全断面岩石掘进机施工技术
全断面岩石掘进机全断面岩石掘进机施工技术施工技术TBM主要类型与结构特点主要类型与结构特点TBM在长大隧道的地位与作用在长大隧道的地位与作用我国主要我国主要TBM工程及技术应用工程及技术应用TBM产业化与在制造前景展望产业化与在制造前景展望主 要 内 容1、全断面掘进机的类型和结构特点1.1 1.1 全断面隧道掘进机的分类全断面隧道掘进机的分类全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机:全断面岩石掘进机（全断面岩石掘进机（TBMTBM）、盾构机。、盾构机。全断面岩石掘进机（全断面岩石掘进机（TBMTBM）由主机和由主机和后配套系统组成，按照结构形式可分为后配套系统组成，按照结构形式可分为开敞式开敞式TBMTBM和和护盾式护盾式TBMTBM两大类型两大类型。1、全断面掘进机的类型和结构特点1.1 1.1 全断面隧道掘进机的分类全断面隧道掘进机的分类 开敞式开敞式TBM主要进行以硬岩为主的长大隧道施主要进行以硬岩为主的长大隧道施工。主要有两种结构形式，即前后共有工。主要有两种结构形式，即前后共有两组两组“X”支支撑的凯氏撑的凯氏TBM（含有内凯机架（含有内凯机架Inner Kelly和外凯机和外凯机架架Outer Kelly），另一种为），另一种为单支撑主大梁式单支撑主大梁式TBM。护盾式TBM主要进行以软弱围岩为主的长大隧道施工，根据地质条件可分别选取单护盾和双护盾TBM。开敞式掘进机开敞式掘进机全断面（隧道）岩石掘进机全断面（隧道）岩石掘进机 Hard Rock Tunnel Boring Machine-TBM全断面岩石掘进机图类型：单支撑开敞式硬岩TBM 类型：双支撑开敞式硬岩TBM 类型：双护盾TBM 日本东京湾使用的盾构日本东京湾使用的盾构1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理开敞式TBM开挖部分：开挖部分：刀盘与刀盘刀盘与刀盘轴承以及刀盘轴承以及刀盘驱动装置驱动装置推进部分：推进部分：机架和推进油缸机架和推进油缸开挖反力支撑开挖反力支撑部分：部分：支撑系统（撑支撑系统（撑靴）靴）主 机后配套系统1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理开敞式TBM还有排碴装置、液压系统、电气和操纵系统辅助施工设备：主机出碴皮带机、钢拱架安装器、洞底石碴清理皮带机、超前钻机、锚杆钻机、通风和除尘系统、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、材料吊装与转运系统、紧急手动混凝土喷射系统等.主 机后配套系统1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理开敞式TBM由若干平台车组成，有供水、供电、通风、支护、出碴等作业所需设备、设施和作业空间。液压动力装置、电气装置、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、喷射混凝土系统、锚杆作业系统、供水系统等。主 机后配套系统1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理TBM主轴承TBM控制室有轨运输系统翻渣机1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理TBM主轴承TBM控制室有轨运输系统翻渣机1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理TBM主轴承TBM控制室有轨运输系统翻渣机TBM主轴承TBM控制室有轨运输系统翻渣机1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理 开敞式开敞式TBM只设有较短的刀盘护盾，在其主机只设有较短的刀盘护盾，在其主机和后配套系统上安装有辅助施工（支护）设备，随和后配套系统上安装有辅助施工（支护）设备，随着着TBM的向前掘进，一般可以利用主机上的辅助施的向前掘进，一般可以利用主机上的辅助施工设备同时进行安装锚杆、挂钢筋网和喷射混凝土工设备同时进行安装锚杆、挂钢筋网和喷射混凝土等支护作业。等支护作业。开敞式开敞式TBM刀盘的推力和扭矩通过机架或主梁刀盘的推力和扭矩通过机架或主梁传递到支撑系统，支撑系统（撑靴和支撑液压缸）传递到支撑系统，支撑系统（撑靴和支撑液压缸）径向作用于洞壁上承受推力和扭矩。径向作用于洞壁上承受推力和扭矩。开敞式开敞式TBM1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理 TBM的掘进工作主要由刀盘装置、刀盘驱动系统、推进系统的掘进工作主要由刀盘装置、刀盘驱动系统、推进系统和支撑系统完成，它们决定了和支撑系统完成，它们决定了TBM的掘进效率。的掘进效率。推进系统主要由液压推进油缸等构成。应根据岩石情况、开挖直径、刀具直径和刀具数，提供足够的推力，以便在较硬岩石情况下获得一定的切深。一般根据刀具的总推力、刀盘护盾摩擦阻力、后配套系统的牵引阻力等来确定所需推力。支撑系统的支撑油缸应能抵抗刀盘传递过来的推力和扭矩，支撑靴有足够的强度和面积，并且要核算与洞壁的接地比压值的大小。开敞式开敞式TBM1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理 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。双护盾式TBM既可以用于硬岩掘进，也可以用于软岩掘进。双护盾式TBM主要由切削刀盘、前护盾与刀盘支撑、后护盾与支撑和推进装置、后配套系统等部分组成。双护盾双护盾TBM1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理盘形滚刀皮带输送机刀盘布置1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理盘形滚刀皮带输送机刀盘布置1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理盘形滚刀皮带输送机刀盘布置1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理TBM工作原理工作原理 不同部位的滚刀在掌子面上留下不同半径的同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在剪切力作用下从岩体上剥落下来形成石碴。TBM主机前部装有若干把盘形滚刀的刀盘，由主机前部装有若干把盘形滚刀的刀盘，由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给推进系统给刀盘提供推进力，刀盘提供推进力，在推进力的作用下滚刀切入掌子在推进力的作用下滚刀切入掌子面岩石。面岩石。TBM工作原理工作原理 石碴则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲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主机斗自动拾起，经刀盘内的溜碴槽输送到主机上的皮带机上，再运到后配套系统处，经过上的皮带机上，再运到后配套系统处，经过后配套系统上的转碴皮带机，传递给隧道出后配套系统上的转碴皮带机，传递给隧道出碴运输系统运出洞外。碴运输系统运出洞外。1.2 开敞式TBM主要结构组成与工作原理TBM掘进循环双支撑开敞式TBM换步原理破岩机理TBM破岩石渣 掌子面滚刀破岩切槽轨迹皮带机出渣洞外转渣场安装管片安装管片2、TBM在长大隧道的地位与作用 随着我国铁路、公路、引水、国防等重大随着我国铁路、公路、引水、国防等重大基础建设发展，所遇到的影响整体重大工程顺基础建设发展，所遇到的影响整体重大工程顺利完成的长大隧道越来越多，而且施工技术难利完成的长大隧道越来越多，而且施工技术难度和复杂性越来越大。尤其是铁路工程建设。度和复杂性越来越大。尤其是铁路工程建设。预计未来二十年我国平均每年600km的隧道需要开挖，而超过7km的长大隧道约占三分之一。2、TBM在长大隧道的地位与作用断面大、距离长，面临岩石坚硬、软弱破碎、断面大、距离长，面临岩石坚硬、软弱破碎、断层、涌水、高寒缺氧等各种复杂地质条件。断层、涌水、高寒缺氧等各种复杂地质条件。对开挖速度、环保、安全、质量和效益的要求对开挖速度、环保、安全、质量和效益的要求越来越高。越来越高。长大隧道工程的主要特点长大隧道工程的主要特点:传统钻爆法难以面对这一艰巨挑战。2、TBM在长大隧道的地位与作用全断面岩石掘进机（全断面岩石掘进机（TBMTBM）是国际上长大是国际上长大隧道先进施工设备和技术的选择。隧道先进施工设备和技术的选择。世界上可借鉴的大直径、长距离世界上可借鉴的大直径、长距离TBMTBM施工施工隧道的典例不多，同时存在技术保密和封隧道的典例不多，同时存在技术保密和封锁。我国工程市场份额巨大。锁。我国工程市场份额巨大。研究建立我国自主的研究建立我国自主的TBMTBM施工技术体系并施工技术体系并实现国产化意义重大。实现国产化意义重大。2、TBM在长大隧道的地位与作用 2121世纪是人类开发地下空间的世纪世纪是人类开发地下空间的世纪,加速发展我国全断面隧道掘进机的研加速发展我国全断面隧道掘进机的研发及产业化势在必行。发及产业化势在必行。国务院国发国务院国发2006820068号文件号文件国务院关于国务院关于加快振兴装备制造业的若干意见加快振兴装备制造业的若干意见将将“满足铁路、满足铁路、水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快全断水利工程，城市轨道建设项目的需要，加快全断面岩石掘进机等大型施工机械的研制，掌握关键面岩石掘进机等大型施工机械的研制，掌握关键设备制造技术设备制造技术”列入列入1616项重大技术装备之一。项重大技术装备之一。3、我国主要TBM工程及技术应用 1985年从美国引进了年从美国引进了Rob-bins公司直径为公司直径为10.8m掘进机，掘进机，开挖引水隧洞总长度约开挖引水隧洞总长度约10km，掘进机遇到的岩石地层系石灰掘进机遇到的岩石地层系石灰岩，抗压强度岩，抗压强度150MPa，施工，施工时最高月进尺时最高月进尺150m。这是中国。这是中国第一条采用大断面岩石掘进机第一条采用大断面岩石掘进机施工的隧道。施工的隧道。（1 1）广西天生广西天生桥水电站桥水电站引水隧洞引水隧洞3.1TBM3.1TBM在我国重大在我国重大工程中的应用典例工程中的应用典例3、我国主要TBM工程及技术应用 30A隧道全长隧道全长11.649km，是一条无压输水隧道。是一条无压输水隧道。1991年由意大利年由意大利CMC公司采用双护盾公司采用双护盾TBM进行进行施工，掘进机直径施工，掘进机直径5.53m，采用预制管片衬砌。采用预制管片衬砌。（2 2）甘肃引大甘肃引大入秦工程入秦工程3.1TBM3.1TBM应用典例应用典例3、我国主要TBM工程及技术应用 该机由美国该机由美国Robbins制造生制造生 产的产的188227型型TBM。所遇到的所遇到的地层岩性单轴抗地层岩性单轴抗 压强度压强度26133.7MPa。该隧洞历经该隧洞历经13个月，于个月，于19 92年年1月掘进贯通。月掘进贯通。最高日进尺最高日进尺65.5m；最高月进尺最高月进尺1300m。（2 2）甘肃引大甘肃引大入秦工程入秦工程3.1TBM3.1TBM应用典例应用典例3、我国主要TBM工程及技术应用 隧洞总长隧洞总长161.1km。采用采用6台台直径直径4.88m和和 5.96m双护盾双护盾TBM对对 8条条隧洞进行施工。隧洞进行施工。TBM施工隧洞总长施工隧洞总长 121.8km，采用六边，采用六边 形预制管片衬砌。形预制管片衬砌。（3 3）山西引黄山西引黄工程工程3.1TBM3.1TBM应用典例应用典例3、我国主要TBM工程及技术应用工程地层主要岩性为石灰岩，工程地层主要岩性为石灰岩，由意大利英波基洛公司和由意大利英波基洛公司和 CMC公司及中国水利水电四公司及中国水利水电四 局组成的万龙联营体承包。局组成的万龙联营体承包。1993年开始掘进至今，创造年开始掘进至今，创造 最高月进尺最高月进尺1821.5m的掘进的掘进 记录。记录。（3 3）山西引黄山西引黄工程工程双护盾双护盾TBM3.1TBM3.1TBM应用典例应用典例3、我国主要TBM工程及技术应用云南那邦水电站云南那邦水电站TBM工工 程，直径程，直径4.5m，长约，长约10km。采用开敞式采用开敞式TBM施工。施工。具有具有TBM施工作业面狭小施工作业面狭小 、特殊夹泥地质，环保要、特殊夹泥地质，环保要 求高、雨水多、通风难度求高、雨水多、通风难度 大等特点。大等特点。目前该工程即将完成试掘目前该工程即
