【正文】 術(shù)在 TBM 上的應(yīng)用 ?????????????? ? 36 現(xiàn)代支撐式掘進(jìn)機(jī) ?????????????????? 37 總結(jié) ?????????????????????????? 43 致謝 ?????????????????????????? 44 參考資料 ???????????????????????? 45 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 5 前 言 人口爆炸、土地退化、資源短缺、環(huán)境脆弱，當(dāng)前人類賴以生存的地球表面已不堪重負(fù)。在這種日趨嚴(yán)峻的情況下，世界各國(guó)除采取綜合性的政治經(jīng)濟(jì)措施外，都非常重視地下空間開發(fā)利用，把地下空間當(dāng)成一種新型國(guó)土資源，并稱為“地下產(chǎn)業(yè)”。人們普遍認(rèn)為：“ 19 世紀(jì)是橋梁的世紀(jì)， 20 世紀(jì)是高層建筑的世紀(jì)， 21 世紀(jì)則是地下空間的世紀(jì)” [1]。 在地下空間的開發(fā)利用中。采用全新面隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行快速施工已成為總的發(fā)展趨勢(shì)。 不同于常駐機(jī)構(gòu)規(guī)鉆爆法（俗稱“打眼放炮” ），近代掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的最大特點(diǎn)是廣泛使用電子、信息、遙 控等高新技術(shù)對(duì)全部作業(yè)進(jìn)行制導(dǎo)和臨控，使掘進(jìn)進(jìn)程始終處于最佳狀態(tài)。在相同的條件下，其掘進(jìn)速度約為常規(guī)鉆爆法的 4~10倍。最佳日進(jìn)尺可達(dá) 150m。此外，還有優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和勞動(dòng)力保護(hù)的優(yōu)點(diǎn) 。因此，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)自 20 世紀(jì) 50 年代中期進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)以來(lái)，日益受到人們的重視，已廣泛應(yīng)用于各國(guó)的能源、交通、城建、國(guó)防等部門的地下工程建設(shè)。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，不少施工企業(yè)都明確規(guī)定，對(duì)于 3km 以上的隧道，必須用掘進(jìn)機(jī)施工。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，掘進(jìn)機(jī)的類型和使用范圍也不斷擴(kuò)大。微型掘進(jìn)機(jī)的直徑 一般為 25~150cm，巨型的可達(dá) 15m。從松散軟土、淤泥，到極堅(jiān)硬的巖石（抗壓強(qiáng)度 350~450~MPa）都可應(yīng)用。不但能在巖石中掘進(jìn)，還能在軟土中掘進(jìn)的復(fù)合型掘進(jìn)機(jī)發(fā)展也很快。由于掘進(jìn)機(jī)有諸多優(yōu)勢(shì)，因此在國(guó)際上有“移動(dòng)式掘進(jìn)工廠”之稱。近年來(lái)，掘進(jìn)機(jī)向斷面多樣化、多工作面方面向發(fā)展，如已研制成功矩形的、橢圓形的、雙圓形的、三圓形的掘進(jìn)機(jī)，在開挖地鐵車站、鐵路隧道、水工隧洞等地下工程中發(fā)揮中發(fā)揮了重要作用。 20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家普遍得到應(yīng)用。用這種方法，不需對(duì)地表“開 膛破肚”就可在地下，包括水下、橋下、建筑物下開挖、更換各種管道。由于許多國(guó)際大城市通過(guò)立法，不允許在市內(nèi)采用明挖方法，進(jìn)一步促進(jìn)了微型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)形成一種新興產(chǎn)業(yè)。 從總體上看，掘進(jìn)機(jī)技術(shù)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)、新材、自動(dòng)化、信息化、系統(tǒng)科學(xué)、管理科學(xué)等高新技術(shù)的綜合密集，反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力和科技水平。 1 隧道掘進(jìn)機(jī)的研究與應(yīng)用 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 6 隧道掘進(jìn)機(jī)是一種專門用于開挖地下通道工程的大型高科技施工裝備，它具有開挖快、優(yōu)質(zhì)、安全、經(jīng)濟(jì)、有利于環(huán)境保護(hù)和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。 隨著地下工程快速技術(shù)水平的提高，隧道掘進(jìn) 機(jī)施工技術(shù)在中國(guó)得到了快速的應(yīng)用和發(fā)展。開挖的需要和科學(xué)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)在 1964 年經(jīng)周恩來(lái)總理批準(zhǔn)，在國(guó)家科委的領(lǐng)導(dǎo)下，成立了全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)攻關(guān)小組，由第一機(jī)械工業(yè)部沈鴻副都長(zhǎng)任組長(zhǎng)，開始研制巖石掘進(jìn)機(jī)，在“靠山、隱蔽、分散”及“深挖洞”口號(hào)的推動(dòng)下，大搞群眾運(yùn)動(dòng)，制造出50 多臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，基本上沒(méi)有發(fā)揮作用。 20 世紀(jì) 80 年代初，在國(guó)家科委領(lǐng)導(dǎo)下，成立了掘進(jìn)機(jī)辦公室，采取聯(lián)合攻關(guān)的方式，制造出 8 臺(tái)掘進(jìn)機(jī)，先后在云南西洱河水電站、河北引灤入津水利工程、山西太原古交煤礦等得到應(yīng)用。但與國(guó)際水平相 比，差距甚大，主要表現(xiàn)在掘進(jìn)速度上，國(guó)產(chǎn)掘進(jìn)機(jī)的月平均進(jìn)尺為 100m左右，僅為國(guó)際水平的 1/51/10，顯示不出優(yōu)越性。目前，我國(guó)研制的巖石掘進(jìn)進(jìn)機(jī)，基本上處于閑置狀態(tài) [2]。 20世紀(jì) 80后代后期我國(guó)從美國(guó) Robbino公司引進(jìn)直徑 ，用于天生橋二級(jí)水電站的長(zhǎng)隧道洞開挖，效果不太理想。 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，在甘肅引大人泰水利工程，由國(guó)外承包商使用國(guó)外掘進(jìn)機(jī)的成功實(shí)例，經(jīng)我國(guó)帶來(lái)巨大沖擊。該工程 30A 隧洞全長(zhǎng) ，開挖直徑 。由意大利 CMC 公司使用 Robbino 雙護(hù) 盾掘進(jìn)機(jī)開挖，僅用一年多時(shí)間就順利完工。平均月進(jìn)尺達(dá) 1000m，最高月尺 1500m。此后，在引黃入晉水利工程，由意大利 CMC、 IMPREGILO 等公司中標(biāo)建的總班干線，南班干線引水隧洞，均采用國(guó)外掘進(jìn)機(jī)開挖，也取得了顯著的效益。 1998 年，鐵道部泰嶺 I 號(hào)特長(zhǎng)隧道（總長(zhǎng) ）使用德國(guó) WIRTH 公司生產(chǎn)的掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開挖，經(jīng)過(guò)近 20 個(gè)月的有懈努力，克服種種困難，于 1999 年 8月 29 日提前 32 天完成了開挖任務(wù)，創(chuàng)造了全國(guó)鐵路隧道施工的最高記錄。 國(guó)外務(wù)公司開發(fā)的掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)品自成系列產(chǎn)品，使產(chǎn)品達(dá)到公司內(nèi)部 通用化，從 每把刀 20179。 104 N 增至 40179。 104 N，盤刀直徑從φ mm 增至φ 534mm，洞 內(nèi)換刀普遍由刀盤前換刀改為刀盤背面換刀新技術(shù)，成功地發(fā)展了適用于軟硬巖層的雙護(hù)盾掘進(jìn)機(jī)。羅賓斯公司近年研制實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)三護(hù)掘進(jìn)機(jī)。法國(guó)布衣格公司和德國(guó)維爾特公司先后研制了適用于軟巖的搖臂式掘進(jìn)機(jī)，可開挖圓形和矩形斷面。目前的技術(shù)水平已達(dá)到掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑φ ~，擴(kuò)孔 直徑可達(dá)φ 15m 以邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 7 上 ,適應(yīng)巖石抗壓強(qiáng)度達(dá) 250MPa~300MPa,掘進(jìn)平均月進(jìn) 600m~700m。 掘進(jìn)機(jī) 管片可分為鋼管片和預(yù)制混凝土管片，從近十多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)看，用預(yù)制混凝土管片較多，如我國(guó)的萬(wàn)家寨引黃工程、引黃入晉工程等，國(guó)外的日本宮瀨壩隧洞、愛(ài)爾蘭都柏林隧洞、英國(guó)的希思羅新隧洞等。在國(guó)外，針對(duì)不同的地層條件，有不少工程僅將管片支護(hù)作為初次支護(hù)，而后還進(jìn)行混凝土襯砌、噴鋼纖維混凝土等二次支護(hù)。如美國(guó)猶他州 Stillwater tunnel 施工過(guò)程中，為適應(yīng)擠壓地層和極度不穩(wěn)定圍巖中進(jìn)行 TBM 掘進(jìn)施工 ，首先采用鋼管片進(jìn)行一次支護(hù)，而后安裝預(yù)制混凝土二次襯護(hù)，獲得了理想的施工效果；瑞 Sorenberg Tunnel，采用的襯護(hù)形式為圓形的預(yù)制混凝土管片，外面再澆筑一層 25cm 厚的鋼纖維混凝土 (Bekaert metallic fibres RC 65/60 BN)進(jìn)行加固。而在 Lesotho Highlands 水利工程的 21km 長(zhǎng)輸水隧洞 TBM 施工中 , 為適應(yīng)不同地質(zhì)條件和覆蓋層的變化，采用了三種不同配筋率的預(yù)制混凝土管片。 目前國(guó)內(nèi)外對(duì)管片結(jié)構(gòu)計(jì)算尚無(wú)一個(gè)公認(rèn)的、準(zhǔn)確的計(jì)算方法，計(jì)算中以結(jié)構(gòu)力學(xué)法為 主，再輔以有限元法、特性曲線法分析計(jì)算，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范要求確定管片的尺寸、配筋和聯(lián)結(jié)方式等。而在荷載結(jié)構(gòu)法中的眾多計(jì)算方法中又以自由變形圓環(huán)法為主。 國(guó)內(nèi)外管片的安裝一般采用傳統(tǒng)的管片安裝機(jī)械手進(jìn)行安裝。早在 1990 年，就有報(bào)道稱日本的東京電力公司（ Tokyo Electric Power Co. ）和 IshikawajimaHarima Heavy Industries (IHI)就設(shè)計(jì)了專門用于管片安裝的機(jī)器人，該管片自動(dòng)安裝系統(tǒng)由一個(gè)電力提升裝置、管片供應(yīng)裝置和一個(gè)管片安裝機(jī)器人組成，并在 Yokohama 的洞徑為 的實(shí)際工程中得到運(yùn)用 。 TBM 施工中的質(zhì)量控制 TBM 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是由美國(guó)羅賓斯（ Robins）公司生產(chǎn)的大斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)，主要用于公路、鐵路、水利及礦山工程中大型涵洞與隧道的掘進(jìn)施工 [3]。 山西省萬(wàn)家寨引黃工程隧道開挖所采用的 6 臺(tái) TBM 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)均為雙護(hù)盾封閉式，由機(jī)頭部和后配套組成。機(jī)頭部主要由刀盤、前護(hù)盾、伸縮盾和后護(hù)盾等部分組成，主要實(shí)現(xiàn)截割、裝渣、行走等功能。后配套位于 TBM 機(jī)頭部之后，分為滾動(dòng)支撐段和軌道平臺(tái)兩部分，主要功能是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的控制 、配電、供水、排水，及運(yùn)輸裝車等，還有壓風(fēng)機(jī)、高壓油泵等輔助系統(tǒng)。前護(hù)盾為開挖系統(tǒng)，有 26 個(gè)單刀頭和 4 個(gè)雙刀頭嵌于刀盤中，開挖時(shí)通過(guò)刀盤系統(tǒng)大圓盤的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)、盤形刀頭在主推進(jìn)油缸推力的作用下向前回轉(zhuǎn)滾動(dòng)破碎巖石，開挖邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 8 的巖渣由周邊式鏟斗不斷鏟起通過(guò)漏斗和溜槽卸落到皮帶機(jī)上送入渣車。后護(hù)盾為襯砌系統(tǒng)，管片安裝器直接將預(yù)制混凝土管片安裝就位，然后縮盾，管片便脫離后護(hù)盾，隨即通過(guò)管片安裝孔（同時(shí)也是灌漿孔）豆礫石泵送至管片與圍巖間隙中，最后進(jìn)行回填灌漿。開挖和襯砌是一個(gè)連續(xù)而完整的工作循環(huán)。 TBM 的掘進(jìn)方向是 由 ZED 激光導(dǎo)向系統(tǒng)控制的。隧道施工中的測(cè)量，是將洞外測(cè)量控制網(wǎng)引入洞內(nèi)之后，輸入 ZED 激光導(dǎo)向系統(tǒng)進(jìn)行的。該設(shè)備由一種計(jì)算機(jī)控制的激光束和測(cè)斜儀組成，由激光發(fā)射器通過(guò)后靶投射到前靶上，激光束投射到安裝在距掌子面 4m 的光靶上再通過(guò)傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)讲僮魇业挠?jì)算機(jī)中心，操作人員根據(jù)顯示屏的數(shù)據(jù)控制掘進(jìn)偏差，精度可達(dá)到 1mm。通過(guò)操作面板上的操作鍵調(diào)向。 施工過(guò)程質(zhì)量控制是以工序質(zhì)量控制為核心，設(shè)置質(zhì)量控制點(diǎn)，進(jìn)行預(yù)控。TBM 隧道施工質(zhì)量控制包括開挖、管片安裝、豆礫石回填、灌漿四個(gè)工序，且前一工序往往直接影響 后一工序。只有對(duì)各工序活動(dòng)條件進(jìn)行有效控制，才能保證隧道施工質(zhì)量。所以在施工前和施工過(guò)程中，要對(duì)主要人員、原材料及中間產(chǎn)品、施工設(shè)備進(jìn)行預(yù)控和監(jiān)控，并及時(shí)檢查施工質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)分析判斷，找出產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題的原因，進(jìn)行糾偏。 TBM 施工質(zhì)量控制程序和控制點(diǎn)。 施工測(cè)量質(zhì)量控制 測(cè)量人員在將測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地輸入 TBM 激光導(dǎo)向系統(tǒng)后，日常工作便是根據(jù)已有測(cè)量控制點(diǎn)或臨時(shí)水準(zhǔn)點(diǎn)，每天或開挖一定洞長(zhǎng)后測(cè)量一次，然后將測(cè)量數(shù)據(jù)輸入激光導(dǎo)向系統(tǒng)，當(dāng)隧道轉(zhuǎn)彎時(shí)需加密測(cè)點(diǎn)，且每周利用 TBM 停機(jī)維修的時(shí)間進(jìn)行系統(tǒng) 復(fù)核。 隧道開挖過(guò)程質(zhì)量控制 除發(fā)生塌方的洞段外， TBM 開挖無(wú)超挖或欠挖，所以開挖質(zhì)量主要是指開挖軸線滿足設(shè)計(jì)要求的程度，控制了軸線偏差，也就控制了欠挖 TBM 開挖由控制系統(tǒng)控制，激光導(dǎo)向系統(tǒng)、掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)（包括刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩或刀頭最大推力、掘進(jìn)速度、推進(jìn)油缸壓力和馬達(dá)電流消耗等）均通過(guò)該系統(tǒng)來(lái)觀察和控制，隧道開挖質(zhì)量受操作人員素質(zhì)、圍巖地質(zhì)條件、掘進(jìn)機(jī)工作狀況等多種因素影響。操作人員必須是經(jīng)過(guò)專門培訓(xùn)、并有一定操作經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)工人，在開挖過(guò)程中需時(shí)刻掌握 TBM 當(dāng)前位置、前方 4m 的掘進(jìn)偏 差、掘進(jìn)機(jī)偏轉(zhuǎn)情況和掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行參數(shù)，發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)已偏離設(shè)計(jì)洞軸線要及時(shí)分析原因、調(diào)整偏差。邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 9 隧道圍巖地質(zhì)條件在一定程度上對(duì)開挖質(zhì)量有較大影響，當(dāng)掌子面上下或左右兩側(cè)的圍巖強(qiáng)度、構(gòu)造發(fā)育程度相差較大時(shí)，易產(chǎn)生掘進(jìn)偏斜；當(dāng)掘進(jìn)機(jī)通過(guò)諸如斷層碎帶、強(qiáng)風(fēng)化 ~全風(fēng)化巖石、土洞等軟弱圍巖時(shí)，機(jī)頭易下沉。當(dāng)遇到上述不利地質(zhì)條件時(shí)， TBM 操作手必須及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)速度、刀頭推力和刀盤轉(zhuǎn)速，才能有效地控制開挖偏差。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)主推力缸液壓系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)主控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，掘進(jìn)就會(huì)發(fā)生偏斜。所以，在日常維修中，要注意檢查，以避免因故障而影 響開挖質(zhì)量。 管片及安裝質(zhì)量控制 在管片運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)前，已經(jīng)過(guò)制造廠的各項(xiàng)檢查，并有出廠合格證。在管片運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)和堆放期間，不可避免地要出現(xiàn)混凝土表面損壞、止水條部分脫落等現(xiàn)象，如堆放不當(dāng)且時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)還會(huì)出現(xiàn)管片裂縫。所以在進(jìn)洞前要逐一檢查，可修復(fù)使用的在洞外修復(fù)后進(jìn)洞安裝。 管片安裝質(zhì)量是指襯砌管片的接縫、錯(cuò)臺(tái)、破損和裂縫滿足設(shè)計(jì)要求，它主要受隧道開挖質(zhì)量、管片安裝人員素質(zhì)、管片結(jié)構(gòu)尺寸誤差的影響。在 TBM 隧道施工中，襯砌和開挖面外緣近似于同心圓，當(dāng)開挖軸線為直線時(shí)，安裝管片后的洞軸線亦為直線 ；而當(dāng)開挖軸線左右或上下擺動(dòng)呈明顯的曲線時(shí)，安裝管片后的洞軸線亦為同形曲線。因通常采用規(guī)格相同的管片襯砌，當(dāng)洞軸線發(fā)生彎曲時(shí)，管片間的接縫和錯(cuò)臺(tái)就必然增大以適應(yīng)洞軸線的變化。所以對(duì)開挖質(zhì)量這一關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行有效控制，才能有效控制管片安裝質(zhì)量。管片安裝人員素質(zhì)是影響管片安裝質(zhì)量的主要因素在施工過(guò)程中，需經(jīng)常了解開挖軸線的變化情況，根據(jù)洞軸線的變化來(lái)調(diào)整管片；在直接觀察或測(cè)量管片接縫和錯(cuò)臺(tái)的同時(shí)，需測(cè)量管片的偏斜程度、輔助推力缸的對(duì)稱程度、管片背面不同部位與尾盾的間隙，在直線洞段，理論上管片左右應(yīng)該對(duì)稱，上下推力缸 間的長(zhǎng)度、左右推力間的長(zhǎng)度、管片與尾盾的間隙應(yīng)該相等。所以如發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)差異較大，說(shuō)明管片安裝偏差較大，需及時(shí)調(diào)整。在一定程度上，管片的破損率與管片的接縫和錯(cuò)臺(tái)超差量成正比，即過(guò)大的接縫和錯(cuò)臺(tái)會(huì)造成較多和較大面積的破損。所以，只有較好地控制管片接縫和錯(cuò)臺(tái)誤差，才能避免或減少管片破損率。 豆礫石回填質(zhì)量控制 邵陽(yáng)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文 ） 10 由于 TBM 隧道施工時(shí)豆礫石用量大，一般使用人工豆礫石。盡管豆礫石在運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)前已進(jìn)行了各工序的加工處理，但有時(shí)會(huì)出現(xiàn)石粉含量過(guò)大現(xiàn)象，所以現(xiàn)場(chǎng)必須進(jìn)行取樣檢驗(yàn)，石粉含量超標(biāo)時(shí)要進(jìn)行二次過(guò)篩 ，合格后方可使用。豆礫石回填質(zhì)量要控制回填順序和充填密實(shí)度。豆礫石回填前，首先用高壓風(fēng)清理洞壁巖粉，然后按從下至上的順序回填豆礫石，且要保證其充填密實(shí)。生產(chǎn)人員和質(zhì)檢人員可通過(guò)記錄回填時(shí)間、檢查管片安裝孔及直接檢查等方法控制豆礫石回填質(zhì)量。 回填灌漿質(zhì)量控制 灌漿漿液制備由設(shè)于 TBM 后配套尾部的計(jì)算機(jī)控制，漿液質(zhì)量控制是確保設(shè)備正常運(yùn)行的，每