工程机械课程设计题目：隧道工程的机械化施工姓名：***学号：********指导老师：***2012.06.10隧道工程的机械化施工我国铁路隧道机械化施工是自20世纪80年代才开始的，以衡广复线大瑶山隧道建设为起点，然后在大秦、南昆、京九、西康等铁路建设中推广完善，形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式。

可以说，大瑶山隧道是我国铁路隧道钻爆法机械化施工技术发展的标志，20世纪90年代西康铁路秦岭特长隧道则是全断面硬岩掘进机(TBM)施工技术发展的标志。

这两次技术飞越对我国隧道施工技术发展影响甚大。

它不仅使隧道施工进度明显加快，而且使人们认识到大规模机械化作业是今后隧道施工技术的发展方向。

没有机械化，就不会有快速施工，就难以在较短时期内完成各类大规模的隧道建设任务，这一点目前在铁路建设施工企业中已形成共识。

而其他各种施工技术也必须在机械化条件下来实施，并且要与机械化施工的要求相适应才能继续发展下去。

21世纪是隧道与地下工程更加迅速发展的世纪。

未来几十年，我国交通隧道的工程规模将越来越大，技术难度也越来越高。

为加快工程建设，必须迅速提高机械化施工技术水平，推进国产化装备的技术进步。

主要机械设备隧道机械是对隧道进行掘进、开凿平直等操作的机械设备。

隧道机械主要包括：凿岩台车、掘进机、盾构机、喷锚机和衬砌模板台车等。

隧道机械具有自动化程度高、性能可靠、操作方便、生产效率高、掘进速度快、适应性强、节省人力等优点。

下面分别介绍这几种隧道机械。

一、凿岩台车凿岩台车是将凿岩机和推进装置安装在钻臂上进行凿岩作业的设备，它的使用标志着凿岩机机械化水平进一步提高。

它提高了凿岩效率，减轻了工人的劳动强度，改善了劳动条件。

主要由凿岩机及推进器、支臂及变幅机构、车架及行走机构、风水系统和液压系统等组成。

工作时包含以下运动：a、台车进入和退出工作面；b、在断面任何位置以任何角度钻眼；c、凿岩机沿钻孔轴线前进和后退。

二、喷锚机械主要包括锚杆台车和混凝土喷射机。

锚杆台车是在隧道施工中用于围岩支护的专用设备，在需要锚杆支护的地方用锚杆台车进行钻孔、注浆、插入锚杆，全套工序都由锚杆台车完成。

锚杆台车由台车底盘、大臂、锚杆机头等组成。

喷射混凝土有干喷和湿喷两种方式。

干喷是先用搅拌机将骨料和水泥干拌均匀，投入喷射机料斗，同时加入速凝剂，用压缩空气将混合料输送到喷头，在喷头处加水喷向岩面。

湿喷是把水加在搅拌机里，投入喷射机的是已拌好的成品混凝土，速凝剂在喷头处加入。

喷射机是喷射混凝土的关键设备，分干式喷射机和湿式喷射机两种。

干式喷射机主要有转子式、螺旋式、鼓轮式等。

湿式喷射机主要有双罐式、螺旋式、挤压软管泵式、活塞泵式和离心式喷射机。

三、衬砌模板台车隧道衬砌模板台车由一部台车和数套钢模板组成。

模板以型钢为骨架，上铺钢板形成外壳，并设有收拢机构，通过安装在台车上的电动液压装置，进行立模与拆模。

模板与台车各自为独立系统，每段衬砌灌注混凝土完毕后，台车与模板脱离，衬砌混凝土由模板结构支撑。

台车将后面另一段以灌混凝土可以拆模的模板收拢后，由电平车牵引，穿过安装好的模板后，到达前方欲灌注段进行立模作业。

衬砌模板台车由钢模板、台车和液压系统三大部分组成，它的作用是减轻劳动强度、加快作业速度、节省人力钢材和木料，并且高效优质和安全。

四、全断面隧道掘进机（TBM）全断面隧道掘进机，简称TBM ( Tunnel Boring Machine ），是二十世纪五十年代在美国发展起来的地下工程施工机械，现在已经成为一种具有高科技水平的隧道（洞）施工机械。

它由主机和后配套两部分组成：主机主要有刀盘、驱动系统、支撑推进系统、皮带输送机等，用于破碎岩石、集碴转载；后配套主要有管片安装机械手、豆粒石灌注机、运碴机车与车厢、翻碴机、弓型管片运输车等，用于出碴和支护。

TBM 法施工的掘进过程是：支撑系统把主机架牢固地锁定在已开挖的隧道洞壁上，推进油缸以支撑系统为支点，把推力施加给主机架和刀盘，而刀盘上装有滚刀并由电机驱动旋转，在强大的推力和扭矩的作用下，滚刀剪切挤碎岩石而一次性形成圆型断面。

崩落在隧底的岩碴被随刀盘旋转的均布在刀盘上的铲斗、刮板收集在皮带机上，通过皮带机运送到运碴车卸碴，然后运到洞外出碴。

TBM 法施工的一个掘进循环是：超前地质预报～实施超前加固（视情况而定）～掘进、卸碴出碴（包括底部清碴）、初期支护、仰拱块铺设、轨道延伸～换步、调向～进入下一个掘进循环。

推进油缸推进一个行程，掘进机就掘进一个循环。

TBM 是超大型的综合系统，设备的特点决定了TBM 施工与钻爆法施工不同：( l ）超大型综合设备；( 2 ）隧道工厂化施工，要求较安全的运输通道和组装场地及配套设备；( 3 ）施工速度快，l - 3 . 5 m /h ，要求材料、配件的供给储存必须满足需要；( 4 ）设备复杂，要求配套设施齐全，且布局合理；对地质较敏感，灵活性小，对前期配套工程的依赖性强；( 5 ）施工环节多，相互协调要求高；( 6 ）用水量、用电量、刀具消耗量大。

TBM 前期配套工程由于TBM 的施工特点，决定了前期工程必须满足施工需要，否则将影响施工效率和工程效益。

一般来说，前期工程应有：( l ）运输通道；在新线工程设计时，考虑TBM 施工的先决条件，必须能够顺利将TBM 运输到施工现场，而且运输路程较短（指工程便道）、造价低。

( 2 ）组装场地、临时存放场地、预备洞室、起步洞室；起步洞室的长短、大小取决于TBM 的刀盘直径及刀盘前面到TBM 前外凯的距离。

大于该距离也能满足施工要求，但易造成施工浪费。

( 3 ）仰拱块预制工厂、混凝土拌合站、仰拱块存放场地；( 4 ）刀具、机车、材料车、碴车维修存放、仓储场地；( 5 ）运输轨线及翻车机安装工程；( 6 ）供电、供水设施场地；( 7 ）机械加工、维修场地；( 8 ）材料、配件仓储场地；( 9 ）员工生活区工程。

TBM法的优缺点：优点：1）快速：掘进机可以实现连续掘进，能同时完成破岩、出碴、支护（衬砌）等作业，流水线作业一次成洞，速度快，效率高。

在引大入秦38号隧洞（Ф5 . 53m ）施工中，平均月成洞1100m，最高月成洞1400m，最高日成洞75.2m。

TBM掘进速度是钻爆法的5-20倍。

2）优质：TBM开挖是机械破岩，避免了隧洞围岩因爆破而受到破坏，开挖洞壁完整光滑。

3）经济：TBM施工长隧洞减少了钻爆法长洞短挖所需的支洞及临建设施的投资。

TBM超挖量小，可节省支护衬砌量33-67%。

在人员数量上，一般比钻爆法少30-40%。

4）安全。

对围岩扰动小，围岩出露后能及时进行初期支护，使围岩失稳和发生塌方的几率减少到最小。

5）施工环境好。

开挖灰尘量大大降低，本身配有强大的除尘、降温、通风和空气监控系统，使施工环境大大改善；又因机械化程度高，是工人的劳动强度不高。

缺点：1）一次性投资大，重量大，运输安装费时费力。

秦岭隧道引进的TB880E型掘进机（Ф8 . 80m ) ，光主机就是3500 万美元/台，950 吨重。

组装、调试至少要三个月时间。

2 ）能源消耗大，比钻爆法多30 ％以上。

3 ）对围岩地质条件要求比较高，对地质条件变化的适应性差。

而深埋长大隧道必然要穿过不同地质岩层，这就使TBM 的使用受到限制。

TBM 对中硬岩或软岩最适宜，对硬岩可以使用，但由于刀具磨损太快，工效要受到影响。

对于断层破碎带严重的地层，岩溶发育地区、地下水丰沛地段，不宜使用TBM 。

作好地质条件超前预报，对于TBM 施工是十分重要的。

4 ）由于结构特点所决定，开挖成形的隧道截面只能是圆形，所以犯M 适用于设计为圆截面的隧洞。

5 ）开挖直径可调范围不大，只能按工程设计专门定作TBM 。

这就造成了使用的专用性和制造时的单台或小批量生产。

使制造成本和售价居高不下。

在施工结束后，专门制造的TBM 的后续使用就可能成为问题。

有可能闲置不用，造成浪费。

使用掘进机应该注意的问题：1）、一定要根据每条隧道的具体水文条件、工程地质和岩石力学等客观条件来认真的选择掘进机的型号；2）、绝积极的刀盘直径以4~8m为好；3）、要重视掘进机的后配套；4）、在每台掘进机上最好能配置1台超前钻机，以便在需要时能提前探明前方的地质构造情况和采取欲灌浆等处理措施；5）、要特别重视掘进机上关键部件的加工制造质量；6）、为实现安全和快速掘进，掘进机刀盘上的滚刀要能从后面更换。

五、盾构机（shield）1、概述：盾构是一种集开挖、支护和衬砌等多种作业于一体的大型隧道施工机械，是用钢板作成圆筒形的结构物，在开挖隧道时，作为临时支护，并在筒形结构内安装开挖、运渣、拼装隧道衬砌的机械手及动力站等装置，以便能安全地作业。

它主要用于软弱、复杂等地层的铁路隧道、公路隧道、城市地下铁道、上下水道等的隧道施工。

使用盾构机械来建筑隧道的方法称为盾构施工法。

施工程序是：建造竖井或基坑，将盾构掘进机吊入井内并安装就位；在盾构前部盾壳下挖土（机械挖土或人工挖土），一面挖土，一面用千斤顶向前顶进盾体，顶至一定长度后（一般为一片衬砌圈的宽度），再在盾尾拼装预制好的衬砌块，并以此作为下次顶进的基础，继续挖土顶进。

在挖土的同时，将土屑运出盾构，如此不断循环直至修完隧道为止。

盾构法于1825 年在英国伦敦泰晤士河下首次使用，经过170 多年的技术开发，已能适应在各种复杂地层条件和施工环境中使用。

由于城市的发展，地下铁道及其他城市基础设施建设急剧增加，以及城市环境保护和城市人口过度密集等条件的制约，明挖法所遇到的限制越来越多。

随着土压式盾构、泥水加压式盾构的出现，对于不良地质地段和防止地面下沉的措施日益完善，盾构法已从特殊施工方法成为一般施工方法，并将逐步取代明挖法。

盾构法是现阶段世界上修建隧道最先进的施工方法之一。

当前已完工或正在施工的三大海底隧道工程：英法海峡隧道、丹麦海峡隧道、东京湾海底隧道。

2、盾构的原理和结构简介盾构种类较多，其施工方法也各不同，现介绍如下：2·1手工挖掘式盾构手工挖掘式盾构是盾构的最基本形式，其他形式的盾构都是由此而发展起来的。

手工挖掘式盾构虽然在性能上有许多缺点，使用范围也受到一定程度的限制，但由于它所具有的优点，却仍受到重视而在继续使用。

手工挖掘式盾构构造由盾壳、支护结构、推进机构、拼装机构、附属装置等5 部分组成。

2·2土压平衡盾构( l ）主要组成部分：①刀盘切削系统；②推进系统；③加泥与注浆系统；④螺旋输送机系统；⑤管片拼装系统；⑥盾尾密封系统；⑦皮带运输机系统；⑧数据采集与监控系统；⑨后续台车系统；⑩管片吊运系统。

( 2 ）主要系统的功能：①盾壳由切口环、支承环与盾尾3 个部分组成，其作用是保护人和设备在地下正常掘进，主要承受土体压力和掘进过程中千斤顶的推进力。