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1、全断面隧道掘进机TBM的选型设计与应用2006年第2期全断面隧道掘进机TBM的选型设计与应用25全断面隧道掘进机TBM的选型设计与应用朱兴华,杨震(水利部陕西水利电力勘测设计研究院陕西西安710001)摘要采用TBM掘进技术已成为未来隧洞建设总的发展趋势,TBM选型不当,主机系统设计不当以及主机系统与后配套系统搭配不合理,都将会在隧洞的施工中影响TBM掘进机开挖隧洞的优越性,甚至严重影响工程施工工期.因此,选用合适的TBM系统进行隧洞的施工有很重要的意义.关键词全断面隧道掘进机;主机系统;后配套系统;选型;设计全断面隧道掘进机(Full—faceTunnelBoringMachi
2、ne)简称TBM,自20世纪50年代以来就已经在施工行业大量使用,如今已是在国内外普遍采用的一种具有高科技水平的隧洞施工机械.当隧洞长度过长时,用常规钻爆法进行施工需要相当长的工期,TBM法则适合长隧洞施工的需要.国外实践证明:当隧洞长度与直径之比大于600时,采用TBM进行对隧洞施工是经济的.TBM广泛采用了监测,遥控,电子信息技术等对施工过程进行全面监控,使掘进全过程始终处于最佳状态,与常规钻爆法相比,其优越性主要体现在如下几个方面:①掘进速度快;②工作效率高,实现了TBM开挖,出碴,衬砌,回填,灌浆等工序的循环作业;③施工安全,TBM施工作业始终在护盾的保护下有效地进行;④
3、施工环境好,含尘空气由净化器除尘,无爆破烟尘;⑤成洞条件好,开挖面光滑平整,无超挖,对围岩基本无扰动.但是如果选型,设计不当,则会影响TBM掘进机开挖隧洞的优越性,严重的甚至会影响到工程施工工期.因此,选用合适的TBM掘进机对隧洞的施工有着极其重要的意义.1TBM的类型与特点1.1按围岩地质条件分(1)在岩层中开挖隧洞的TBM.通常用这类TBM在稳定性良好,中一厚埋深,中一高强度的岩层中掘进长大隧洞,这类掘进机所面临的基本问题是如何破岩.(2)在松软地层中掘进隧洞的TBM.通常用这类TBM在具有有限压力的地下水位以下的基本均质的软弱地层中开挖有限长度的隧洞.这类掘进机所面临的基本
4、问题是空洞和开挖掌子面的稳定,当隧洞施工的主要目的是控制市区环境的地表沉降时,这一问题尤为突出.1.2按开挖直径分(1)微型TBM,直径在25—300cm,其直径较小,工作空间狭小.(2)中型TBM,直径在300—800cm,在我国引大人秦工程就是利用此类的TBM.(3)巨型TBM,直径均大于800cm,设备比较笨重,在荷兰生态绿心隧洞中有所应用.1.3按护盾型式分(1)开敞式TBM大部分开敞式无护盾包围,机头由机头架和大梁组成,机头架是支撑刀盘并给刀盘传递动力的构件,装有驱动刀盘的传动系统,大轴承,密封和稀油润滑装置,还包括有导向26陕西水利水电技术总第90期壳体组件.支撑和推
5、进机构由4—6只推进液压缸,一组或两组水平支撑机构和浮动支撑机构组成.水平支撑机构由左右水平液压缸和水平支撑板组成,浮动支撑机构由浮动支撑液压缸,鞍座和十字销机构组成.当TBM掘进时,水平支撑板被水平支撑液压缸的推力撑紧在岩壁上,水平液压以水平支撑板为支点,把推力施加给导向壳体和刀盘,推动刀盘破岩掘进.通过液压系统的控制,可调节左右水平液压缸和浮动斜撑液压缸的伸长或缩短,通过调整缸体长度,使主机在掘进过程中按需要左右转弯,上下倾斜或纠正方向偏差及纠正机身沿周围切线方向偏转.(2)单护盾式TBM单护盾式TBM,除刀盘外机头部分全部由一钢制的护盾包围.护盾的基本作用是作为临时支护,并
6、装有密封件防止设备进水.所以它适于在地质条件不好的软弱围岩中施工.(3)双护盾式TBM双护盾式TBM除刀盘外全部被两个护盾包围,可分为前,中,后三部分护盾.前护盾包括支撑壳体,刀盘,刀盘驱动传动系统,以及4个撑紧前护盾的撑紧液压缸和管片安装装置.撑紧机构由撑紧弧板及撑紧液压缸均匀布置在中护盾周边,每个推进液压缸后端与后护盾铰接,前端与前护盾铰接.由于此机型有两个护盾,一个支撑靴,当地质条件好时,支撑靴伸出,承受TBM前进时的反力.此时,掘进和衬砌可以同时进行.地质条件差时,支撑靴缩回,形成一个护盾,由辅助推进液压缸顶在管片上前进.可用于良好地质及复杂地质条件下隧洞的开挖.2TBM
7、的选型与设计2.1TBM的选型TBM掘进机型式的选择主要根据地质条件,隧洞埋深和断面尺寸等因素,通过勘察洞线的地质条件来选择不同特点的掘进机.开敞式TBM具有以下特点:(1)通过大伙房87km输水长隧洞实践证明,开敞式TBM机型既适用于硬岩,也很适用于软岩地层;(2)机型转向控制灵活,长度/直径≤1,易精确调整方向;(3)能够及时对不良地层进行支护,时空效应好,不易塌方;(4)在TBM上加装锚杆机,混凝土喷射机,钢拱架安装机以及超前钻机,而且在确定刀间距,推力和扭矩的参数上以及撑
