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1、1隧道掘进机隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )(Tunnel Boring Machine )TBMTBM2023-2-72掘进技术的发展掘进技术的发展 第一代 钢钎大锤 第二代 手持风钻 第三代 凿岩台车第四代 TBM TBMTBM发展历史简介发展历史简介2023-2-73u隧道掘进机隧道掘进机(Tunnel Boring Machine )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，它是由盾构岩石、出碴与支护实行连续作业的综合设备，它是由盾构技术发展而来的。技术发展而来的。u1818年英国布鲁诺年英国布鲁诺(Brunel)受蛀虫钻孔启示，
2、最早提出盾受蛀虫钻孔启示，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年美国人查理士年美国人查理士威尔逊研制出威尔逊研制出TBM试用于花岗岩掘进试用于花岗岩掘进未获成功。未获成功。u1881年波蒙特开发出压缩空气式年波蒙特开发出压缩空气式TBM，成功用于英吉利海，成功用于英吉利海峡隧道直径峡隧道直径2.1m的勘探导坑。的勘探导坑。u美国罗宾斯美国罗宾斯(Robbins)公司公司1952年研制出第一台软岩年研制出第一台软岩TBM，1956年又成功研制中硬岩年又成功研制中硬岩TBM。2023-2-7
3、4 TBM法的概述与应用法的概述与应用 n掘进机（掘进机（Tunnel Boring Machine），简称），简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术。，是一种修建岩质隧道的工厂化施工技术。在机械施工中很长一段时期，把在土质隧道中采在机械施工中很长一段时期，把在土质隧道中采用的机械称为盾构，而把在岩质隧道中施工的机用的机械称为盾构，而把在岩质隧道中施工的机械称为掘进机，或岩石掘进机。由于机械制造技械称为掘进机，或岩石掘进机。由于机械制造技术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目前多把掘进机和盾构并称为盾构掘进机。前多把掘进机和盾构并称为盾构掘
4、进机。2023-2-75TBM主要制造商主要制造商n美国罗宾斯n德国海瑞克公司n德国威尔特公司n加拿大拉法特n日本三菱公司Robbins2023-2-76TBM刀盘结构示意图刀盘结构示意图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水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行主要是通过水平推进油缸使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中联合挤压与剪切作用破碎岩体。与剪切作用破碎岩体。滚刀类型：圆盘型、楔齿形、球齿型滚刀类型：圆盘型、楔齿形、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
5、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TBM破岩方式与原理破岩方式与原理3.圆盘型滚刀破岩原理圆盘型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集中力作用下破碎而被切人，并形成切入坑刀尖强集中力作用下破碎而被切
6、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剪受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度切破碎。当切入深度h较大时，剪裂面为较大时，剪裂面为O1O2(图图c)。5.削刀破岩原理削刀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
7、，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。2023-2-710TBM的优缺点的优缺点n优点：优点：快速快速-约为钻爆法的约为钻爆法的46倍；倍； 优质优质-洞壁光滑，超挖量少洞壁光滑，超挖量少 ； 高效高效-节约衬砌，节约人工劳动；节约衬砌，节约人工劳动； 安全安全-安全性加大，作业环境安全；安全性加大，作业环境安全； 环保环保-非爆破开挖，尘土、气体、噪音非爆破开挖，尘土、气体、噪音 污染少，污染少， 减少辅助洞室，减少地表破坏；减少辅助洞室，减少地表破坏； 自动化、信息化程度高。自动化、信息化程度高。2023-2-711n缺点：缺点：1、设备
8、购置及使用成本大；、设备购置及使用成本大；2、施工途中不能改变开挖半径；、施工途中不能改变开挖半径；3、地质适应性较差、地质适应性较差;4、断面适应性较差、断面适应性较差;5、运输困难。、运输困难。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，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，世界上采用技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
9、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
10、。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。国内外应用概况国内外应用概况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，先后用于下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进于下列水电与煤矿井巷工程。国产机型月均进尺尺20300m，累计总掘进长度，累计总掘进长度12km。u云南西洱河水电站引水隧道云南西洱河水电站引水隧道u引滦入津新王庄隧道陡
11、河电站的引水隧道引滦入津新王庄隧道陡河电站的引水隧道u引大入秦总干渠引大入秦总干渠38号隧道号隧道u北京落坡岭水电工程北京落坡岭水电工程u贵州猫跳河水电站引水隧道贵州猫跳河水电站引水隧道u福建龙门滩引水隧道福建龙门滩引水隧道u江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿江西萍乡、山西怀仁、山西古交、云南羊场煤矿u甘肃引大入秦水磨沟输水隧道甘肃引大入秦水磨沟输水隧道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u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开开敞式敞式u新疆大阪输水隧道工程新疆大阪输水隧道工程全长
12、全长30.68km，德国海瑞克，德国海瑞克双护盾双护盾TBMu青海引大济湟总干渠工程青海引大济湟总干渠工程德国德国Wirth双护盾双护盾TBM，5.93m，全长，全长19.94kmu西康铁路秦岭西康铁路秦岭线隧道线隧道掘进掘进5.621km，8.8m开敞开敞式式TBMu西安南京铁路桃花铺西安南京铁路桃花铺1号隧道号隧道掘进掘进7.23km,机型同机型同上上u西安南京铁路磨沟岭隧道西安南京铁路磨沟岭隧道掘进掘进6.11km,机型同上机型同上u南疆铁路吐库二线中天山隧道南疆铁路吐库二线中天山隧道机型同上机型同上u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TBMu沈阳
13、在建地铁九号线沈阳在建地铁九号线中铁重工制造中铁重工制造 行健号行健号4.楔齿型与球齿型滚刀破岩原理楔齿型与球齿型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。2023-2-716 T
14、BM的结构类型，构造和工作原理的结构类型，构造和工作原理一、全断面一、全断面TBMTBM TBM基本构造基本构造TBM由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几部分组成。机构及吸尘、通风装置等几部分组成。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顶撑洞壁以支承和推进机身。副支撑鞋控制振动与方向。主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。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
15、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热量与粉尘。故对通风、降掘进机工作时将产生大量的热量与粉尘。故对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装置，掘进时连续喷水降尘。机房内专设
16、通风降温设备。置，掘进时连续喷水降尘。机房内专设通风降温设备。 全断面全断面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推推进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双进时利用管片作支撑，其原理类似于盾构。与双护盾护盾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8.0mSingle Shield TBM 护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机护盾；液压推进油缸；管片；刀盘；装渣斗；皮带输送机Double Shield TBM 可伸缩护盾；刀盘；活动支撑鞋；辅助推进油缸；管片可伸
