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在软弱不稳定围岩条件下的双护盾硬岩掘进机

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传统开敞式 TBM的局限
需要大面积围岩支护，特别是遇到
大的地下涌水时，掘进速度缓慢
非常软弱的围岩条件下，难以控制掘
进机的掘进方向
管片安装困难
一 双护盾硬岩掘进机的设计理念
传统开敞 式TBM的 局限
1971年意大利南 部两条引水隧洞, 其地质条件很复 杂，软、硬不均, 相差很大 开敞式不适应
1996年1月10日引黄工程总干8#洞贯通
TBM平均日进尺31.5M
二 双护盾硬岩掘进机的成功应用

山西省万家寨引黄工程南干 4-5-6-7号隧洞
南干6#洞出口TBM组装现场
1997年8月，万龙联营体(意大利CMC 公司、英普基诺公司与水电四局), 中得总长约88km的 4-5-6-7号隧洞 的标。 采用四台双护盾TBM进行施工。
其工作情况见下页表格
二 双护盾硬岩掘进机的成功应用

山西省万家寨引黄工程南干 4-5-6-7号隧洞
TBM代号 1#
2# 3# 4#
生产厂家 ROBBINS
ROBBINS ROBBINS NFM
开挖尺 计划长 寸（m） 度（m）
施工隧 洞
最高月 进（m）
D=4.92
D=4.82 D=4.88 D=4.88
方受阻或因挤压围岩被卡
V类围岩占25%，IV类占55%，III类仅占20%
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
实际施工情况
围岩紧挤压在护盾上的情况
围岩偏压使支洞钢拱架发生内鼓变形情况
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
据招标文件：
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
目前已开挖7.56km
岩性：粉沙质、泥质板岩及溶蚀白云岩
实际 施工情况 受构造影响严重：断层分布密集，目前已穿
越近40条断层，因此，岩体破碎或松散，强度 低
多次发生涌水和突泥事件和造成掌子面 塌
二 双护盾硬岩掘进机的成功应用

山西省万家寨引黄工程总干 6-7-8号隧洞 CMC公司采用双护盾TBM于1994 年7月17日开始8号洞（12195m） 掘进，1996年1月10日贯通； 7号洞，1996年6月8日开始 （2685m），1996年10月5日贯 通； 6号洞，1996年11月15日开始 （6667.36m），1997年9月6日 贯通；
2003年昆明市掌鸠河引供水工程引进一台罗宾斯双护盾掘 进机开挖13公里的上公山隧洞，由于隧洞地质条件特别复 杂，TBM频繁遭遇软弱、不稳定围岩，使掘进十分困难。
原来的双护盾掘进机设计理念已不能满足如此复杂的地质 条件，有必要对双护盾掘进机设计进行改进。
关键词
双护盾掘进机，预制管片衬砌，豆砾石回填灌浆，软弱围 岩，不稳定围岩，断层
实际施工情况
从支洞流出的泥水混合物
松散岩体突涌入TBM解压支洞
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
实际施工情况
机头被压后扩挖人工掏机头情况
四
双护盾硬岩掘进机的改进意见
从上述案例可以得出：
双护盾掘进机能克服单护盾或开敞式掘进机在遇到
断层或软弱围岩时支撑掌无法工作的困难和实现安 全快速的施工等的优点。 但对于开挖掌子面坍塌，无法控制进渣量，经常被 迫停机，清除塌方，加固掌子面； 同时由于双护盾掘进机的机身较长，当遇到挤压围 岩时容易卡机等困难，难以克服； 为此，需要对机子本身进行设计改进,实现盾构的 部分功能。
在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
薛继洪
(意大利CMC公司掌鸠河引水供水工程 项目经理)
宋天田
(同济大学交通运输学院 博士研究生)
2005.08.22在软弱来自不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
摘 要
双护盾掘进机克服了硬岩掘进机在软弱围岩条件下无法掘 进的缺点，我国已在甘肃引大入秦和山西万家寨引黄工程 上得到成功应用，共掘进138公里隧洞。
2001年9月29日V标7#隧洞贯通
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
上公山隧洞 TBM准备进洞
三 在软弱、不稳定围岩条件下的 双护盾硬岩掘进机
案例：昆明市掌鸠河引水供水工程上公山隧洞
意大利CMC公司采用罗宾斯双护盾TBM开挖，预
制管片（4+1）衬砌，豆砾石回填灌浆施工
四
双护盾硬岩掘进机的改进意见
改进措施：
1) 2) 3) 4)
尽量缩短掘进机机身，减少被卡几率； 将机身设计成锥行，减少护盾摩擦力； 刀头增设扩挖设备，减少护盾摩擦力； 刀盘正面设计成平面，减少刀盘与围岩之间的摩擦 力，同时支撑围岩面； 5) 加大刀盘扭矩设计，从而增加刀盘的脱困能力； 6) 增设刀盘进渣量控制系统，减少停机清渣几率； 7) 增设超前钻孔和注浆系统，在必要时提前加固围岩；
洞长13.7km，开挖直径3.65m，成洞直径3m
隧洞 基本情况
岩性：板岩和白云岩，埋深30-350m，潜水面以
下0-150m
II类围岩占20%，III类60%，IV类20% 单轴无侧线抗压强度40-60MPa，属中硬岩 主要断层有四条：F51，F52，F54，F78， 断层宽度10米左右 整条隧洞适宜双护盾硬岩掘进机开挖
意大利SELI公司 总裁GARLO设计 了第一台双护盾 TBM
一 双护盾硬岩掘进机的设计理念
双护盾TBM基本设计思想
设计一个尾护盾，设备及管片安装在尾护盾内，保证绝 对的施工安全；
在围岩条件较好时，有一套支撑机械作用到岩壁上，为 掘进机掘进提供足够的支反力；
在不良地质条件下，当支撑掌失效时，有一套辅助推进 器作用于已安装的管片上为掘进机掘进提供足够的推进力； 掘进机开挖与管片安装可同步进行，互不影响。
二 双护盾硬岩掘进机的成功应用
甘肃省“引大入秦”工程
1991年1月，意大利CMC公司 采用双护盾掘进机技术、预 制管片衬砌和豆砾石回填灌 浆技术，开始在“引大入秦” 30A号隧洞的掘进，并于 1992年1月贯通。 平均月进尺1100米，最高月 进尺1408米，最高日进尺 75.2米。
1992年1月 引大入秦30A隧洞
本文内容和结构
双护盾硬岩掘进机的设计理念 双护盾硬岩掘进机的成功应用 在软弱、不稳定围岩条件下的双护盾 硬岩掘进机 双护盾硬岩掘进机的改进意见
一 双护盾硬岩掘进机的设计理念
开敞式TBM
双护盾TBM
一 双护盾硬岩掘进机的设计理念
当遇到断层或风化软弱围岩时，掘
进机支撑掌无法工作，被迫停机
24702
21865 15731 25244
4#、5#洞
6 # 、5 # 洞 7#洞 7#洞
1648.18
1417.75 1634.78 1323.99
二 双护盾硬岩掘进机的成功应用

山西省万家寨引黄工程联接 段7#隧洞 2000年12月意大利CMC公司采用双 护盾TBM技术对13.5km的7#洞进行 施工 仅用10个月就贯通了该洞。 月平均进尺为1300米，并创下日 最高进尺113米的世界记录。

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TBM类型及工作基本知识介绍

TBM类型及工作基本知识介绍

TBM类型及工作原理介绍TBM是一种集掘进、出碴、导向、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。

TBM的分类网络图详见图1。

图1 TBM分类网络图以下就敞开式掘进机与护盾式掘进机进行详细比较分析。

1、敞开式掘进机（1）敞开式掘进介绍敞开式TBM主要适应于硬岩，能利用自身支撑机构撑紧洞壁以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面岩石掘进机。

在施工对应较完整、有一定自稳性的围岩时，能充分发挥出优势，特别是在硬岩、中硬岩掘进中，强大的支撑系统刀盘驱动和推进系统组成。

其主要结构见图2、3。

图2 敞开式掘进机结构图掘进机主机根据岩性不同可选择配置临时支护设备如钢架安装器、锚杆钻机、钢筋网安装机、超前钻、管棚钻机、喷混凝土机及注浆机等。

图3 敞开式掘进机图如遇有局部破碎带及松软夹层岩石，则掘进机可由所附带的超前钻及注浆设备，预先固结周边岩石，然后再开挖。

敞开式掘进机适合洞径在φ2～9m之间，最优选择φ3～8m。

（2）敞开式全面断面岩石掘进机工作原理1）盘形滚刀破岩机理在推力作用下，安装在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，盘形滚刀绕刀盘中心轴公转的同时绕自身轴线自转，在刀盘强大的推力、扭矩作用下，滚刀在掌子面固定的同心圆切缝上滚动，当推力超过岩石的抗压强度时，盘形滚刀下的岩石直接破碎，盘形滚刀贯入岩石，掌子面被盘形滚刀挤压碎裂而形成多道同心圆沟槽，随着沟槽深度的增加，岩体表面裂纹加深扩大，当超过岩石的剪切和拉伸强度时，相邻同心圆沟槽间的岩石成片剥落。

刀具破岩原理示意见图4。

作用、反扭矩；刀盘旋转，推进液压缸推压刀盘，一组盘形滚刀切入岩石，在岩面上作同心圆轨迹滚动破岩，岩碴靠自重掉入洞底，由铲斗铲起，岩碴靠岩碴自重经溜槽落入皮带机出碴，这样连续掘进成洞。

图5 掘进机（Jarva27）结构示意图1－盘形滚刀；2－刀盘；3－扩刀孔；4－出碴皮带机；5－超前钻机；6－电动机；7－行星齿轮减速器；8－末级传动；9－推进液压缸；10－后下支承；12－操纵室；13－外机架；14－内机架；15－锚杆钻机；16－铲斗3）掘进机工作循环支撑式掘进机的工作循环，如图6。

双护盾TBM在软弱地质或破碎围岩段掘进的技术研究

双护盾TBM在软弱地质或破碎围岩段掘进的技术研究

双护盾TBM在软弱地质或破碎围岩段掘进的技术研究摘要：在双护盾TBM的施工过程中，容易遇到软弱围岩、断层构造带和裂隙发育带。

较小的范围对双护盾TBM掘进影响不大，但遭遇到较大的破碎带时，经常伴随着塌方现象，有时还会压住机头，发生卡机的事故，使得双护盾TBM掘进受阻，另外还会使双护盾TBM掘进方向发生偏移，管片安装接缝超标，出现较大的错台和裂缝。

本文介绍了双护盾TBM在软弱地质或破碎围岩段掘进的应对措施，以及机头、刀盘卡机后的处理办法。

关键词：双护盾TBM；软弱地质；破碎围岩；断层；卡机引言隧道掘进机（TBM）根据支护形式分为开敞式、双护盾式、单护盾式3种类型。

开敞式TBM常用于硬岩施工，单护盾TBM 常用软岩及地下水位较高的不稳定地层施工；双护盾TBM 又称伸缩护盾式TBM，具有两种掘进模式，既可用于硬岩又可用于软岩，常用于混合地层施工，适应性非常广泛，当采取合适措施时，其能安全地穿过软弱地质和断破碎地带。

1遭遇不良地质的表象不良地质体在被揭露之前，往往表现出一些明显或者不明显前兆标志，预测短距离地质情况可根据掌子面出露的岩石情况、皮带机上渣料的粒径大小、掘进机参数等综合判断。

遭遇不良地质时的主要表现方式有以下几个方面：（1）出渣量增大，岩渣规格明显不均，大小悬殊，而且岩粉含量降低，岩石风化相对强烈，泥质含量增加。

（2）TBM推力降低，掘进速度加快。

（3）前后支撑反作用力降低。

（4）对于较大断层破碎带，TBM在掘进过程中，机械振动加大，在主控室即可听到掌子面发生的巨大声响。

严重时，刀盘会被卡住，导致无法旋转。

2不良地质段掘进的应对措施（1）超前地质探测临近不良地质地段前，采取HSP法、BEAM法、TRT法、TSP法、地质雷达、ISIS+超前水平钻探等方法，进行超前地质预报，提前了解前方地质状况。

按预报过程的不同超前地质预报可分为间接预报法、直接预报法和综合地质分析法。

直接预报法主要包括超前水平钻探法和超前导坑（洞）法两种；间接预报法主要为物探探测，对物探成果分析后做出超前的判断和预报；综合地质分析法是综合各种探测手段的资料，对隧洞前方地质情况做出的判断与预测。

掘进机分类

掘进机分类


地面的泥水处理系统
φ15.44m
11.56m盾构机 在法国巴黎
螺旋机前门打开为土压平衡模式
螺旋机前门关闭气垫式泥水加压
开敞式掘进机
开敞式TBM在对付较完整、有一定自稳性 的围岩时，能充分发挥出优势。特别是在硬岩、 中硬岩掘进中，强大的支撑系统为刀盘提供了 足够的推力；使用开敞式TBM施工可以直接 观测到被开挖的岩面，从而方便对已开挖的隧 道进行地质描述。由于开挖和支护分开进行， 使开敞式TBM刀盘附近有足够的空间用来安 装一些初期支护的设备如钢拱架安装器、锚杆 钻机、超前钻机、喷射混凝土设备等，应用新 奥法原理使这些辅助设备可及时地、有效地对 不稳定围岩进行支护。
土压平衡盾构在非粘透水性土层的掘进施工 中，不能达到掌子面土压的的平衡。但可以通 过注入泡沫进行改良处理。泡沫被加入挖出的 土壤中并成为粒状结构的一部分。粒状结构中 的气泡可以降低土浆密度，减小颗粒摩擦 ，由 于粘着力的作用，使用适当的泡沫混合物，开 挖的土料可以变得非常粘着，完全可以用带式 输送机进行输送。 泡沫的90%都是空气，它们在几天后就会 全部逸出，可对开挖出土料储置或进一步利 用，不需要复杂的分离设备。
3、泥粒粒径应比土体孔隙大且含量适中， 因此对渗透系数大的砂质土、砂砾石层必须 注意此点以加速泥膜的形成。 4、泥浆的粘性。适合的粘度可以防止粘 土、砂粒在开挖室内的沉积、可以将开挖下 來的弃土以流体输送,对砂砾层其粘度参考 值是50s左右。
开敞式TBM动画演示
双护盾掘进机
双护盾掘进机将开挖和衬砌同步完成， 它在适应的地质条件下，创造了TBM高速 掘进的纪录，2000年一台4.92m双护盾 机在山西引黄工程中创造1821.5m的最 高月掘进纪录，使人们更多的看到TBM的 优势。利用已安装的管片提供推力完成掘 进，是护盾机可以在软弱围岩和破碎地层 中掘进的基础，由于双护盾TBM在后盾上 也设置了支撑靴，因此双护盾还具备了在 较硬岩条件下，仍能为刀盘提供大推力进 行硬岩的切削，从而增强了双护盾TBM的 适用范围。
开敞式及双护盾TBM机构和原理讲义[详细]

开敞式及双护盾TBM机构和原理讲义[详细]

伸缩部分两个壳体之间的间隙可以检查，可以清洁。为了检查和清洁的 目的，提供了若干开口。
后护盾（支撑护盾）
后护盾（支撑护盾）内设有推进油缸和支撑装置。支撑布置的形状使得支撑力作用到两侧 和底部。这使得后护盾以左、右、底三点固定在隧道内。支撑护盾承受着全部掘进反力，在更换 滚刀时也可将前护盾回拉。
支撑护盾尺寸宽大，以减小对围岩的压力。这一点在软弱围岩掘进时尤其重要。由支撑护盾 产生的对围岩的接触压力是与施加到刀盘的推进力成正比的。
伸缩护盾
伸缩护盾掘进机的伸缩部分连接着前护盾和后护盾。其功能是使掘进机 的开挖与预制混凝土管片的安装能同时进行。
伸缩油缸连接着前、后盾，既传递推力又传递拉力。这一性能在遇到不 稳定的地层条件，而覆盖层负荷又大时，可用以防止前护盾向下倾斜。
两个力矩装置将刀盘的扭矩从前护盾传给后护盾或称支撑护盾。前、后 护盾间的滚动的调整，用力矩油缸实现，不需要伸缩油缸来纠正滚动。这种 纠正滚动方式与独立的推进力的方式是双护盾设计的一个非常重要的特点。
作
（1）围岩破碎，采用单护盾模式掘进
原
（类似于盾构）；
理
（2）围岩自稳性好，采用双护盾模式掘
进，开挖与衬砌同步。
双护盾工作பைடு நூலகம்式图
双护盾模式工作循环结束状态
双护盾TBM换步状态图
双护盾TBM换步结束状态
单护盾模式管片安装状态
单护盾模式掘进状态
特点
（1）开挖与衬砌同步，采用管片
双
支护，支护速度快，隧道一次成型；
当在硬岩地层开挖时，刀盘必需有很大的推进力，支撑系统必须产生很大的夹持力以支持这 个推进力。因此对围岩的接触压力将达到较高水平。当在软弱地层开挖时，刀盘只需要较小的推 进力。夹持力将成正比减少，因此对围岩的接触压力将比较小。