全斷面隧道掘進機tbm的選型設計與應用

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1、全斷面隧道掘進機TBM的選型設計與應用2006年第2期全斷面隧道掘進機TBM的選型設計與應用25全斷面隧道掘進機TBM的選型設計與應用朱興華,楊震(水利部陜西水利電力勘測設計研究院陜西西安710001)摘要采用TBM掘進技術已成為未來隧洞建設總的發(fā)展趨勢,TBM選型不當,主機系統(tǒng)設計不當以及主機系統(tǒng)與后配套系統(tǒng)搭配不合理,都將會在隧洞的施工中影響TBM掘進機開挖隧洞的優(yōu)越性,甚至嚴重影響工程施工工期.因此,選用合適的TBM系統(tǒng)進行隧洞的施工有很重要的意義.關鍵詞全斷面隧道掘進機;主機系統(tǒng);后配套系統(tǒng);選型;設計全斷面隧道掘進機(Full—faceTunnelBoringMachi

2、ne)簡稱TBM,自20世紀50年代以來就已經(jīng)在施工行業(yè)大量使用,如今已是在國內(nèi)外普遍采用的一種具有高科技水平的隧洞施工機械.當隧洞長度過長時,用常規(guī)鉆爆法進行施工需要相當長的工期,TBM法則適合長隧洞施工的需要.國外實踐證明:當隧洞長度與直徑之比大于600時,采用TBM進行對隧洞施工是經(jīng)濟的.TBM廣泛采用了監(jiān)測,遙控,電子信息技術等對施工過程進行全面監(jiān)控,使掘進全過程始終處于最佳狀態(tài),與常規(guī)鉆爆法相比,其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在如下幾個方面:①掘進速度快;②工作效率高,實現(xiàn)了TBM開挖,出碴,襯砌,回填,灌漿等工序的循環(huán)作業(yè);③施工安全,TBM施工作業(yè)始終在護盾的保護下有效地進行;④

3、施工環(huán)境好,含塵空氣由凈化器除塵,無爆破煙塵;⑤成洞條件好,開挖面光滑平整,無超挖,對圍巖基本無擾動.但是如果選型,設計不當,則會影響TBM掘進機開挖隧洞的優(yōu)越性,嚴重的甚至會影響到工程施工工期.因此,選用合適的TBM掘進機對隧洞的施工有著極其重要的意義.1TBM的類型與特點1.1按圍巖地質(zhì)條件分(1)在巖層中開挖隧洞的TBM.通常用這類TBM在穩(wěn)定性良好,中一厚埋深,中一高強度的巖層中掘進長大隧洞,這類掘進機所面臨的基本問題是如何破巖.(2)在松軟地層中掘進隧洞的TBM.通常用這類TBM在具有有限壓力的地下水位以下的基本均質(zhì)的軟弱地層中開挖有限長度的隧洞.這類掘進機所面臨的基本

4、問題是空洞和開挖掌子面的穩(wěn)定,當隧洞施工的主要目的是控制市區(qū)環(huán)境的地表沉降時,這一問題尤為突出.1.2按開挖直徑分(1)微型TBM,直徑在25—300cm,其直徑較小,工作空間狹小.(2)中型TBM,直徑在300—800cm,在我國引大人秦工程就是利用此類的TBM.(3)巨型TBM,直徑均大于800cm,設備比較笨重,在荷蘭生態(tài)綠心隧洞中有所應用.1.3按護盾型式分(1)開敞式TBM大部分開敞式無護盾包圍,機頭由機頭架和大梁組成,機頭架是支撐刀盤并給刀盤傳遞動力的構(gòu)件,裝有驅(qū)動刀盤的傳動系統(tǒng),大軸承,密封和稀油潤滑裝置,還包括有導向26陜西水利水電技術總第90期殼體組件.支撐和推

5、進機構(gòu)由4—6只推進液壓缸,一組或兩組水平支撐機構(gòu)和浮動支撐機構(gòu)組成.水平支撐機構(gòu)由左右水平液壓缸和水平支撐板組成,浮動支撐機構(gòu)由浮動支撐液壓缸,鞍座和十字銷機構(gòu)組成.當TBM掘進時,水平支撐板被水平支撐液壓缸的推力撐緊在巖壁上,水平液壓以水平支撐板為支點,把推力施加給導向殼體和刀盤,推動刀盤破巖掘進.通過液壓系統(tǒng)的控制,可調(diào)節(jié)左右水平液壓缸和浮動斜撐液壓缸的伸長或縮短,通過調(diào)整缸體長度,使主機在掘進過程中按需要左右轉(zhuǎn)彎,上下傾斜或糾正方向偏差及糾正機身沿周圍切線方向偏轉(zhuǎn).(2)單護盾式TBM單護盾式TBM,除刀盤外機頭部分全部由一鋼制的護盾包圍.護盾的基本作用是作為臨時支護,并

6、裝有密封件防止設備進水.所以它適于在地質(zhì)條件不好的軟弱圍巖中施工.(3)雙護盾式TBM雙護盾式TBM除刀盤外全部被兩個護盾包圍,可分為前,中,后三部分護盾.前護盾包括支撐殼體,刀盤,刀盤驅(qū)動傳動系統(tǒng),以及4個撐緊前護盾的撐緊液壓缸和管片安裝裝置.撐緊機構(gòu)由撐緊弧板及撐緊液壓缸均勻布置在中護盾周邊,每個推進液壓缸后端與后護盾鉸接,前端與前護盾鉸接.由于此機型有兩個護盾,一個支撐靴,當?shù)刭|(zhì)條件好時,支撐靴伸出,承受TBM前進時的反力.此時,掘進和襯砌可以同時進行.地質(zhì)條件差時,支撐靴縮回,形成一個護盾,由輔助推進液壓缸頂在管片上前進.可用于良好地質(zhì)及復雜地質(zhì)條件下隧洞的開挖.2TBM

7、的選型與設計2.1TBM的選型TBM掘進機型式的選擇主要根據(jù)地質(zhì)條件,隧洞埋深和斷面尺寸等因素,通過勘察洞線的地質(zhì)條件來選擇不同特點的掘進機.開敞式TBM具有以下特點:(1)通過大伙房87km輸水長隧洞實踐證明,開敞式TBM機型既適用于硬巖,也很適用于軟巖地層;(2)機型轉(zhuǎn)向控制靈活,長度/直徑≤1,易精確調(diào)整方向;(3)能夠及時對不良地層進行支護,時空效應好,不易塌方;(4)在TBM上加裝錨桿機,混凝土噴射機,鋼拱架安裝機以及超前鉆機,而且在確定刀間距,推力和扭矩的參數(shù)上以及撐