TBM來了,一文帶你了解這個掘進利器……

來源:云南省滇中引水工程建設管理局  2020-02-05 02:32:00

   隨著國民經濟的發展和隧洞施工技術的不斷進步,一些長大公路、鐵路及水工隧洞工程突破理論設計難題開始投入建設,這類隧洞往往具有大斷層、大變形、強巖爆、突涌水、極硬巖等復雜地質特征,給隧洞施工帶來了很大的技術難度和風險,而全斷面巖石隧洞掘進機(TBM)以其安全、高效和機械化配套設施完善等優勢被廣泛的應用于國內外復雜地質條件隧洞的建設。

 

1  我國自主研發生產應用于大瑞鐵路高黎貢山隧洞的“彩云號”TBM

 

TBM 是什么?

    TBM(Tunnel Boring Machine),全斷面巖石隧洞掘進機,是一種依靠硬巖刀盤旋轉破巖推進,隧洞支護與出渣同時進行,并使隧洞全斷面一次成形的大型專用裝備。TBM采用了機械、電氣和液壓等領域的高科技成果,運用計算機控制、閉路電視監視、工廠化作業,是集掘進、支護、出渣、運輸于一體的成套設備。采用TBM施工,無論是在隧洞的一次成型、施工進度、施工安全、施工環境、工程質量等方面,還是在人力資源的配置方面都比傳統的鉆爆法施工有了質的飛躍。

 

TBM有哪些類型?

    TBM傳統機型主要分為敞開式TBM、單護盾TBM和雙護盾TBM三種,主要區別在于:敞開式TBM采用錨、網、噴圍巖初期支護工藝,現澆混凝土二次襯砌,不采用全環管片襯砌,由撐靴提供推進反力;單護盾TBM掘進過程中同步安裝全環襯砌管片,依靠已安裝的管片提供推進反力;雙護盾TBM護盾包括前護盾、伸縮護盾、支撐護盾和尾護盾,可由撐靴和管片兩種提供掘進推力形式,在雙護盾模式下可實現掘進和管片拼裝同時進行。對于敞開式和護盾式TBM,在圍巖塌方、收斂和變形條件下存在卡機的風險。護盾式TBM與敞開式TBM相比,盾體長度更長,卡機的幾率更高,脫困難度相對更大些。針對TBM施工大斷層、大變形的問題,目前多選用敞開式TBM。

 

2 敞開式TBM

 

3 單護盾TBM

 

4 雙護盾TBM

 

運用更廣的敞開式TBM有哪些特點?

    敞開式TBM主要由主機、支護系統和后配套組成,其中主機主要由刀盤、機頭架、護盾、驅動系統、主梁、推進系統、后支撐等組成,負責隧洞開挖與支護。支護系統包括L1區支護系統和L2區支護系統,主要為主機掘進完成后巖壁提供初期支護和襯砌。后配套布置有液壓動力站、變壓器、配電柜、電纜水管卷筒、除塵通風設備等,為主機的施工提供動力、風、水、電、氣等保障,并提供其他的輔助施工。

 

5   敞開式TBM結構圖

 

探秘:敞開式TBM高效運轉背后的工作原理?

    敞開式TBM隧洞掘進時,裝有滾刀的刀盤在推力、扭矩作用下抵緊掌子面,盤形滾刀繞著刀盤中心公轉,同時也繞自身中心自轉,當推力超過巖石的抗壓強度時,滾刀貫入巖石,掌子面被滾刀擠壓碎裂而形成隧洞同心圓溝槽。隨著溝槽深度的増加,巖體表面裂紋加深擴大,當超過巖石剪切和拉伸強度時,相鄰同心圓溝槽間的巖石成片剝落,形成石渣,刀盤旋轉通過刮渣板把石渣鏟入溜渣槽,并因此落入集渣斗和主機皮帶機接料口,并通過主機皮帶機和后配套皮帶機運輸至TBM設備尾部,最終通過列車編組或連續皮帶機運輸至洞外。通過破碎地帶等不良地層時,需要對刀盤之后的圍巖實施臨時支護,主要利用錨桿、鋼筋網和鋼支撐實現圍巖臨時支護。利用超前鉆機,可以探測機器前方的巖土條件,并在必要時實施地質改良。圍巖滲水可利用掘進機底部的排水系統抽排。在設備橋區,使用噴射混凝土對已開挖隧洞內壁進行支護。撐靴作為開敞式TBM的支撐、換步的結構,同時也用作開敞式TBM的導向。TBM掘進施工中,需不斷對TBM的位置姿態進行監測,根據掘進中TBM的姿態決定是否對TBM進行調向。

   除此之外,敞開式TBM的掘進循環由掘進作業和換步作業交替組成。在TBM掘進作業時,伸出水平支撐,撐緊洞壁,收起后支撐,起動皮帶機,TBM刀盤進行沿隧洞軸線的直線運動和繞軸線的單方向回轉運動復合而成的螺旋運動,被破碎的巖石由刀盤的鏟斗落入皮帶輸送機向機后輸出。當主推進油缸達到最大掘進行程時,TBM需要停機換步。此時刀盤停止轉動,放下后支撐和刀盤底護盾支撐,將撐靴慢慢收回并前移一個行程,撐靴前移到位后再次撐緊巖壁并收回后支撐和底護盾支撐,最后通過操作后配套伸縮油缸牽引后配套走行一個循環。

 

1)TBM掘進準備              (2)TBM掘進

6   TBM掘進示意圖

 

 

1)TBM換步準備              (2)TBM換步

7   TBM換步示意圖

 

焦點:為什么說敞開式TBM是復雜地質中的“掘進利器”?

    敞開式TBM在巖石完整地段掘進能夠最大限度的發揮其高效、快速的施工優勢,支護量小,掘進-換步為直線工序作業,一旦圍巖條件差,無法自穩的情況下,支護量大大增加,撐靴無法有效撐緊提供反力,支護、換填模筑混凝土將成為直線工序作業,掘進效率大打折扣。敞開式TBM施工由于開挖和支護分開進行,刀盤附近有足夠空間安裝超前地質探測設備及臨時、初期支護設備如錨桿鉆機、超前鉆機、鋼支撐安裝設備、應急噴射混凝土設備等,如遇局部不穩定圍巖、不良地質,通過超前地質探測設備探明不良地質類型、規模后制定應對施工方案,可通過TBM護盾后安裝的臨時支護設備打設錨桿、安裝鋼支撐、應急噴砼加強支護或超前鉆孔灌漿固結后再掘進。

   TBM施工遭遇斷層破碎帶,節理裂隙受擾動后垮塌形成塊狀堆積體堆積在刀盤周邊及前方,不規則交錯巖體卡在滾刀與掌子面、刮渣口與周邊完整巖體之間,或軟弱圍巖受擾動后呈泥沙狀包裹在刀盤面板上,致使刀盤無法轉動。TBM護盾范圍斷層破碎帶形成垮塌,同樣會造成TBM護盾抱死,使TBM無法推進。TBM被卡主要利用刀盤刀孔、人孔、刀盤周邊或對護盾進行開孔通過人工使用工具對破碎巖體進行清理,對刀盤、護盾周邊進行環向擴挖完成刀盤脫困。TBM遭遇前方較大規模破碎體時則通過施工繞洞至TBM前方,采用人工開挖對斷層破碎帶進行施工處理,然后TBM步進通過。一般情況下,相較于護盾式TBM,敞開式TBM不容易在不良地質地段卡機、且能夠根據地層靈活配置支護設備,地質適應性較強。

   目前在國內外隧洞施工中,TBM施工技術已經高度成熟,TBM施工表現也得到了廣泛的認可,越來越多的TBM設備被投入到各類隧洞施工建設中,大大提高了隧洞施工效率和集成化、自動化水平,也提高了隧洞施工安全、環境條件,TBM必然成為未來隧洞施工的主流選擇。在滇中引水工程建設中,對于控制性工程香爐山隧洞也將應用TBM進行施工。

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