岩石隧道掘进机施工工艺技术

2019/8/5
《地下工程讲稿》
9
5.2.2全断面岩石掘进机的类型与结构
按掘进的方式：全断面一次掘进式（又叫一次成洞）和分 次扩孔掘进式（又叫两次成洞）。 按掘进机是否带有护壳：敞开式和护盾式。 掘进机的结构部件：机构和系统。 机构：刀盘、护盾、支撑、推进、主轴、机架及附属设施 设备等。 系统：驱动、出渣、润滑、液压、供水、除尘、电气、定 位导向、信息处理、地质预测、支护、吊运等。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
13
图5-5 TB880Ｈ/TS-（φ8.8m）型护盾式全断面掘进机
1-刀盘；2-石碴漏斗；3-刀盘驱动装置；4-支撑装置；5-盾尾密
封；6-凿岩机；7-砌块安装器；8-砌块输送车； 9-盾尾面； 10-
辅助推进液压缸； 11-后盾； 12-主推进液压缸；13-前盾；14-
D—刀盘直径，m。 刀盘转速与直径成反比，刀盘直径越大，转速越低。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
22
刀盘扭矩：根据围岩条件、掘进机类型、掘进机结构、掘进机直径 确定。
刀盘驱动功率：根据刀盘扭矩、转速及传动效率确定。 掘进推力：必须根据各种推进阻力的总和及其所需要的富裕量确定。 掘进行程：宜选用长行程，护盾式掘进机的掘进行程必须根据管片
2019/8/5
《地下工程讲稿》
15
（a）导洞掘进机；（b）Wirth 扩孔机主机部分 图5-6 扩孔机施工方式图
1-推进液压缸；2-支撑液压缸；3-前凯氏外机架；4-前凯氏内机架 ；5-护盾；6-切削盘；7-石渣槽；8-输送带；9-后凯氏内机架；10后凯氏外机架；11-后支承；12-滚刀；13-护盾液压缸；14-前支承
还配备有如运渣运料、支护、供电、供水、排水、通风等后配套系统，
总长度较大，一般为150～300m。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
8
掘进机的基本施工工艺：刀盘旋转破碎岩石，岩渣由刀盘上 的铲斗运至掘进机的上方，靠自重下落至溜渣槽，进入机头 内的运渣胶带机，然后由带式输送机转载到矿车内，利用电 机车拉到洞外卸载。掘进机在推力的作用下向前推进，每掘 够一个行程便根据情况对围岩进行支护。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
20
5.2.4.4 掘进机主要技术参数的选择
刀盘直径：按掘进机的类型、成洞洞径、衬砌厚度等确定，可按下式计算： 开敞式 D=d+2（h1+h2+h3） 护盾式 D= D0+2（δ+ பைடு நூலகம்）
式中：D—刀盘直径，m； d—工程要求的成洞洞径，m； h1—预留变形量（考虑掘进误差、围岩变形量、模注衬砌误差），m； h2—初期支护厚度，m； h3—二次衬砌厚度，m； D0—管片内径，m； δ—管片厚度，m； h—灌注的砾石平均厚度，m。
切削盘支承和主梁是掘进机的总骨架，二者联为一体，为所有其 它部件提供安装位置；切削盘支承分顶部支承、侧支承、垂直前支承， 每侧的支承用液压缸定位；主梁为箱形结构，内置出渣胶带机，两侧 有液压、润滑、水气管路等。
支撑分主支撑和后支撑，主支撑分单T型支撑和双X型支撑。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
11
秦岭终南山特长公路隧道道路等级按高速公路设计。隧道横 断面高5米、宽10.5米，双车道各宽3.75米。上、下行线两 条隧道间每750米设紧急停车带一处、每500米设行车横通道 一处、每250米设人行横通道一处。 2019年1月20日建成通车。秦岭终南山公路隧道是我国 自行设计施工的高速公路特长隧道，堪称世界第二、亚洲第 一，是世界上第一个采用双洞单向行驶的特长隧道，双洞全 长36.04公里，建设规模居世界第一。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
4
5.1 概述
在岩石中开凿矿山巷道或交通隧道时，除采用 常规的钻眼爆破法外，还可采用掘进机施工。
掘进机：是指能够直接截割、破碎工作面岩石， 同时完成装载、转运岩石，并可调动行走和进行喷 雾除尘的功能，有的还具有支护功能，以机械方式 破落煤、岩的隧（巷）道掘进综合机械。
5 岩石隧（巷）道掘进机施工
2019/8/5
中国最长的铁路隧道：乌鞘岭 特长隧道，全长20.05公里， 是兰新铁路兰武段（兰州西至 武威南）新增二线铁路上的一 座长隧道，06年8月23日上 午实现双线开通。兰新铁路兰 武段是中国铁路网“八纵八横” 中重要“一横”——欧亚大陆 桥通道的组成部分，也是内地 连接新疆和甘肃河西地区的主 要通道。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
18
5.2.4.3 掘进机主机的选择
隧道的长度和弯曲度 在3km以上长度的隧道中使用才具有较好的技术经济效果；
隧道长度大于6km时应尽量使用，长度大于10km且工 程地质、水文地质条件较适宜时应优先考虑采用。 全断面掘进机对隧道的曲线半径有一定要求，曲线半径一 般要求在200m以上，隧道的拐弯半径必须大于或等于 所选机型所要求的拐弯半径。 隧道断面的形状与大小 全断面掘进机适用于圆形断面的隧（巷）道。断面大小基 本上可决定掘进机机型的大小，每种机型都有一定的使 用范围，选用时应考虑其最佳掘进断面积。如断面过大， 采用全断面掘进机时，可考虑扩孔机掘进或者先用小直 径全断面掘进机掘进再用钻爆法扩挖。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
21
5.2.4.4 掘进机主要技术参数的选择
刀盘转速：应根据围岩类别及刀盘直径等因素确定。 刀盘转速的选择还与刀盘直径有关，计算公式为：
n=60Vmax/πD 式中： n—刀盘转速，r/min；
Vmax —边刀回转最大线速度，m/s，一般控制 在2.5m/s以内；
支撑油缸；15-带式输送机
2019/8/5
《地下工程讲稿》
14
5.2.2.3扩孔式TBM
当隧道断面过大时，会带来电能不足、运输困难、造价过高
等问题。在隧道断面较大、采用其它全断面掘进机一次掘进技术 经济效果不佳时就可采用扩孔式全断面掘进机。
扩孔式全断面掘进机是先采用小直径TBM先行在隧道中心用 导洞导通，再用扩孔机进行一次或两次扩孔。为保证掘进机支撑 有足够的撑紧力，导洞的最小直径为3.3m，扩孔的孔径一般不超 过导洞孔径的2.5倍。对于直径6m以上的隧道，除在松软破碎的 围岩中作业的护盾式掘进机外，设备制造商比较主张先打φ4m左 右的导洞，再用扩孔机扩孔。国外在1970年施工的一条隧道，先 用直径3.5m的掘进机开挖，然后用扩挖机扩大到10.46m；另一 隧道用的扩孔机直径为4.5m，扩孔直径10.8m。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
2
2019/8/5
《地下工程讲稿》
3
中国目前第二长的铁路隧道
中国最长的铁路隧道 ：秦岭隧道，位于西（安）（安）康
铁路青岔车站和营盘车站之间，由两座基本平行的单线隧道 组成，两线间距为30米，其中Ⅰ线隧道全长18460米；Ⅱ 线隧道全长18456米，居当时世界山岭隧道第6位、亚洲第 2位。
图5-3 Robbinsφ8.0m型敞开式全断面掘进机 1-顶部支承；2-顶部侧支承；3-主机架；4-推进油缸；5-主支撑架；6-TＢM主 机架后部；7-通风管；8-皮带输送机； 9-后支承带靴；10-主支撑靴；11-刀盘 主驱动；12-左右侧支承；13-垂直前支承；14-刀盘；15-锚杆钻；16-探测孔
环宽确定。合理选择掘进机行程对加快掘进速度、提高施工进度十 分有利。选用合理长行程可减少换步次数，提高总体施工速度。减 少停开机次数有利于延长掘进机寿命，当使用护盾式掘进机时，还 可减少混凝土管片接缝数量，从而减少渗漏水的概率。 贯入度：也称切深，即刀盘每转动一周刀具切入岩石的深度。贯入 度指标与岩石特性有关，如岩石类别、单轴抗压强度、裂隙发育、 可钻性、耐磨度、孔隙率等。 对掘进机本身而言，掘进速度=刀盘转速×贯入度，在相同的掘进 速度情况下，刀盘转速高时的贯入度低，刀盘扭矩小，而此时推进 力相对也较小。
《地下工程讲稿》
1
中国目前最长的公路隧道
秦岭终南山隧道：位于我国西部大通道内蒙古阿荣旗至广西 北海国道上西安至柞水段，在青岔至营盘间穿越秦岭，全长 18.4公里，技术标准为高速公路双洞四车道，行车速度为每 小时80公里。 终南山隧道2019年1月由国家发展计划委员会 批准立项建设，设计工期为67个月，总投资约25亿元人民币。 与已建成的我国第一长隧道——西安安康铁路秦岭隧道并行。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
5
掘进机分类：
掘进机按其结构特征和工作机构破岩方式的不
同，可分为：
全断面掘进机：主要适用于直径一般为2.5～10m的全岩 隧（巷）道，岩石的单轴抗压强度可达50～350MPa；可一 次截割出所需断面，且形状多为圆形，主要用于工程涵洞和 隧道的岩石掘进。 悬臂式掘进机：一般适用于单轴抗压强度小于60MPa的煤、 半煤岩和软岩水平巷道，一次仅能截割断面的一部分，需要 工作机构多次摆动才能掘出所需断面，断面可以是矩形、梯 形、拱形等多种形式，在矿山、尤其是煤矿巷道掘进中使用 普遍。
秦岭隧道Ⅰ、Ⅱ线均为单线电气化铁路隧道，Ⅰ线(左线)隧 道使用2台8.8米敞开式掘进机（TBM）由隧道两端相向施 工。Ⅱ线隧道(右线)，采用新奥法施工，初期支护为锚喷， 二次支护为马蹄型带仰拱的模筑混凝土复合衬砌。
隧道于2019年1月18日正式开工，2019年9月6日全部贯 通，2000年8月18日西康铁路开通运营。
2019/8/5
《地下工程讲稿》
19
岩石性质： 掘进机对隧道的地层最为敏感 ，掘进机的具体类型
要根据地质条件、施工环境、工期要求等因素确定。 不同类型、型号的掘进机有其各自适用的最佳岩石 单轴抗压强度范围值。一般情况下，在围岩为中硬 以上且整体性较好的隧道中，宜选用敞开式掘进机； 中等长度隧道且整条隧道地质情况相对较差的条件 下使用单护盾式掘进机；双护盾式掘进机常用于复 杂地层的长隧道开挖，一般适应于中厚埋深、中高 强度、稳定性基本良好地质的隧道，对各种不良地 质和岩石强度变化有较好适应性。