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岩石隧道掘进机施工技术发展

作者:  来源:隧道网  发布:2017/7/26  浏览: + 放大字体 | - 减小字体

摘 要:岩石隧道掘进机施工法(又称全断面隧道掘进施工法)是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。在国内,通俗地将应用在软土地层中的隧道掘进机称之为“盾构”,应用在岩石地层中的隧道掘进机称之为“TBM”。

基本概念

岩石隧道掘进机施工法(又称全断面隧道掘进施工法)是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。其所谓的岩石地层是指该地层有硬岩、软岩、风化岩、破碎岩等,在这样的岩石地层中采用岩石隧道掘进机(英文名称tunnel Boring Machine,简称TBM)。在国内,通俗地将应用在软土地层中的隧道掘进机称之为“盾构”,应用在岩石地层中的隧道掘进机称之为“TBM”。

岩石隧道掘进机分类

1)按照岩石的破碎方式,岩石隧道掘进机分为挤压破碎式与切削破碎式。前者将大的推力基于刀具,通过刀具的楔子作用进行岩石的挤压破碎;后者利用旋转扭矩在刀具切线方向及垂直方向上进行切削的方式进行挖掘。

2)按照掘进的方式,将岩石隧道掘进机分为全断面一次性掘进式(又叫一次成洞)和分次扩孔掘进式(又叫二次成洞)。

3)按掘进机的结构形式又将其分为敞开式与护盾式。

扩孔式掘进机示意

敞开式掘进机

护盾式掘进机

岩石隧道掘进机施工法的主要特点

1)掘进效率高。施工中可以实现连续作业,保证破岩、出渣、支护等作业,与钻爆法的间断性作业相比,施工工期较短。

2)开挖施工质量好、超挖量少可以减少支护工程量。

3)对岩石扰动小,改善开挖面的施工条件,保持周围岩层的稳定性。

4)过去的掘进机对于不同地质的适应性较差,目前已有多模式掘进机应对多变地层。

 

国外历史发展

在1852年,一台蒸汽机驱动的岩石隧道掘进机在花岗岩中试验,但是未获得成功。之后的30年里,设计和制造了各式各样的掘进机,技术虽有所进步,但是均未获得真正意义上的成功。1856年美国的John Wilson制造了一台TBM在马赛诸塞州Hoosac铁路隧道的部分路段进行实验,但掘进机只掘进了3.48m就宣告失败。直至1880年由英国的Colonel Beaumont成功研制了一台直径2.13m的TBM应用于英国Mersey河下的一座隧道,并达到了周掘进3.5m的速度;1882年Colonel Beaumont制造的另外一台TBM在英法海峡隧道中开挖了两岸1.6km长的导洞。此后的70年间也持续不断地对TBM掘进机进行研究,但始终没有更好地应用与突破。直至1953年,美国的James S. Robbins制造了一台直径为7.85m的全断面隧道掘进机,并于1954年在美国南Dakota的Dahe坝的隧洞工程中得到应用,这标志着TBM真正意义上进入了使用阶段。随后1955年,又为该工程连续制造了3台直径2.44m的小型掘进机,但其在应用中暴露了碳化物割刀损坏率高、传动轴刚性不够、高压液压系统元器件易损坏等各种缺陷,因此实用性不强。1956年,研发制造直径3.28m的掘进机应用于中硬岩及硬岩中获得成功。1960年研发制造了直径4.89m的TBM成功应用在澳洲塔斯马尼亚隧道工程中:在结构设计上第一次把支撑及推进机构组合为一个全部浮动的系统,因此采用了肘节(球铰)式结构;采用撑靴压紧并固定洞壁来活动推进反力;第一次使用了永久性密封及机油润滑轴承的盘形滚刀。该TBM的成功应用是岩石隧道掘进机的发展进入新的阶段。1963年,采用直径11.2m的TBM应用于巴基斯坦Mangle坝水工隧洞中;1970年,采用直径10.65m的TBM施工瑞士的Heiteraberg铁路隧道;20世纪70~80年代,采用3台直径10.77m的TBM施工美国芝加哥TARP地下深隧;20世纪80~90年代,瑞士采用小直径TBM辅以二次扩孔的技术,建设了多个直径11m以上的公路隧道。随后,TBM施工在世界各国普遍应用起来,到21世纪,各大TBM掘进机厂商共制造掘进机700余台。

国内历史发展

TBM自主研发阶段(20世纪60~70年代)

国内对于全断面岩石掘进机的研究开始于1964年,并在1966年生产出中国第一台直径3.5m的TBM掘进机,先后在云南下关的洒洱河水电站引水隧道中进行试验,开挖地层为花岗岩和石灰岩;1969年,广州制造了一台直径4m的TBM应用在广西桂林的试验工程中;1970年1台直径2.5m的TBM掘进机应用于萍乡青山矿的巷道掘进施工并取得了成功;同年,一台直径3.5m的TBM应用于矿业项目中;1971年多个不同直径的TBM机器面世,直径分别为2.5m、5.5m、3.8m、5.9m,其后应用于矿业及水电隧道中。1977年采用直径5.8m的TBM施工云南西洱河水电站的水工隧道。

国外承包商施工阶段(20世纪80~90年代)

1981年,一台直径5.8m的TBM应用与引滦入唐工程中的古人庄隧道。1985年,中国首次从美国引进罗宾斯的大直径TBM,直径为10.8m,用以施工广西隆林天生桥水电站的水工隧道。1991年采用一台直径5.53m的套筒式岩石掘进机施工甘肃省引大入秦大型跨流域灌溉工程中的30A隧道。1994年~2000年,山西的引黄入晋工程采用了多台TBM分别施工了主干线及南干线工程。

 

直径5.8m的TBM应用与引滦入唐工程中的古人庄隧道

国内承包施工阶段(21世纪开始)

1998年,从德国Wirth公司引进2台直径8.8m的敞开式TBM,分别掘进陕西秦岭隧道的南口与北口。该工程由铁道部施工,从此国内的TBM的施工从国外承包向国内承包转型。2005年,辽宁大伙房水库输水隧洞工程采用2台罗宾斯和1台维尔特的支撑式TBM施工。2006年采用维尔特公司直径5.93m的TBM施工青海引大入湟引水隧洞;2007年,采用原施工秦岭隧道的直径8.8m的TBM施工中天山隧道。

 

德国Wirth公司直径8.8m的敞开式TBM

 

大伙房隧道采用直径8.03m的罗宾斯TBM

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