盾构TBM技术发展及应用.ppt

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1、盾构盾构/TBM/TBM技术发展及应用技术发展及应用第一部分 盾构第二部分 全断面岩石掘进机（TBM）第三部分 TBM/盾构技术发展与展望第一部分第一部分 盾构技术盾构技术一、概述二、盾构基本概念三、盾构基本结构n高铁发展迅速n“十一五“铁路固定资产投资：2.42万亿元；n“十二五“铁路固定资产投资：3.5万亿元；n“十三五“铁路固定资产投资：3.5万亿元；n到2020年，中国以高铁为骨架的快速客运网，运营里程到5万公里以上，基本覆盖80%的50万以上人口的城市。一、概述一、概述n轨道交通发展迅速n已有43个城市获批修建轨道交通。n2014年新增42条新线，858公里，566个车站，投资538

2、0.29亿元；此外，2014年续建88条，2136KM，1383座车站，投资12735亿元；全国在建100条地铁线，里程超过3000公里。n到2020年，50个城市有地铁，轨道交通里程6000公里，投资4万亿元。n采用全断面隧道掘进机修建隧道是发展方向一、概述一、概述二、盾构基本概念二、盾构基本概念全断面隧道掘进机采用了类似机器全断面隧道掘进机采用了类似机器人的技术，是集机、电、液、光、人的技术，是集机、电、液、光、气、水、信息于一体的隧道施工成气、水、信息于一体的隧道施工成套专用设备。具有自动化程度高、套专用设备。具有自动化程度高、对交通和周围地层影响小、有利于对交通和周围地层影响小、有利于

3、环境保护的优点。环境保护的优点。隧道掘进机的地质针对性非常强，隧道掘进机的地质针对性非常强，一般来说，用于岩石地层的隧道掘一般来说，用于岩石地层的隧道掘进机称为进机称为TBMTBM，用于软土地层的隧道，用于软土地层的隧道掘进机称为盾构。掘进机称为盾构。1 1 1 1 掘进机分类掘进机分类掘进机分类掘进机分类2 2 2 2 盾构与盾构与盾构与盾构与TBMTBMTBMTBM的区别的区别的区别的区别n nTBMTBM是是“Tunnel Boring MachineTunnel Boring Machine”的英文缩写，一般指全断面硬岩隧的英文缩写，一般指全断面硬岩隧道掘进机，通常定义中的道掘进机，通

4、常定义中的TBMTBM是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、是以岩石地层为掘进对象，不具备泥水压、土压等维护掌子面稳定的功能。土压等维护掌子面稳定的功能。n n盾盾构构施施工工主主要要由由稳稳定定开开挖挖面面、掘掘进进及及排排土土、管管片片衬衬砌砌及及壁壁后后注注浆浆三三大大要要素素组组成成。其其中中开开挖挖面面的的稳稳定定方方法法是是其其工工作作原原理理的的主主要要方方面面，也也是是盾盾构区别于构区别于TBMTBM及比及比TBMTBM复杂的主要方面。复杂的主要方面。n盾构，用于软土隧道暗挖施工，具有金属外壳，壳内装有整机及辅助设备，在其掩护下进行土体开挖、土碴排运、整机推进和管片安装等作业，

5、而使隧道一次成形的机械。二二、盾构基本概念、盾构基本概念3 3 3 3 盾构组成及原理盾构组成及原理盾构组成及原理盾构组成及原理盾构机盾构机后配套设备后配套设备管片衬砌管片衬砌辅助设施辅助设施二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念 TBM全断面隧道掘进机全断面隧道掘进机二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念二、盾构基本概念4 4 4 4 盾构施工特点盾构施工特点盾构施工特点盾构施工特点 盾构施工具有以下优点：盾构施工具有以下优点：（1 1）对环境影响小）对环境影响小 （2 2）施工进度快）施工进度快 （3 3）适应地层范围广）

6、适应地层范围广 （4 4）施工质量容易保证）施工质量容易保证 （5 5）自动化程度高，劳动强度低）自动化程度高，劳动强度低 （6 6）施工作业安全、整洁）施工作业安全、整洁 （7 7）技术成熟，应用广泛）技术成熟，应用广泛 （8 8）工程造价优势较明显）工程造价优势较明显二、盾构基本概念二、盾构基本概念5 5 5 5 盾构机分类盾构机分类盾构机分类盾构机分类n盾构按开挖面与作业室之间隔板构造可分为全敞开式、半敞开式及闭胸式三种。具体划分见下图。手掘式手掘式半机械式半机械式机械式机械式全敞开式全敞开式半敞开式半敞开式挤压式挤压式泥水式泥水式土压式土压式闭胸式闭胸式盾构盾构土压平衡式土压平衡式加泥

7、式土压平衡式加泥式土压平衡式二二、盾构基本概念、盾构基本概念通过土压作用于开挖面以平衡开挖面的水土压力。通过螺旋输送机排放渣土。土压平衡、土介质和设备的要求土压平衡、土介质和设备的要求n 土压平衡盾构机土压平衡盾构机二、盾构基本概念二、盾构基本概念二二、盾构基本概念、盾构基本概念 2 2 泥水平衡盾构机泥水平衡盾构机通过泥膜的张力保持水压力，以平衡作用于开挖面的土压力和水压力。开挖的渣土以泥浆形式输送到地面，经过分离再循环至开挖面。二、盾构基本概念二、盾构基本概念 2 2 泥水平衡盾构泥水平衡盾构 泥水平衡盾构通过配置不同的刀盘类型，可以兼顾软土地层和复合地层隧道施工，主要应用在富水地层、透水

8、系数高的砂、卵石层等。二、盾构基本概念二、盾构基本概念2 2、泥水平衡盾构、泥水平衡盾构二、盾构基本概念二、盾构基本概念泥水盾构有两种体系。泥水盾构有两种体系。泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力泥水盾构根据泥水仓构造形式和对泥浆压力的控制方式的不同，泥水盾构分为的控制方式的不同，泥水盾构分为:n直接控制型直接控制型 间接控制型间接控制型2 2、泥水平衡盾构、泥水平衡盾构二二、盾构基本概念、盾构基本概念整整整整体体体体结结结结构构构构盾体盾体三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构刀盘刀盘三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构刀盘及驱动系统刀

9、盘及驱动系统刀盘及驱动系统刀盘及驱动系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构主驱动主驱动-马达马达三、盾构基本结构三、盾构基本结构主主主主 轴轴轴轴 承承承承三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构推进和拼装系统推进和拼装系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构拼装机拼装机拼装机拼装机三、盾构基本结构三、盾构基本结构桥桥桥桥 架架架架(连接盾体和后配套系统连接盾体和后配套系统)三、盾构基本结构三、盾构基本结构桥桥 架架(连接盾体和后配套系统连接盾体和后配套系统)三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾

10、构基本结构后配套系统后配套系统后配套系统后配套系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构遥控器遥控器三、盾构基本结构三、盾构基本结构润滑、密封及注浆润滑、密封及注浆三、盾构基本结构三、盾构基本结构盾盾 尾尾三、盾构基本结构三、盾构基本结构注浆系统注浆系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构水路系统水路系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构液压系统液压系统液压系统液压系统三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构三、盾构基本结构第二部分 全断面岩石掘进机（TBM）一、TBM概述二、TBM分类三、TBM系统构成四、TBM工作原理目目 录录一、TBM概述n隧道掘进机（TBM

11、）是一种集掘进、出碴、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械。由于采用非爆破开挖方法，与传统的钻爆法相比，具有以下明显特点：1 TBM 的优点n作业连续，施工效率高。它可进行掘进、出碴、支护一条龙，在中硬岩条件下，施工速度为钻爆法的35倍。n开挖轮廓园顺，超挖量少，减少支护工作量，降低工程费用。n对围岩扰动少，避免因爆破振动可能引起的围岩松动坍塌，施工安全性好。n使用劳力少，劳动强度低，作业环境好，有利维护作业人员的健康。一、TBM概述2 TBM施工法与钻爆法的比较n钻爆法和TBM法是当今国内外隧道工程的两种主要施工方法。nTBM在速度、环保、安全和效益方面的优势越来越明显，对地质

12、条件的适应能力不断增强，造价降低，在长大隧道施工中的应用越来越多。一、TBM概述秦岭隧道TBM(德国Wirth公司生产）TB880E型型TBM法施工的隧道二、TBM 分类n根据不同参照标准有不同的分类方法：1按一次开挖断面占全部断面的份额分：全断面、部分断面。2按开挖断面的形状分：圆形断面、非圆形断面。3按开挖断面的大小分：大、中、小。4按成洞开挖次数分：一次成洞、先导后扩。5按开挖的洞线分：平洞、斜洞、竖井。6按开挖隧洞掌子而是含需要压力稳定分：常压、增压。7按掘进机头部形状：刀盘式、背架式。8按掘进机是否带有盾壳分：敞开式、护盾式。9按掘进机盾壳数量分：单护盾、双护盾。10按掘进机机体与推

13、进机构是联合一体还是分成二体分：整机式、分体式。二、TBM分类常见 TBM分类n全断面隧道掘进机（TBM）包含岩石掘进机、盾构和穿江掘进机。n 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，n护盾式TBM又有双护盾TBM和单护盾TBM之分；n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），另一种为单支撑主大梁式TBM。二、TBM 分类支撑式(敞开式)TBM二、TBM 分类敞开式TBMn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

14、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。二、TBM 分类护盾式TBM 在在整整机机外外围围设设置置与与机机器器直直径径相相一一致致的的圆圆筒筒形形护护盾盾结结构构，可可分分为为单单护护盾盾、双双护护盾盾(伸伸缩缩式式)和和三三护护盾盾三三类类 二、TBM 分类双护盾式掘进机二、TBM 分类（1）主机系统1 TBM主机n刀盘n刀盘护盾n刀盘支承和主轴承n刀盘驱动n主梁n推进系统n支撑系统n液压系统n电气控制系统三、TBM的系统构成刀盘三、TBM的系统构成刀盘布置三、TBM的系统构成

15、盘形滚刀三、TBM的系统构成盘形滚刀三、TBM系统构成废旧刀具三、TBM系统构成撑靴三、TBM系统构成2 TBM后配套系统n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。n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。三、TBM系统构成后配套台车三、TBM的系统构成后配套台车三、TBM的系统构成四、TBM工作原理n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

16、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。四、TBM工作原理刀盘与施工面四、TBM工作原理1 TBM破岩机理四、TBM工作原理2 TBM破岩轨迹四、TBM工作原理3 工作循环四、TBM工作原理4 TBM的基本功能（1）掘进功能n掘进功能分为破碎掌子面岩石的功能和不断推进掘进机前进的功能。为此掘进机必须配置

17、合适的破岩刀具并给予足够的破岩力，即椎力和转动刀盘变换刀具破岩位置的回转力矩，还必须配置合适的支撑机构将破岩用的椎力和刀盘回转力矩传递给洞壁，同时推进和支撑机构还应具有步进作用以实现掘进机前进的功能。四、TBM工作原理n刀具、刀盘、刀盘驱动机构、推进机构、支撑机构是实现掘进功能的基本机构。n掘进推力大于岩石破碎所需的力、刀盘回转力矩大于在推力下全部刀具的回转阻力矩、支撑力产生的比压小于被支撑物的许用比压、整机接地比压小于洞底许用比压是实现掘进功能的基本力学条件。四、TBM工作原理4 TBM的基本功能5 不良地层下的辅助功能四、TBM工作原理四、TBM工作原理5 TBM的辅助功能四、TBM工作原

18、理锚锚杆杆钻钻机机四、TBM工作原理四、TBM工作原理5 不良地层下的辅助功能四、TBM工作原理5 TBM的辅助功能四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理四、TBM工作原理人工喷射混凝土四、TBM工作原理机械手喷射混凝土四、TBM工作原理喷射混凝土机械手四、TBM工作原理TBM出碴方式n有轨出碴系统（矿车）n无轨出碴系统（连续皮带机出碴）四、TBM工作原理有轨运输系统四、TBM工作原理翻碴机四、TBM工作原理皮带输送机出碴四、TBM工作原理第三部分第三部分 TBM/TBM/盾构技术发展与展

19、望盾构技术发展与展望TBM/TBM/盾构技术发展与展望盾构技术发展与展望1、智能化n 计算机、传感及智能仪表大量应用2、自动化n 人完成的工作逐渐被机器代替3、精细化n 粗放性施工管理将被精细化替代 TBM/TBM/盾构技术发展与展盾构技术发展与展望望4、大型及超大型化5、小型化及微型化直径小于3米，甚至1米 TBM/TBM/盾构技术发展与展盾构技术发展与展望望 TBM/TBM/盾构技术发展与展盾构技术发展与展望望6、极端条件下TBM高水压、大埋深、长距离、多瓦斯等等。TBM/TBM/盾构技术发展与展盾构技术发展与展望望7、异形化 TBM/TBM/盾构技术发展与展盾构技术发展与展望望开敞式盾构开敞式盾构 TBM/TBM/盾构技术发展与展望盾构技术发展与展望 TBM/TBM/盾构技术发展与展望盾构技术发展与展望