掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論

序一

序二

前言

第1章 TBM的發(fā)展及展望

第2章 TBM的分類、組成及選型

第3章 TBM施工原理

第4章 巖體的可掘特性分析

第5章 TBM隧道開挖巖石物理力學(xué)試驗

第6章 巖體參數(shù)對TBM施工的影響

第7章 TBM施工預(yù)測

第8章 混合地層對TBM開挖的影響

第9章 錦屏二級水電站引水隧洞TBM施工實例

附錄 2100433B

本書系統(tǒng)介紹掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展歷程、應(yīng)用現(xiàn)狀與展望，掘進(jìn)機(jī)的分類、組成、選型原則與實例；從掘進(jìn)機(jī)與巖體相互作用的角度研究滾刀破巖規(guī)律、巖體各因素對掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程的影響；從優(yōu)化破巖的角度研究刀盤優(yōu)化設(shè)計、掘進(jìn)機(jī)的推力、扭矩設(shè)計、支護(hù)體系設(shè)計原則。

兩類隧道掘進(jìn)機(jī)：在我國，習(xí)慣上將用于軟土地層的稱為盾構(gòu)，將用于巖石地層的稱為TBM。

隧道掘進(jìn)機(jī)意義

隧道掘進(jìn)機(jī)包含盾構(gòu)和TBM。一般來說，在歐洲，盾構(gòu)也稱為TBM；但在日本和我國，習(xí)慣上將用于軟土地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為盾構(gòu)，將用于巖石地層的隧道掘進(jìn)機(jī)稱為TBM。其實，TBM就是隧道掘進(jìn)機(jī)的英文“Tunnel Boring Machine”的縮寫，但通常定義中的TBM是指全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)，是以巖石地層為掘進(jìn)對象，它與盾構(gòu)的主要區(qū)別就是不具備泥水壓、土壓等維護(hù)掌子面穩(wěn)定的功能。

21世紀(jì)是地下空間的世紀(jì)，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國城市化進(jìn)程不斷加快，今后相當(dāng)長的時期內(nèi)，國內(nèi)的城市地鐵隧道、水工隧道、越江隧道、鐵路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程將需要大量的隧道掘進(jìn)機(jī)。隧道掘進(jìn)機(jī)是一種高智能化，集機(jī)、電、液、光、計算機(jī)技術(shù)為一體的隧道施工重大技術(shù)裝備。在發(fā)達(dá)國家，使用隧道掘進(jìn)機(jī)施工已占隧道總量的90%以上。由于隧道掘進(jìn)機(jī)的制造工藝復(fù)雜，技術(shù)附加值高，目前國際上只有德國、美國、日本、法國、加拿大等少數(shù)幾個國家的企業(yè)具有能力生產(chǎn)，且造價高昂。隧道掘進(jìn)機(jī)在國內(nèi)尚處于起步階段，主要依賴進(jìn)口，在國內(nèi)的隧道建設(shè)中，德國和日本在中國的隧道掘進(jìn)機(jī)市場占有率高達(dá)95%以上，處于絕對壟斷地位。若不及早改變這一現(xiàn)狀，就會在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)，在地下工程建設(shè)中，面臨高額施工成本和技術(shù)上受制于外企的尷尬境地。實施隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化，既可打破外企在國內(nèi)市場一統(tǒng)天下的局面，又能促進(jìn)和帶動相關(guān)的機(jī)電、液壓、材料、傳感器等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，增強(qiáng)裝備制造業(yè)綜合實力，提高我國重大裝備在國際市場上的競爭力。

隧道掘進(jìn)機(jī)成果

1、 產(chǎn)業(yè)化基地建設(shè)

2、 土壓平衡盾構(gòu)的自主設(shè)計與制造

3、 大直徑泥水盾構(gòu)消化吸收與設(shè)計

大直徑泥水盾構(gòu)消化吸收與設(shè)計是以中鐵隧道集團(tuán)為主、由上海隧道股份、浙江大學(xué)等單位協(xié)助的國家“863”計劃重大專項課題。目前已經(jīng)完成《國內(nèi)外大直徑泥水盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展研究報告》；完成了泥水盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機(jī)理研究，掘進(jìn)系統(tǒng)、主驅(qū)動系統(tǒng)、管片拼裝系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和泥水輸送系統(tǒng)技術(shù)剖析研究；以武漢11.38m泥水盾構(gòu)為依托，完成了9m泥水盾構(gòu)設(shè)計工作；完成了泥水盾構(gòu)控制系統(tǒng)模擬試驗臺的設(shè)計和制造，模擬盾構(gòu)的直徑為2.5m，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國內(nèi)較大的實物模擬盾構(gòu)試驗平臺。

隧道掘進(jìn)機(jī)方式分析

1 、外企與國企合作方式

2、 國企獨立制造方式

隧道掘進(jìn)機(jī)是根據(jù)隧道施工對象“度身定做”的，不同于常規(guī)的大型設(shè)備，其核心技術(shù)不在于設(shè)備本身的機(jī)電工業(yè)設(shè)計，而在于設(shè)備如何適用于各類工程地質(zhì)，需要在長期的從實踐到理論，再從理論到實踐的反復(fù)探索，才能形成一套針對不同地質(zhì)條件的隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計理論、模擬試驗方法和系統(tǒng)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)，因此需要幾十年以上的工程施工經(jīng)驗和對地質(zhì)情況的理解。由于國內(nèi)制造工廠的工業(yè)設(shè)計人員具備地質(zhì)經(jīng)驗需要相當(dāng)長的時間，在短期內(nèi)不能完成隧道掘進(jìn)機(jī)的總體設(shè)計。因此，國內(nèi)制造工廠獨立制造方式至少在10年內(nèi)不能制造出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的盾構(gòu)。

3 、施工企業(yè)產(chǎn)業(yè)化方式

隧道掘進(jìn)機(jī)模式探討

1 、產(chǎn)業(yè)價值鏈分析

隧道掘進(jìn)機(jī)是根據(jù)隧道施工對象“度身定做”的，正如裁縫根據(jù)具體的人進(jìn)行“量體裁衣”一樣。隧道掘進(jìn)機(jī)的制造特點是以工程為依托，根據(jù)施工環(huán)境（基礎(chǔ)地質(zhì)、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、地貌、地面建筑物及地下管線和構(gòu)筑物等特征）進(jìn)行模塊化設(shè)計和制造。隧道掘進(jìn)機(jī)的特殊性決定了隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈體系建立在以工程為依托，系統(tǒng)設(shè)計為核心，相關(guān)配件制造企業(yè)加盟生產(chǎn)，施工單位配合使用的基礎(chǔ)上，其設(shè)計、制造必須與工程項目緊密結(jié)合。

2、 歐美模式

歐美模式在產(chǎn)業(yè)鏈上的主要特征是自主設(shè)計，自主組裝，同時為用戶提供技術(shù)服務(wù)，部件制造則采取全球采購或采取和相關(guān)重型制造企業(yè)結(jié)成戰(zhàn)略聯(lián)盟的形式。其產(chǎn)業(yè)價值鏈見圖6，其核心是以系統(tǒng)設(shè)計為主。

3 、日本模式

和歐美模式不同，日本企業(yè)都是制造企業(yè)，企業(yè)本身就有較強(qiáng)的大型機(jī)械設(shè)備制造能力，并把先進(jìn)制造技術(shù)作為核心競爭力加以保護(hù)。日本模式在產(chǎn)業(yè)鏈上的主要特征是自主設(shè)計、自主采購、自主制造（關(guān)鍵部件自主制造，通用部件分包）、自主組裝，并為客戶提供技術(shù)服務(wù)。其產(chǎn)業(yè)價值鏈見圖7，其核心是以制造業(yè)為主。

4 、中國模式

按照中國的國情，隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)該走設(shè)計、制造、施工一體化道路，走施工企業(yè)產(chǎn)業(yè)化方式。施工企業(yè)實現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化的模式，既不同于歐美企業(yè)最初源于設(shè)計公司，也不同于日本企業(yè)源于重型制造工廠，施工企業(yè)隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化以施工為核心，是一個邊施工、邊反饋、邊制造、邊提升的過程，其產(chǎn)業(yè)化模式是從產(chǎn)業(yè)價值鏈的末端向前延伸，見圖8，其核心是以施工為主。

5 、產(chǎn)業(yè)化實現(xiàn)途徑

施工企業(yè)實現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化的途徑關(guān)鍵在于如何實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)制造能力，其重點是實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的自主能力，有效地利用國內(nèi)、國外兩種資源和兩個市場，實現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)最佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

產(chǎn)業(yè)化的前期采取 “自主設(shè)計，國際采購，國內(nèi)制造、國內(nèi)總裝”的產(chǎn)業(yè)化理念，走具有中國特色的“引進(jìn)－消化－仿制－創(chuàng)新”的研發(fā)路線，通過不懈努力和技術(shù)攻關(guān)，研制出擁有核心技術(shù)和自主知識產(chǎn)權(quán)的隧道掘進(jìn)機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)計可采取自主研發(fā)或技術(shù)并購的方式，生產(chǎn)制造可以在國內(nèi)組建區(qū)域性產(chǎn)業(yè)化戰(zhàn)略聯(lián)盟，關(guān)鍵部件通過合作伙伴生產(chǎn)，或通過控股合作伙伴進(jìn)行關(guān)鍵部件生產(chǎn)。

隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化方向

“十一五”期間，在全國范圍內(nèi)形成2～3個隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化基地，每個基地具備年產(chǎn)20臺隧道掘進(jìn)機(jī)的能力。全面提升我國隧道掘進(jìn)機(jī)制造業(yè)的技術(shù)水平，土壓盾構(gòu)系列化、產(chǎn)業(yè)化研究成果達(dá)國際先進(jìn)水平；泥水盾構(gòu)、復(fù)合型盾構(gòu)和TBM研究成果填補(bǔ)國內(nèi)空白，使中國隧道掘進(jìn)機(jī)的總體水平步入國際先進(jìn)行列。

1 、土壓平衡盾構(gòu)產(chǎn)業(yè)化、系列化

完成土壓平衡盾構(gòu)的產(chǎn)業(yè)化、系列化，在“十一五”末期，在國內(nèi)新增土壓平衡盾構(gòu)中，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)的市場占有率達(dá)到30%。

2 、泥水盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)的研制

完成泥水盾構(gòu)技術(shù)的消化吸收、系統(tǒng)集成設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試技術(shù)研究，并研制出樣機(jī)，掌握泥水盾構(gòu)的自主知識產(chǎn)權(quán)關(guān)鍵技術(shù)。

完成地鐵用復(fù)合盾構(gòu)的系統(tǒng)集成設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試技術(shù)研究，并初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，在“十一五”末期，在國內(nèi)新增復(fù)合盾構(gòu)中，具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)復(fù)合盾構(gòu)的市場占有率達(dá)到20%。

3 、TBM關(guān)鍵技術(shù)研究

通過消化吸收，進(jìn)行TBM的系統(tǒng)集成設(shè)計，完成TBM的總體設(shè)計。

隧道掘進(jìn)機(jī)相關(guān)文件

國務(wù)院國發(fā)[2006]8號《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》文件將“滿足鐵路、水利工程，城市軌道建設(shè)項目的需要，加快大斷面巖石掘進(jìn)機(jī)等大型施工機(jī)械的研制，盡快掌握關(guān)鍵設(shè)備制造技術(shù)”列入16項重大技術(shù)裝備之一。因此，加速發(fā)展我國隧道掘進(jìn)機(jī)的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化勢在必行。隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化宜以施工企業(yè)為主，通過組建施工、設(shè)計、制造、科研四位一體的隧道掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)業(yè)化聯(lián)盟，建立和完善產(chǎn)業(yè)化基地，實現(xiàn)隧道掘進(jìn)機(jī)的自主開發(fā)和成套提供的總體目標(biāo)，提高我國重大技術(shù)裝備的國際競爭力。同時，國家應(yīng)予以政策支持，確定隧道掘進(jìn)機(jī)國家定點企業(yè)，定點企業(yè)享受關(guān)鍵配套件免征進(jìn)口稅優(yōu)惠政策及其它國家重大技術(shù)裝備開發(fā)優(yōu)惠政策，將隧道掘進(jìn)機(jī)的開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化項目列為國債項目，給予定點企業(yè)技改貼息重點支持，以推動隧道掘進(jìn)機(jī)的產(chǎn)業(yè)化。

隧道掘進(jìn)機(jī)是用機(jī)械破碎巖石、出碴和支護(hù)實行連續(xù)作業(yè)的一種綜合設(shè)備。按掘進(jìn)機(jī)在工作面上的切削過程，分為全斷面掘進(jìn)機(jī)和部分?jǐn)嗝婢蜻M(jìn)機(jī)。按破碎巖石原理不同，又可分滾壓式（盤形滾刀）掘進(jìn)機(jī)和銑切式掘進(jìn)機(jī)。中國產(chǎn)品多為滾壓式全斷面掘進(jìn)機(jī)，適于中硬巖至硬巖。銑切式掘進(jìn)機(jī)適用于煤層及軟巖中。在推進(jìn)油缸的軸向壓力作用下，電動機(jī)驅(qū)動滾刀盤旋轉(zhuǎn)，將巖石切壓破碎，其周圍有勺斗，隨轉(zhuǎn)動而卸到運(yùn)輸帶上。硬巖不需支護(hù)，軟巖支護(hù)時可噴射、澆灌混凝土或裝配預(yù)制塊。該機(jī)在巖性均勻、巷道超過一定長度時使用，經(jīng)濟(jì)合理。