使用、检查、更换和维修的技术规范是至关重要的。,TBM施工主要关键技术,（7）TBM掘进方向测量控制技术 TBM掘进过程中需要不断进行掘进方向的测量和调整控制，掘进方向的准确控制关系到隧道（洞）能否贯通和达到贯通精度要求，而且调向技术的好坏对刀具的消耗和掘进速度也有很大影响，特别是软弱围岩掘进中容易出现刀盘下沉、撑靴打滑、机身滚动等问题，需要合理的掘进和调向控制技术。,TBM施工主要关键技术,（8）TBM出渣和物料运输技术 TBM施工隧道掘进速度快、出渣量大、运输距离长，且要求掘进、出渣、支护并行作业。如果出渣和物料运输不能满足掘进要求将影响TBM快速施工的优势，因此长大隧道TBM施工出渣和物料运输技术也是重要的关键保障技术。目前，常用的技术方案为有轨运输技术和连续皮带机出渣技术。特别是连续皮带机出渣技术已成为国外长大隧道TBM施工的重要技术选择，我国还没有成功应用的先例。,TBM施工主要关键技术,（9）TBM施工供电技术 TBM施工用电量大，用电设备多，高压进洞供电距离长，供电系统复杂，安全性要求高。因此，TBM施工供电技术也是需要重点考虑的技术问题。,TBM施工主要关键技术,（10）TBM施工通风技术 TBM施工一般通风距离较长，特别是近年来超过10km的隧道越来越多，这对我国隧道施工通风也带来很大的技术难度。,TBM施工主要关键技术,（11）TBM施工作业分析方法 TBM施工过程中随时有大量相对应的不同围岩地质参数、TBM掘进工作参数、TBM掘进性能参数，采集记录和分析处理这些数据对于指导后期施工具有重要参考价值，对我国TBM技术数据积累和施工企业自身技术和经验的积累都是非常重要的。,图7 掘进分析中周统计界面,7号变速箱两次油样磨粒图谱,沙粒 异常磨损 前一次图谱 大量沙粒 金属磨粒和聚合物 后一次图谱,TBM工程应用实例,国外已建成的著名工程实例： （1）英吉利海峡铁路隧道，由三条平行隧道组成，每条约50km，海底掘进长度约37km，地层岩石为白垩纪泥灰岩。该工程英、法两侧共使用了11台TBM，在三年内完成了任务，1994年底开通运营。其中一台由Robbins公司生产的直径8.36m的掘进机创造了当时月进尺1719.1m的世界记录。,国外已建成的著名工程实例,（2）瑞士费尔艾那铁路隧道全长19km，使用Wirth公司制造的直径7.7m的敞开式TBM，岩石条件为花岗岩，该工程1995年开始施工，1998年完工，日进尺为13.622.9m。,国外在建的著名工程实例：,（1）南非莱索托南水北调工程总长约200km，有4条引水隧洞和2条输水隧洞、6座大坝、2座电站等水工建筑，其中约84km的施工隧洞。该工程自80年代末动工，总工期计划30多年。,国外在建的著名工程实例,（2）瑞士哥特哈得（Gotthard）铁路隧道工程，全长57km，开挖直径9m，最大埋深2500m，计划采用8台TBM进行施工。,国外在建的著名工程实例,（3）法国里昂至意大利都灵铁路隧道，全长54km，最大埋深超过2000m, 采用TBM进行施工。,国内建成的TBM重要工程,（1）1985年中国在广西隆林天生桥水电站的引水隧洞修建中，从美国引进了Robbins公司直径为10.8m掘进机，开挖引水隧洞总长度约10km，掘进机遇到的岩石地层系石灰岩，抗压强度150MPa，施工时最高月进尺150m。这是中国第一条采用大断面岩石掘进机施工的隧道。,国内建成的TBM重要工程,（2）1991年甘肃省引大入秦大型跨流域灌溉工程中，30A隧道全长11.649km，是一条无压输水隧道，由意大利CMC公司采用双护盾TBM进行施工，掘进机直径5.53m，采用预制管片衬砌。该机由美国Robbins制造生产的188227型TBM，遇到的地层岩性单轴抗压强度26133.7MPa。该隧洞历经13个月于1992年1月掘进贯通，最高日进尺65.5m，最高月进尺1300m。,国内建成的TBM重要工程,（3）山西省万家寨引黄工程隧洞总长161.1km，其中共采用6台直径4.88m和5.96m双护盾TBM对8条隧洞进行施工，TBM施工隧洞总长121.8km，采用六边形预制管片衬砌。该工程地层主要岩性为灰岩，由意大利英波基洛公司和CMC公司及中国水利水电四局组成的万龙联营体承包，1993年开始掘进至今，创造最高月进尺1821.5m的掘进记录。,国内建成的TBM重要工程,（4）西康铁路秦岭隧道工程由铁道部从Wirth公司引进两台直径8.8m敞开式TBM自主施工，该隧道全长18.46km，岩石为坚硬的混合片麻岩和混合花岗岩，抗压强度105325MPa，属于国际上TBM工程中十分罕见的极硬岩石条件，在此条件下仍然创造了最高月进尺531m和509m的记录。该工程TBM自1997年下半年开始运至施工现场组装，1999年掘进贯通。,国内建成的TBM重要工程,（5）秦岭隧道完工后，这两台TBM又分别转移至西安南京铁路磨沟岭隧道和桃花铺隧道施工，成功地使敞开式TBM在这两个长距离软弱围岩的隧道工程中掘进贯通，并分别创造了573m和551.8m的新的掘进记录。可以说，通过秦岭隧道、磨沟岭隧道和桃花铺隧道成功的TBM自主施工，真正建立起了我国自己独立的TBM施工队伍和专家队伍，并创造性地积累起我国独立掌握的TBM施工技术体系。,TBM是先进的隧道施工技术,随着我国大规模的基础建设，铁路、公路、水电工程、南水北调、西气东输、城市地铁、市政供水供电和排污等重大工程越来越多，需要修建大量的长、大隧道。预计我国未来二十年平均每年有600km共12000km隧道（洞）需要开挖。由于工程规模大、地质条件复杂，工程施工速度、环保、质量和效益要求高，传统钻爆法施工技术已经难以适应这一艰巨挑战。,TBM在中国,因此，全断面岩石掘进机(TBM)技术必将在我国得到长足发展，推动我国大型施工机械制造业和施工企业的科技进步。掌握这一技术将使企业增强巨大的市场竞争力。可以说，中国将成为世界TBM施工工程和TBM制造业的主战场。,意大利隧道协会主席S.Pelizza,事实上，仅从合格的TBM制造厂家订购一台特定类型的TBM是远远不够的；相
