隧道工程—第10章.ppt

1、中南大学隧道与地下工程系中南大学隧道与地下工程系彭立敏彭立敏隧隧 道道 工工 程程1第10章 隧道掘进机施工10.4 掘进机后配套设备与支护型式10.3 掘进机工作原理与施工过程10.1 概述10.2 掘进机的类型与构造10.5 工程实例介绍210.1.1 10.1.1 掘进机的概念掘进机的概念10.1 概述10.1.2 10.1.2 隧道掘进机施工特点隧道掘进机施工特点10.1.3 10.1.3 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展3 隧道掘进机隧道掘进机( (Tunnel Boring MachineTunnel Boring Machine) )，简称，简称TBM TBM ，是利用回转刀

2、具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一是利用回转刀具切削破岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械。种新型、先进的隧道施工机械。10.1.1 10.1.1 掘进机的概念掘进机的概念410.1 概述 从隧道施工的实用概念出发，为了区别于其它开从隧道施工的实用概念出发，为了区别于其它开挖隧道的机械，挖隧道的机械，10.1.1 10.1.1 掘进机的概念掘进机的概念 用机械能破碎隧道掌用机械能破碎隧道掌子面、随即将破碎物质连子面、随即将破碎物质连续向后输出并获得预期的续向后输出并获得预期的洞型、洞线的机器。洞型、洞线的机器。5 目前在国内通常有两种提法：目前在国内通常有两种提法： (

3、1)(1)岩石掘进机岩石掘进机(TBM) (TBM) 就是适合硬岩开挖的隧道掘进机就是适合硬岩开挖的隧道掘进机。 (2) (2)盾构机盾构机(shield)(shield) 指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。指的是适于在软岩、土中的隧道掘进机。10.1.1 10.1.1 掘进机的概念掘进机的概念6 快速快速常规钻爆法掘进速度的常规钻爆法掘进速度的3 31010倍倍 安全安全人员在局部或整体的护盾下工作人员在局部或整体的护盾下工作 优质优质洞壁光滑美观洞壁光滑美观 自动化和机械化程度高自动化和机械化程度高（节省劳动力（节省劳动力经济经济） 围岩扰动小围岩扰动小 对环境影响小对环境影响小10.1

4、.2 10.1.2 隧道掘进机施工特点隧道掘进机施工特点核心10.1 概述7 能耗大能耗大 断面单一断面单一 对岩层变化的适应性差对岩层变化的适应性差 一次性购买一次性购买TBMTBM投资高投资高 主机重量大，运输不方便，安装工作量大主机重量大，运输不方便，安装工作量大 短隧道不能发挥其优越性短隧道不能发挥其优越性( (不经济不经济) )10.1.2 10.1.2 隧道掘进机施工特点隧道掘进机施工特点 综上所述，全断面隧道掘进机适合于长隧道的施工综上所述，全断面隧道掘进机适合于长隧道的施工8 18461846年年TBMTBM由意大利人由意大利人MausMaus发明。发明。 18511851年年

5、美国人美国人威尔逊威尔逊开发了一台开发了一台TBMTBM，在花岗岩中试用，在花岗岩中试用 未获成功。未获成功。 18811881年年波蒙特波蒙特开发了压气式开发了压气式TBMTBM，成功应用于，成功应用于英吉利海英吉利海 峡隧道峡隧道直径为直径为2.1m2.1m的勘探导坑。的勘探导坑。 19521952年年美国美国罗宾斯公司罗宾斯公司研制出第研制出第1 1台现代台现代软岩软岩TBMTBM。 19561956年年美国美国罗宾斯公司罗宾斯公司又研制成功又研制成功中硬岩中硬岩TBMTBM。 从此，从此， TBMTBM进入快速发展时期进入快速发展时期。1.发展历史大事记10.1.3 10.1.3 掘进

6、机的应用与发展掘进机的应用与发展10.1 概述92.应用国外 近年来，国外采用掘进机完成的大型隧道有：近年来，国外采用掘进机完成的大型隧道有： (1) (1) 英法海底铁路隧道英法海底铁路隧道单洞长约单洞长约50km50km，使用，使用1111台掘进台掘进 机，工期三年多时间；机，工期三年多时间； (2) (2) 瑞士费尔艾那隧道瑞士费尔艾那隧道长长19km19km，其中约，其中约9.5km9.5km采用掘进采用掘进 机施工；机施工； (3) (3) 瑞士穿越阿尔卑斯山新圣哥达铁路隧道瑞士穿越阿尔卑斯山新圣哥达铁路隧道长达长达57km57km； (4) (4) 美国芝加哥美国芝加哥TARPTA

7、RP工程排水隧道工程排水隧道大约大约4040多多kmkm，全部采，全部采 用掘进机施工用掘进机施工。10.1.3 10.1.3 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展10 (1) 1970(1) 1970年代末，甘肃引大入秦和山西万家寨引年代末，甘肃引大入秦和山西万家寨引水工程水工程采用掘进机获得成功采用掘进机获得成功( (意大利意大利CMCCMC公司承公司承包包) )。 (2) 1998.1(2) 1998.11999.81999.8，西康铁路秦岭特长隧道，西康铁路秦岭特长隧道引入德国引入德国Wirth(Wirth(维尔特维尔特) )公司公司TB880ETB880E型掘进机，进型掘进机，进行长

8、行长18.5km18.5km，直径，直径8.8m8.8m的的I I线隧道施工，平均掘进速线隧道施工，平均掘进速度为度为313.7313.7/ /月。月。3.应用国内10.1.3 10.1.3 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展114.国外掘进机的发展技术水平 开挖直径范围为开挖直径范围为1.8-11.87m1.8-11.87m； 可在抗压强度可在抗压强度360MPa360MPa的岩体中掘进的岩体中掘进80-100m80-100m2 2大断面隧大断面隧 道，平均掘进速度道，平均掘进速度350-400m/350-400m/月；月； 能开挖能开挖4545的斜井；的斜井； 盘形滚刀的最大直径达盘形滚

9、刀的最大直径达483mm483mm，其承载能力达，其承载能力达312kN312kN； 刀具的寿命达刀具的寿命达300300500m500m； 单台掘进机的最大总进尺已超过单台掘进机的最大总进尺已超过40km40km。10.1.3 10.1.3 掘进机的应用与发展掘进机的应用与发展12第10章 隧道掘进机施工10.4 掘进机后配套设备与支护型式10.3 掘进机工作原理与施工过程10.1 概述10.2 掘进机的类型与构造10.5 工程实例介绍1310.2 掘进机的类型与构造10.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造1

10、0.2.3 10.2.3 全断面护盾式掘进机头部结构全断面护盾式掘进机头部结构14隧道掘进机(岩石)全断面掘进机开敞式悬臂式掘进机护盾式单臂式多臂式单撑靴式双撑靴式单护盾式双护盾式 掘进机的类型掘进机的类型10.2 掘进机的类型与构造15 隧道掘进机械，一般分为两种： 1.全断面隧道掘进机， 简称TBM 2.臂式掘进机 (Boom-type Roadheader) （以下重点介绍第1种） 掘进机的类型掘进机的类型10.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型 适合于适合于软岩隧道软岩隧道 顶推反力利用尾部安装的顶推反力利用尾部安装的衬砌管片衬砌管片 适合于适合于硬岩隧道硬岩隧

11、道 顶推反力与刀盘扭矩力依靠顶推反力与刀盘扭矩力依靠围岩坚硬壁面围岩坚硬壁面提供提供1.开敞式掘进机2.护盾式掘进机10.2 掘进机的类型与构造17开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机1810.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机中铁隧道局研发的开敞式隧道掘进机型型 号：号：TB880E开开 挖挖 直直 径：径：8.8米米掘掘 进进 速速 度：度：3.5m/h西康铁路秦岭隧道西康铁路秦岭隧道西安西安-南京线磨沟岭隧道南京线磨沟岭隧道 最高月进度：最高月进度：574米（磨沟岭隧道）米（磨沟岭隧道） 最高日进度：最高日进度：41.3米（磨沟岭隧道）

12、米（磨沟岭隧道）1910.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机2010.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机2110.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机2210.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机2310.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型开敞式隧道掘进机开敞式隧道掘进机2410.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型图10-2 单水

13、平支撑掘进机示意图1.掘进刀盘；2.拱顶护盾；3.驱动组件；4.主梁；5.出碴输送机；6.后下支撑；7.撑靴；8.推进千斤顶；9.侧护盾；10.下支撑；11.刀盘支撑1111098234765开敞式掘进机基本有两种型式开敞式掘进机基本有两种型式：单撑靴式、双撑靴式。单撑靴式、双撑靴式。1.开敞式掘进机10.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型25.掘进刀盘；2.顶护盾；3.轴承外壳；4、前水平撑靴；5.后水平撑靴；6.齿轮箱；7.出碴输送机；8.驱动电机；9.星形变速箱；10.后下支撑；11.扭矩筒；12.推进千斤顶；13.主机架；14.前下支撑(仰拱括板)图10-3 双

14、水平支撑掘进机示意图141312111243591086710.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型26 (1) (1)单护盾单护盾TBMTBM常用于劣质地层。常用于劣质地层。 (2)(2)双护盾双护盾TBMTBM适用于各种地质，适用于各种地质，既适应软岩，既适应软岩， 也适应硬岩或软硬岩交互地层。也适应硬岩或软硬岩交互地层。 对比：对比：单护盾单护盾TBMTBM推进时，要利用管片作为支撑，推进时，要利用管片作为支撑，与双护盾与双护盾TBMTBM相比，相比，掘进与安装管片两者不能同时进掘进与安装管片两者不能同时进行，行，速度较慢。速度较慢。2.护盾式掘进机10.2.1 1

15、0.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型27单护盾式隧道掘进机单护盾式隧道掘进机2810.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型双护盾式隧道掘进机双护盾式隧道掘进机2910.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型图10-7 单护盾掘进机示意图掘进刀盘；2.护盾；3.驱动组件；4.推进千斤顶；5.管片安装机；6.超前钻机；7.出碴输送机；8.拼装好的管片；9.提升机；10.铰接千斤顶；11.主轴承、大齿圈；12.刀盘支撑12111012345986710.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型30掘进刀盘；2.前护盾；3.驱动组

16、件；4.推进油缸；5.铰接油缸；6.撑靴护盾；7.尾护盾；8.出碴输送机；9.拼装好的管片；10.管片安装机；11.辅助推进靴；12.水平撑靴；13.伸缩护盾；14.主轴承大齿圈；15.刀盘支撑1514123图10-8 双护盾掘进机示意图13410121154679810.2.1 10.2.1 全断面掘进机的类型全断面掘进机的类型311.刀具2.刀盘3.驱动(控制)系统4.支撑和推进系统5.后配套设备主要构造：主要构造：10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造10.2 掘进机的类型与构造321.1.刀具刀具 刀具是全断而岩石隧刀具是全断而岩石隧道掘进机破碎岩石的工道掘进机破

17、碎岩石的工具，是掘进机主要研究具，是掘进机主要研究的关键部件和易损件。的关键部件和易损件。经过几十年的工程实践。经过几十年的工程实践。 目前公认为目前公认为0.432 0.432 mmmm的窄形单刃滚刀是最的窄形单刃滚刀是最佳刀具。佳刀具。10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造10.2 掘进机的类型与构造33(1) (1) 刀具的结构刀具的结构 刀具由轴、端盖、金刀具由轴、端盖、金属浮动密封、轴承、刀圈、属浮动密封、轴承、刀圈、挡圈、刀体、压板、加油挡圈、刀体、压板、加油螺栓等部分组成（详见右螺栓等部分组成（详见右图）。其中刀圈、轴承、图）。其中刀圈、轴承、浮动密封是刀具

18、的关键件。浮动密封是刀具的关键件。 正刀总图10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造341.1.刀具刀具10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造35 中心刀中心刀 安装在刀盘中央范围内。刀体做得较薄，数安装在刀盘中央范围内。刀体做得较薄，数把中心刀一起用楔块安装在刀盘中央部位。把中心刀一起用楔块安装在刀盘中央部位。 正刀正刀 是最常用的刀具。正刀是统一规格，可以互换。是最常用的刀具。正刀是统一规格，可以互换。(3) (3) 刀具以安装位置不同的分类刀具以安装位置不同的分类10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造 边刀边刀 是布置在刀盘

19、四周圆弧过渡处的刀具。从布置是布置在刀盘四周圆弧过渡处的刀具。从布置要求出发，边刀的特点是刀圈偏置在刀体的向外一侧，而要求出发，边刀的特点是刀圈偏置在刀体的向外一侧，而中心刀、正刀都是正中安置在刀体上中心刀、正刀都是正中安置在刀体上 为了减少备件和安装方便，中心刀、正刀、边刀使用为了减少备件和安装方便，中心刀、正刀、边刀使用的刀圈、轴承、金属密封和固定螺栓都设计成可互换的的刀圈、轴承、金属密封和固定螺栓都设计成可互换的361.1.刀具刀具37383910.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造402.2.刀盘刀盘 刀盘是安装刀具的、由钢板刀盘是安装刀具的、由钢板焊接的结构件。焊

20、接的结构件。是掘进机中几何是掘进机中几何尺寸最大、单件重量最重的部件。尺寸最大、单件重量最重的部件。因此它是装拆掘进机时起重设备因此它是装拆掘进机时起重设备和运输设备选择的主要依据。和运输设备选择的主要依据。 刀盘与大轴承转动组件通过刀盘与大轴承转动组件通过专用大直径高强度螺栓相连接专用大直径高强度螺栓相连接10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造41 (1) (1)刀盘的功能刀盘的功能 按一定的规则设计安装刀具按一定的规则设计安装刀具 岩石被刀具破碎后，由刀盘的铲斗铲起，落入胶岩石被刀具破碎后，由刀盘的铲斗铲起，落入胶 带输送机的溜碴槽向机后排出带输送机的溜碴槽向机后排出

21、 阻止破岩后的粉尘无序溢向洞后阻止破岩后的粉尘无序溢向洞后 必要时施工人员可以通过刀盘，进入掘进机刀盘必要时施工人员可以通过刀盘，进入掘进机刀盘 前观察掌子面前观察掌子面10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造422.2.刀盘刀盘21铲斗；2.中心刀；3.扩孔边；4.扩孔刮碴器；5.面刀；6.铲齿；7.边刀图10-5 掘进机刀盘示意图345674310.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造4410.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造45(2) (2) 刀盘上的主要构件刀盘上的主要构件 刀座刀座 吊耳吊耳 人工检查用脚踏点和把手人工检查用

22、脚踏点和把手 周边铲斗，可更换铲齿或铲碴板周边铲斗，可更换铲齿或铲碴板 带防护罩喷水孔带防护罩喷水孔 人孔通道人孔通道 与刀盘回转轴承相连接的精加工部件及螺栓孔与刀盘回转轴承相连接的精加工部件及螺栓孔10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造462.2.刀盘刀盘47（1) 1) 驱动系统的组成驱动系统的组成 电机电机采用小直径、大功率的水冷式专用电机，一般采用小直径、大功率的水冷式专用电机，一般单台电机的转速为单台电机的转速为100010001500r/min1500r/min，驱动功率为，驱动功率为200200450 kw450 kw 驱动系统由驱动系统由电机、离合器、制动

23、器、二级行星减速电机、离合器、制动器、二级行星减速机、点动马达、长轴机、点动马达、长轴( (后置式后置式) )、小齿轮和大齿圈组成、小齿轮和大齿圈组成3.3.驱动系统驱动系统10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造48 刀盘驱动方式有两大类：刀盘驱动方式有两大类：电动电动和和液压液压。 电动又分电动又分单速电机单速电机、双速电机双速电机和和调频电机调频电机。10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造49 4.支撑和推进系统 4.支撑和推进系统单撑靴式单撑靴式双撑靴式双撑靴式图10-4 掘进机撑靴型式推力千斤顶单撑靴型双撑靴型撑靴推力千斤顶X型配置T型配置撑

24、靴主梁10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造51 4.支撑和推进系统10.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造52图10-2 单水平支撑掘进机示意图1.掘进刀盘；2.拱顶护盾；3.驱动组件；4.主梁；5.出碴输送机；6.后下支撑；7.撑靴；8.推进千斤顶；9.侧护盾；10.下支撑；11.刀盘支撑11110982347655310.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造.掘进刀盘；2.顶护盾；3.轴承外壳；4、前水平撑靴；5.后水平撑靴；6.齿轮箱；7.出碴输送机；8.驱动电机；9.星形变速箱；10.后下支撑；11.扭矩筒；12.推进千斤顶

25、；13.主机架；14.前下支撑(仰拱括板)图10-3 双水平支撑掘进机示意图14131211124359108675410.2.2 10.2.2 全断面掘进机构造全断面掘进机构造1.双护盾掘进机机头后的结构和机构 与敞开式掘进机完全不同的是，与敞开式掘进机完全不同的是，双护盾掘进机没双护盾掘进机没有主梁和后支撑。有主梁和后支撑。其刀盘支承用高强度螺栓与上、下其刀盘支承用高强度螺栓与上、下刀盘支撑体组成了掘进机机头。刀盘支撑体组成了掘进机机头。 与机头相连的是与机头相连的是前护盾前护盾， 紧随其后的是紧随其后的是 伸缩套、伸缩套、 后护盾、后护盾、 尾护盾尾护盾等结构件等结构件10.2.3 10

26、.2.3 全断面护盾式掘进机头部结构全断面护盾式掘进机头部结构55掘进刀盘；2.前护盾；3.驱动组件；4.推进油缸；5.铰接油缸；6.撑靴护盾；7.尾护盾；8.出碴输送机；9.拼装好的管片；10.管片安装机；11.辅助推进靴；12.水平撑靴；13.伸缩护盾；14.主轴承大齿圈；15.刀盘支撑1514123图10-8 双护盾掘进机示意图1341012115467985610.2.3 10.2.3 全断面护盾式掘进机头部结构全断面护盾式掘进机头部结构第10章 隧道掘进机施工10.4 掘进机后配套设备与支护型式10.3 掘进机工作原理与施工过程10.1 概述10.2 掘进机的类型与构造10.5 工程

27、实例介绍5710.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理10.3.1 10.3.1 刀具破岩机理刀具破岩机理10.3.3 10.3.3 掘进机的掘进操作掘进机的掘进操作10.3 掘进机工作原理与施工过程5810.3.1 10.3.1 刀具破岩机理刀具破岩机理 滚刀在巨大推力和回转力矩作用下，对岩石实施滚刀在巨大推力和回转力矩作用下，对岩石实施压、压、滚、劈、磨滚、劈、磨的作用的作用。达到破碎岩石的目的。达到破碎岩石的目的。 岩 石 的 破 碎岩 石 的 破 碎是是压裂、涨裂、压裂、涨裂、剪裂、磨碎剪裂、磨碎的综的综合过程。四种形合过程。四种形式式中中以涨裂破碎以涨裂破碎

28、为主为主。10.3 掘进机工作原理与施工过程5910.3.1 10.3.1 刀具破岩机理刀具破岩机理10.3 掘进机工作原理与施工过程60 (1)(1)在完整、密实、均一的岩石中，在完整、密实、均一的岩石中，刀具的刀刃在巨大刀具的刀刃在巨大推力作用下切入岩体，形成割痕。刀刃顶部的岩石在巨大推力作用下切入岩体，形成割痕。刀刃顶部的岩石在巨大压力下急激压缩，随着刀盘的回转，滚刀滚动，这部分岩压力下急激压缩，随着刀盘的回转，滚刀滚动，这部分岩石首先破碎成粉状，积聚在刀刃顶部范围内形成粉核区。石首先破碎成粉状，积聚在刀刃顶部范围内形成粉核区。 (2)(2)刀刃侵入岩石和刀刃的两侧劈人岩体，在岩石结合刀

29、刃侵入岩石和刀刃的两侧劈人岩体，在岩石结合力最薄弱处产生多处微裂纹力最薄弱处产生多处微裂纹 (3)(3)随着滚刀切人岩石深度的加大，岩粉不断充人微裂随着滚刀切人岩石深度的加大，岩粉不断充人微裂纹；再由于微裂纹端部容易应力集中，微裂纹逐渐扩展成纹；再由于微裂纹端部容易应力集中，微裂纹逐渐扩展成显裂纹显裂纹10.3.1 10.3.1 刀具破岩机理刀具破岩机理61 (4)(4)当显裂纹与相邻刀具作用产生的显裂纹交汇，或显当显裂纹与相邻刀具作用产生的显裂纹交汇，或显裂纹发展到岩石表面时，就形成了岩石断裂体。岩石断裂体裂纹发展到岩石表面时，就形成了岩石断裂体。岩石断裂体一般呈：一般呈：厚度厚度=50mm

30、=50mm 宽度宽度a=a=（刀间距）（刀间距）-b-b（刀刃宽）（刀刃宽） 长度长度L L100mm100mm 裂纹角裂纹角=18=183030（、a a、） (5) (5)在断裂体从掌子面落人洞底进入铲斗时，由于断裂在断裂体从掌子面落人洞底进入铲斗时，由于断裂体与刀盘及相互间的碰撞作用，又会产生新的碎裂体和岩粉。体与刀盘及相互间的碰撞作用，又会产生新的碎裂体和岩粉。10.3.1 10.3.1 刀具破岩机理刀具破岩机理626310.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理 全断面岩石掘进机的掘进循环由全断面岩石掘进机的掘进循环由掘进作业和换步掘进作业和换步作业交替组成作

31、业交替组成。 在掘进作业时，掘进机刀盘进行的是在掘进作业时，掘进机刀盘进行的是沿隧道轴线沿隧道轴线作直线运动和绕轴线作单力向回转运动的复合螺旋运作直线运动和绕轴线作单力向回转运动的复合螺旋运动动，被破碎的岩石由刀盘的铲斗落人胶带机向机后输，被破碎的岩石由刀盘的铲斗落人胶带机向机后输出。出。10.3 掘进机工作原理与施工过程64 (1)(1)掘进作业掘进作业 伸出水平伸出水平( (或或x x型型) )支撑，撑紧洞壁支撑，撑紧洞壁收起后支撑收起后支撑起动起动胶带机胶带机回转刀盘回转刀盘伸出推进缸将掘进机机头、主粱、后伸出推进缸将掘进机机头、主粱、后支撑向前推进一个行程。支撑向前推进一个行程。 （以

32、开敞式掘进机作业循环为例）以开敞式掘进机作业循环为例）10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理65(2)(2)换步作换步作业业 刀盘停止回转刀盘停止回转伸出后支撑，撑紧洞壁一收缩水平伸出后支撑，撑紧洞壁一收缩水平( (或或x x型型) )支撑使靴板离开洞壁支撑使靴板离开洞壁收缩推进缸，将水平支撑向前移收缩推进缸，将水平支撑向前移一行程。一行程。 对于双水平对于双水平( (或双或双x x型型) )支撑掘进机，除双套支撑可以有支撑掘进机，除双套支撑可以有较多的支撑位置选择外，其余和单较多的支撑位置选择外，其余和单T T型型(x(x型型) )支撑的掘进机一支撑的掘进机一样

33、。双支撑中每一支撑都必须能独立完成支撑的作用，也即样。双支撑中每一支撑都必须能独立完成支撑的作用，也即双支撑中任一支撑不能工作时，另一支撑都可以承担完成掘双支撑中任一支撑不能工作时，另一支撑都可以承担完成掘进作业的功能。进作业的功能。10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理6667(3)(3) 掘进循环的时间掘进循环的时间 对于敞开式掘进机，对于敞开式掘进机，每一掘进循环所需时间一般在每一掘进循环所需时间一般在202060 min60 min，其中换步作业只需，其中换步作业只需2 24 min4 min。如果换步时间如果换步时间和每循环的总时间超过上述数值，则属于不

34、正常掘进。和每循环的总时间超过上述数值，则属于不正常掘进。 护盾式掘进机在使用辅助推进油缸顶在混凝土管片上护盾式掘进机在使用辅助推进油缸顶在混凝土管片上掘进时，由于掘进与衬砌不能同时进行，其每一循环时间掘进时，由于掘进与衬砌不能同时进行，其每一循环时间是掘进时间加衬砌时间的和，是掘进时间加衬砌时间的和，约是敞开式循环时间的约是敞开式循环时间的1.51.52 2倍。倍。10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理68(1)(1)调向、纠偏调向、纠偏 通过激光导向系统。通过激光导向系统。操作人员发现掘进机的开挖洞操作人员发现掘进机的开挖洞线与设计洞线发生偏离时就必须随时进行

35、调向，使掘进机线与设计洞线发生偏离时就必须随时进行调向，使掘进机开挖洞线与设计洞线方向一致。开挖洞线与设计洞线方向一致。10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理敞开式掘进机转向作业示意图敞开式掘进机转向作业示意图69(2)(2) 转弯转弯 隧道工程因设计隧道工程因设计的需要有时要开挖曲的需要有时要开挖曲线隧道。线隧道。掘进机的作掘进机的作业是以折线代替曲线业是以折线代替曲线来实现的。来实现的。10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理70（1）掌子面上的轨迹）掌子面上的轨迹 由于刀具在刀盘上以一定的刀间距顺刀盘中心圆的切线由于刀具在刀盘上以

36、一定的刀间距顺刀盘中心圆的切线方向布置，所以刀盘上全部滚刀在掌子面上的刻痕轨迹是全部方向布置，所以刀盘上全部滚刀在掌子面上的刻痕轨迹是全部刀具数相隔一定刀间距、刻痕深浅不一的同心圆。刀具数相隔一定刀间距、刻痕深浅不一的同心圆。 10.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理（2）洞壁上的轨迹）洞壁上的轨迹 D Dminmin=D=D理论开挖理论开挖-2-2刀边允许最大磨损量刀边允许最大磨损量 由于边刀的刀刃不断磨损，所以开挖直径不断缩小，到由于边刀的刀刃不断磨损，所以开挖直径不断缩小，到时更换新边刀后可以恢复到原有开挖直径，所以用掘进机开挖时更换新边刀后可以恢复到原有开挖

37、直径，所以用掘进机开挖的隧洞沿轴线方向的洞壁是一个圆锥体接一个圆锥体。的隧洞沿轴线方向的洞壁是一个圆锥体接一个圆锥体。7110.3.2 10.3.2 掘进工况时的工作原理掘进工况时的工作原理7273 1.TBM操作控制室 TBMTBM掘进操作是通过掘进操作是通过TBMTBM控制室来进行的，控制室来进行的，因此，该因此，该控制室是完成各项工作的控制核心。正确合理的操作是控制室是完成各项工作的控制核心。正确合理的操作是充分发挥充分发挥TBMTBM施工优势、顺利工作、延长设备使用寿命施工优势、顺利工作、延长设备使用寿命的关键。的关键。 控制室特点：控制室特点：操作简便，反映灵敏；监测完善，操操作简便

38、，反映灵敏；监测完善，操作安全。作安全。10.3 掘进机工作原理与施工过程10.3.3 10.3.3 掘进机的掘进操作掘进机的掘进操作7475 2.主控室的主要操作步骤 （1 1）启动准备启动准备 （2 2）启动启动 （3 3）掘进掘进 （4 4）换步和调向换步和调向 （5 5）停机停机10.3.3 10.3.3 掘进机的掘进操作掘进机的掘进操作76第10章 隧道掘进机施工10.4 掘进机后配套设备与支护型式10.3 掘进机工作原理与施工过程10.1 概述10.2 掘进机的类型与构造10.5 工程实例介绍7710.4.2 10.4.2 掘进机施工的支护型式掘进机施工的支护型式10.4.1 10

39、.4.1 后配套设备的主要组成后配套设备的主要组成10.4.3 10.4.3 软弱围岩中的辅助支护措施软弱围岩中的辅助支护措施10.4 掘进机后配套设备与支护型式7810.4 掘进机后配套设备与支护型式79 通常它包括四个部分通常它包括四个部分： 动力部分动力部分: :指液压泵，其作用是将电动机或内燃机产指液压泵，其作用是将电动机或内燃机产生的机械能转变成液体的压力势能；生的机械能转变成液体的压力势能； 控制部分控制部分: :包括压力、流量和方向控制阀等，以保证包括压力、流量和方向控制阀等，以保证执行机构得到所要求的运动方向、速度、转速、力和力矩；执行机构得到所要求的运动方向、速度、转速、力和

40、力矩；10.4.1 10.4.1 后配套的主要组成后配套的主要组成1.液压系统 执行部分执行部分: :指液压缸和液压马达等。它是将液压势能转指液压缸和液压马达等。它是将液压势能转换成机械能，输往工作机构；换成机械能，输往工作机构； 辅助部分辅助部分: :包括油箱、管路、管接头、蓄能器、滤清器、包括油箱、管路、管接头、蓄能器、滤清器、冷却器和各种控制仪表等冷却器和各种控制仪表等10.4 掘进机后配套设备与支护型式8081 (1)(1)高压电路高压电路 (2)(2)低压电路低压电路 (3)(3)控制电路控制电路( (含含PLCPLC和激光导向电源和激光导向电源) ) (4) (4)照明电路和应急发

41、电线路等照明电路和应急发电线路等2.供电系统10.4.1 10.4.1 后配套的主要组成后配套的主要组成3.运输系统 (1)(1)主机胶带机主机胶带机(1(1号输送机号输送机) )； (2)(2)连接桥胶带机连接桥胶带机(2(2号输送机号输送机) )； (3)(3)拖动式带卸料斗小车的胶带机拖动式带卸料斗小车的胶带机(3(3号输送机号输送机) )。82 目前，目前，国内外国内外TBMTBM施工隧道的通风普遍采用压人式通施工隧道的通风普遍采用压人式通风力式。风力式。通风管一般采用软管，便于安装和储存通风管一般采用软管，便于安装和储存4.通风系统10.4.1 10.4.1 后配套的主要组成后配套的

42、主要组成5.降温、防尘、供水及安全系统6.隧道支护设备系统 TBM TBM施工中针对复杂多变的地质水文条件，采取不同施工中针对复杂多变的地质水文条件，采取不同的支护结构型式，是的支护结构型式，是TBMTBM快速掘进的重要一环。为了适应快速掘进的重要一环。为了适应这种支护上的需要，在这种支护上的需要，在TBMTBM主机和后配套的不同部位上安主机和后配套的不同部位上安装相应的支护设备。装相应的支护设备。如喷混凝土泵、锚杆钻机、钢拱架如喷混凝土泵、锚杆钻机、钢拱架安装机、地质超前钻机，管片吊装和注浆泵等设备安装机、地质超前钻机，管片吊装和注浆泵等设备838485管片吊装86 为便于作业人员在洞内正常

43、的活动和小型维修工作，为便于作业人员在洞内正常的活动和小型维修工作，通常在后配套尾部平台上设置一些辅助设施，主要是：通常在后配套尾部平台上设置一些辅助设施，主要是： 生活服务设施。生活服务设施。设二个生活服务间，一间为休息设二个生活服务间，一间为休息室，备有电话、热水器和洗手盆等，供施工人员用餐、室，备有电话、热水器和洗手盆等，供施工人员用餐、休息和开会；另一间，休息和开会；另一间，1 13 3是厕所，是厕所，2 23 3是简易医疗室是简易医疗室并安置急救床位一个。并安置急救床位一个。 小型维修间。小型维修间。设置三个工作间，可简单维修盘形设置三个工作间，可简单维修盘形滚刀和其它机、电、液设备

44、。滚刀和其它机、电、液设备。7.其它辅助设施10.4.1 10.4.1 后配套的主要组成后配套的主要组成87 如右图所示，使如右图所示，使用用护盾式护盾式掘进机时，掘进机时，一般采用圆形管片衬一般采用圆形管片衬砌，分为砌，分为5 57 7块，在块，在洞内拼装而成。洞内拼装而成。 1.管片衬砌图10-13 全周预制钢筋混凝土管片衬砌示意图仰拱块管片厚度标准块注浆充填TBM开挖断面相邻块封顶块(1)构成10.4.2 10.4.2 掘进机施工的支护型式掘进机施工的支护型式10.4 掘进机后配套设备与支护型式88 构造：构造：使用使用开敞式开敞式掘掘进机，可以先施作初期支进机，可以先施作初期支护，然后

45、浇灌二次模筑混护，然后浇灌二次模筑混凝土永久性衬砌，即复合凝土永久性衬砌，即复合式衬砌，见右图，其底部式衬砌，见右图，其底部为预制仰拱块。如秦岭为预制仰拱块。如秦岭线铁路隧道。线铁路隧道。 2.复合式衬砌图10-14 复合式衬砌示意图预制仰拱块模注混凝土衬砌10.4.2 10.4.2 掘进机施工的支护型式掘进机施工的支护型式8910.5.3 10.5.3 软弱围岩中的辅助支护措施软弱围岩中的辅助支护措施1.安装地质超前钻机2.设钢拱环安装器3. 先开挖小导洞 就是先用小直径就是先用小直径 (3.5(3.5 5.0m)5.0m)掘进机开挖导洞，然掘进机开挖导洞，然后再用钻爆法扩挖成隧道。后再用钻

46、爆法扩挖成隧道。10.4 掘进机后配套设备与支护型式90第10章 隧道掘进机施工10.4 掘进机后配套设备与支护型式10.3 掘进机工作原理与施工过程10.1 概述10.2 掘进机的类型与构造10.5 工程实例介绍9110.5.1 10.5.1 中国引大入秦引水隧道工程中国引大入秦引水隧道工程 引大入秦工程是将大通河水引入兰州北面秦王引大入秦工程是将大通河水引入兰州北面秦王川的一项大型跨流域调水灌溉工程，总干渠全长川的一项大型跨流域调水灌溉工程，总干渠全长86.9 km86.9 km，其中隧洞，其中隧洞3333座，共长座，共长75.11km75.11km。 其它建筑物有倒虹吸两座，渡槽其它建筑

47、物有倒虹吸两座，渡槽9 9座以及渠系座以及渠系建筑物和明渠等工程。建筑物和明渠等工程。92 在众多的隧洞群中，根据不同的地质特性、隧洞长度在众多的隧洞群中，根据不同的地质特性、隧洞长度和外部施工条件，分别选用了钻爆法和掘进机法：和外部施工条件，分别选用了钻爆法和掘进机法：其中以其中以30A30A隧洞和隧洞和3838号隧洞采用的双护盾全断面掘进机号隧洞采用的双护盾全断面掘进机(TBM)(TBM)效果效果最为显著最为显著 在开工前，经反复论证，在开工前，经反复论证，提出将水磨沟至大沙沟的渠提出将水磨沟至大沙沟的渠线由绕道改为直线穿越，采用隧道掘进机（线由绕道改为直线穿越，采用隧道掘进机（TBM)T

48、BM)施工施工。线。线路全长缩短为路全长缩短为12012m12012m，其中隧洞一座，其中隧洞一座（即（即30A30A），），长长11.649 km11.649 km。全部洞渠线比初设方案缩短。全部洞渠线比初设方案缩短2950m2950m。 10.5.1 10.5.1 中国引大入秦引水隧道工程中国引大入秦引水隧道工程9310.5.1 10.5.1 中国引大入秦引水隧道工程中国引大入秦引水隧道工程94 (1)(1)地质复杂地层自进口至出口依次为前震旦系结晶灰地质复杂地层自进口至出口依次为前震旦系结晶灰岩、板岩夹千枚岩，该段长岩、板岩夹千枚岩，该段长1680m1680m。此外，隧洞侧壁还穿过。此外

49、，隧洞侧壁还穿过3 3处石灰岩岩层特有的溶洞，容积共约处石灰岩岩层特有的溶洞，容积共约77m77m3 3。 (2)(2)30A30A隧洞长达隧洞长达11649m11649m，施工时洞内通风，运输均较，施工时洞内通风，运输均较困难。困难。 (3) (3)沿洞轴线的地表是高山沟谷，没有开挖斜井或竖井沿洞轴线的地表是高山沟谷，没有开挖斜井或竖井实现分段施工的地形条件。只能采取从出口向进口方向单实现分段施工的地形条件。只能采取从出口向进口方向单向掘进的施工部署向掘进的施工部署10.5.1 10.5.1 中国引大入秦引水隧道工程中国引大入秦引水隧道工程95 断面结构选型断面结构选型：30A30A隧洞原设

50、计隧洞原设计为马蹄形断面，经过反复比选，论证为马蹄形断面，经过反复比选，论证分析，最终选定了施工安全，掘进速分析，最终选定了施工安全，掘进速度快，开挖和衬砌同时一次成洞日投度快，开挖和衬砌同时一次成洞日投资较省的资较省的双护盾全断面掘进机双护盾全断面掘进机(TBM)(TBM)，该掘进机开挖直径该掘进机开挖直径5.53 m5.53 m。 30A30A隧洞全部洞长隧洞全部洞长均用预制钢均用预制钢筋混凝土管片衬砌筋混凝土管片衬砌10.5.1 10.5.1 中国引大入秦引水隧道工程中国引大入秦引水隧道工程96 节省了工程量：节省了工程量：30A30A隧洞原初设方案为渠线绕道，隧洞原初设方案为渠线绕道，