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隧道掘进机

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瑞士联邦圣哥达基线隧道开挖的全断面隧道掘进机。
全断面隧道掘进机的正面照片。
杭州地铁建设中使用的软土隧道盾构机

全断面隧道掘进机(英语:tunnel boring machine,缩写TBM)也称隧道潜盾机盾构机俗称小约翰大约翰香港旧译“隧道盾”),是一种专门用来开凿隧道的大型机具。该机具有一次开挖完成隧道的特色,从开挖、推进、撑开全由该机具完成,开挖速度是传统钻爆工法的5倍。然而该机具完全无法模组化,只能依照开挖隧道的直径订作,因此购买价格不菲。

历史

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全断面隧道掘进机于1853年诞生,设计者为Charles Wilson,首用于美国马萨诸塞州西部的胡萨克隧道的挖掘上,在页岩中边掘进边支护隧道壁。但该台掘进机仅仅前进10呎便告损毁,后该隧道改采传统人工挖掘方式,延迟至1875年始告竣工[1]。全断面隧道掘进机的首起使用成功案例为美国南达科他州奥阿希大坝英语Oahe Dam,于1952年投入使用,并在1962年竣工[2]。然而隧道掘进机的打响名号,仍迟至1988年起的英法海底隧道建设工程。

全断面隧道掘进机的分类

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全断面隧道掘进机可分为:

岩石隧道掘进机

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  • 开敞式(open-type TBM),也称支撑式TBM或撑靴式TBM。特点是适应硬岩地层,没有盾构,使用支撑靴(gripper)和前后支撑交替撑紧洞壁上以承受TBM向前掘进的巨大反作用力与反扭矩,并可以调整掘进方向。 如果遇到局部不稳定岩层,开敞式TBM可以使用辅助设备打锚杆、加钢丝网、喷混凝土、加圈梁等方法加固,以保持洞壁稳定。当遇到局部特软弱围岩或破碎带,开敞式TBM使用自带的超前钻及灌浆设备,预先固结掘进前方的一段围岩,待围岩强度自稳后再安全掘进。永久性的洞壁衬砌待全线贯通后再集中进行。在西康铁路秦岭隧道施工、天生桥二级水电站引水隧道施工
  • 护盾硬岩TBM(shielded hard rock TBM)用于破碎岩层,在TBM后方混凝土衬砌支撑不稳定的洞壁。又可分为:
    • 双护盾TBM(double shield TBM)具有两种模式:在稳定岩层用支撑靴稳定TBM掘进;在不稳定岩层、破碎岩层,用TBM之后的洞壁作为支撑来稳定TBM;若岩层过于坚硬,可辅以地面预钻及钻爆工序,使岩层破碎,从而让TBM更易通过。
    • 单护盾TBM(single shield TBM)用于破碎岩层,依靠混凝土洞壁来支撑稳定TBM

软土隧道掘进机

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  • 开敞式(open-face)软岩掘进机,用于稳定且少水的地层。掘进出的隧道土质洞壁在短期内保持直立稳定,不需要衬砌支护。
  • 封闭式(closed-face)或压力平衡式软岩掘进机
    • 土压平衡式(earth pressure balanced)TBM 由刀盘切割土层,切削下来的土进入土仓(也叫开挖舱)并与工作面的水土压力保持平衡。土仓内的螺旋输送机出土量与刀盘的推进量取得平衡,进行连续出土工作。土压的稳定依靠刀盘切削速度、推进力和螺旋输送机的转速联合协调进行。
    • 泥水平衡式(slurry pressure balanced)TBM用于水压很大、地下水丰富的土层掘进(如过江、跨海隧道等)。在刀盘后部为泥水室,里面的泥水与工作面的压力保持平衡,以保证开挖面泥土地层稳定。从泥水室取出的泥水要水-土分离,分离出的水用于泥水室与工作面加压;分离出的土装车运出隧道。

特殊的隧道掘进机

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大直径超小转弯硬岩隧道掘进机:2021年5月在中铁装备天津公司下线的“抚宁号”硬岩隧道掘进机,开挖直径9.53米,设计转弯半径90米,整机总长85米,总重1700吨。该机用于河北省秦皇岛市抚宁抽水蓄能电站进厂交通洞和通风兼安全洞的施工建设,该工程线路全长2226.7米,最小转弯半径90米,最大设计纵坡9.02%。

参与的重要工程

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相关条目

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参考文献

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  1. ^ Hooac Tunnel Historical Notes. North Adams Public Library. [2015-05-22]. (原始内容存档于2013-01-21) (英语). 
  2. ^ Just Keep Digging: A Brief History of Tunnels. Popular Mechanics. [2015-05-22]. (原始内容存档于2020-10-29) (英语). 
  3. ^ D.威利斯、程方权. TBM的发展历程. 水利水电快报: 24-26. doi:10.3969/j.issn.1006-0081.2013.11.010. 
  4. ^ 香港前地铁公司制作施工纪录片《地铁》第二部分
  5. ^ 走近科学 洞穿秦岭(下). cctv on youtube. [2017-09-22] (中文). 

外部链接

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