《隧道钻掘机械概述》课件

隧道钻掘机械概述现代隧道工程的核心装备高效钻掘技术助力基础设施建设课程目标掌握基础知识了解隧道钻掘机械的分类与特点理解工作原理熟悉各类隧道钻掘设备的结构与功能学习选型方法能够根据工程需求选择合适的钻掘设备把握发展趋势了解隧道钻掘技术的未来发展方向目录隧道钻掘机械发展历史早期开挖方法到现代钻掘技术隧道钻掘机械分类按地质条件、钻掘方式、断面形状各类钻掘机械详解、盾构机、悬臂式掘进机等TBM关键部件与选型核心系统及工程应用选择方法操作维护与未来趋势日常使用与智能化发展方向第一章隧道钻掘机械发展历史人工开挖时代机械辅助时代以手工工具为主引入钻孔爆破技术智能化时代机械化时代自动化与信息技术融合掘进机械的诞生与应用早期隧道开挖方法

1.1手工凿岩火烧法早期爆破使用锤子、凿子等利用热胀冷缩使岩采用黑火药进行简简易工具石开裂易爆破人工出渣人力或畜力搬运碎石土方机械化隧道钻掘的兴起

1.21825首台掘进机英国工程师马克·伊萨姆贝德发明1853改良设计法国人引入液压技术1880商业应用阿尔卑斯山隧道首次大规模应用1950现代化设计全断面掘进机雏形出现现代隧道钻掘机械的发展

1.31970年代全断面TBM技术成熟1980年代盾构技术广泛应用1990年代复合式掘进机出现2000年代智能控制系统普及2010年代大直径超长隧道施工第二章隧道钻掘机械分类按地质条件按钻掘方式硬岩、软岩、复合地层全断面、部分断面、钻爆法按功能特点按断面形状开挖型、支护型、综合型圆形、矩形、异形按照地质条件分类

2.1硬岩掘进机软岩掘进机适用于完整坚硬岩体适用于松散软弱地层以机械破碎为主要工作方式需配备护盾和支护系统无需或较少支护措施重视地层稳定性控制复合地层掘进机适应多变地质条件具备模式转换能力结构复杂、成本较高按照钻掘方式分类

2.2全断面掘进部分断面掘进钻爆法掘进整个断面同时开挖分步开挖不同区域钻孔装药爆破开挖按照断面形状分类

2.3圆形断面掘进机非圆形断面掘进机可变断面掘进机最常见类型特殊工程需求适应断面变化需求受力均匀、稳定性好技术难度大设计制造难度极大适用于、盾构施工包括矩形、马蹄形等应用案例较少TBM隧道直径范围广设备复杂度高技术仍在发展中第三章全断面隧道掘进机（）TBM高效率连续作业、快速掘进高安全机械化作业、减少人工高精度导向系统控制、偏差小环保性好粉尘控制、降低污染的基本结构

3.1TBM掘进系统刀盘及刀具装置推进系统液压推进装置出渣系统输送带运输装置支护系统衬砌安装装置导向系统测量与控制装置硬岩

3.2TBM适用地质完整坚硬岩体，岩石强度50MPa刀具特点以盘形滚刀为主，高硬度合金材质工作方式以挤压破碎为主，刀盘高扭矩低转速性能指标日进尺米，寿命长达数万小时10-40软岩

3.3TBM刮刀式刀盘护盾装置地层改良系统采用刮刀代替滚刀，减小切削阻力防止地层塌陷，维持洞壁稳定注入泡沫或添加剂改善掘进条件复合式

3.4TBM多模式切换功能技术优势应用案例可在不同地质条件下转换工作模式适应复杂多变地质长距离隧道工程硬岩模式使用滚刀切削减少设备更换时间地质条件多变区域软岩模式启用泥水或土压平衡系统降低工程总成本城市地下综合管廊提高施工连续性第四章盾构机起源发展源于世纪英国泰晤士河隧道19主要应用城市地铁、水下隧道、公路隧道核心优势安全高效、精度高、环境影响小盾构机的基本结构

4.1前盾包含刀盘系统，保护掘进工作面中盾安装主驱动系统和铰接装置后盾布置辅助设备和管片拼装系统刀盘系统安装各种刀具，执行切削作业出渣系统清除掘进面产生的渣土管片拼装系统安装预制混凝土衬砌管片土压平衡盾构机

4.2平衡原理适用地层压力控制利用开挖土体作为粘性土、砂质土、螺旋输送机调节土支撑介质低透水性地层仓压力主要应用城市地铁、市政管网等浅埋工程泥水平衡盾构机

4.3工作原理适用地层利用泥浆作为支撑介质砂卵石层形成土压与水压的平衡高渗透性地层通过压力舱控制泥浆压力含水丰富地层系统组成泥浆循环系统泥浆分离系统压力控制系统复合式盾构机

4.4模式转换技术难点可在土压与泥水模式间切换转换机构复杂，密封要求高典型应用成本因素地质条件多变的长距离隧道设备造价高，维护费用大第五章悬臂式掘进机悬臂式掘进机的基本结构

5.1截割部分悬臂部分行走部分123安装截割头，进行岩石切削支撑截割头，实现多方向移动履带或轮式底盘，提供移动能力装载部分电液控制系统45收集并转运切削下的岩石控制各部分协调工作悬臂式掘进机的工作原理

5.2定位就位调整机身位置，稳定机体截割作业旋转截割头切削岩石装载出渣铲装系统收集并转运渣料前进repositioning完成一个循环后向前移动悬臂式掘进机的应用范围

5.3地质适应性断面特点工程优势软质至中硬岩石断面形状灵活多变投资相对较小岩石强度一般可开挖圆形、矩形、拱形机动性好，转场方便100MPa地质条件变化大的区域适合小中型断面维修简单，零部件通用性高不适合高硬度完整岩体断面面积一般可与其他施工方法结合使用50m²第六章钻爆法隧道施工设备钻孔台车装药设备出渣设备多臂液压钻机，高效打孔乳化炸药泵车，安全装填铲运机和自卸车，快速清渣钻孔设备

6.12-430-50钻臂数量钻孔深度常见钻孔台车钻臂配置常规爆破循环进尺厘米30-1203-5钻孔数量钻进速度每个循环的典型钻孔数硬岩中每分钟钻进米数装药设备

6.2乳化炸药车装药器现场混装乳化炸药气动或手动操作自动计量系统适用于各种炸药类型远程控制装药轻便易操作起爆系统电子雷管装配设备延时控制装置安全检测仪器出渣设备

6.3铲运机（LHD）输送带系统一次完成装载和运输长距离连续运输穿梭车自卸卡车中继转运功能大容量远距离运输支护设备

6.4喷射混凝土设锚杆施工设备钢拱架安装设备备锚杆钻机、注浆泵、湿喷机、干喷机、安装工具拱架运输车、液压添加剂系统安装臂自动化支护设备机器人喷射系统、智能锚杆机第七章隧道钻掘机械的关键部件刀盘系统

7.1盘形滚刀刮刀刀具更换系统硬岩主要刀具，通过挤压破碎岩石软土地层使用，刮削松散物质支持在隧道内更换磨损刀具TBM推进系统

7.2主推进油缸提供向前推进的力量，数量个10-20推力参数总推力可达数千吨，单缸数百吨控制系统精确控制各油缸运动，保证方向准确支撑系统抵住已完成的隧道段，形成反力出渣系统

7.3主输送带长距离运输至隧道出口中转系统在内部转运渣土TBM收集装置从掘进面收集破碎物支撑系统

7.4硬岩支撑盾构机支撑双重模式支撑TBM主要使用抓岩器主要靠盾体支撑可切换支撑方式径向液压缸顶住洞壁管片作为反力基础适应不同地质条件为掘进提供反力支撑推进千斤顶抵住管片提高设备通用性不需要临时支护永久支护同步安装结构更为复杂导向系统

7.5测量系统激光测距、陀螺仪、全站仪数据处理实时计算位置偏差调整控制控制各推进油缸行程差姿态校正保持设备正确掘进方向第八章隧道钻掘机械的选型地质评估隧道参数分析地层条件和地下水情况确定隧道断面、长度和坡度经济性分析施工要求评估总体投资和运行成本考虑工期、环保和安全因素地质条件分析

8.1岩石硬度决定刀具类型和设备功率地层结构影响支护方式和掘进速度断层分布增加塌方风险，需特殊处理地下水决定是否需要防水措施岩爆倾向影响安全性，需防护设计软弱围岩可能需要地层改良处理隧道特征分析

8.2断面形状隧道长度圆形最适合和盾构机长隧道更适合机械化施工TBM非圆形需特殊设备或传统方法短隧道可能钻爆法更经济断面大小决定设备尺寸设备折旧成本与长度相关线形特征曲线半径影响设备选型坡度决定运输方式特殊交叉段需专门设计施工要求分析

8.3工期要求紧张工期需高效机械化设备环境限制城市区域需低噪音低震动方案安全标准高风险区域需高安全性设备场地条件设备运输及安装空间限制经济性分析

8.4设备投资初始购置或租赁成本运行成本能耗、人工、维护支出工期收益提前完工带来的经济效益风险成本地质风险和延误可能导致的额外支出第九章隧道钻掘机械的操作与维护操作系统维护工作刀具更换中央控制台监控全部参数定期检修保障设备稳定运行是最常见的维护工作操作流程

9.1开机前检查系统自检、安全确认掘进操作启动刀盘、调整参数运行监控观察数据、调整策略支护安装管片拼装或岩体加固推进循环完成一个循环后前进日常维护

9.2润滑系统液压系统电气系统机械部件检查油位、更换滤芯、检测压力、排除气泡、检查线路、测试元件、检查磨损、紧固连接、清洁油道更换密封清洁控制柜调整间隙故障诊断与排除

9.3常见故障诊断方法排除手段液压泄漏传感器监测现场维修电气短路数据分析部件更换机械卡死经验判断系统重置安全注意事项

9.4个人防护电气安全液压安全佩戴安全帽、防护眼镜、安全鞋检查绝缘、防止触电、正确接地防止高压喷射、泄压后维修气体监测应急处置检测有害气体、保持通风良好熟知逃生路线、掌握急救知识第十章隧道钻掘机械的智能化发展数字化自动化全参数数字监控与记录减少人工操作，提高精度智能化网络化自主决策与优化控制远程监控与协同作业自动化控制系统

10.1掘进参数控制导向自动修正自动调整推力实时测量偏差优化刀盘转速自动调整行进方向精确控制推进速度保持设定线形支护自动安装机械臂精准定位自动管片吊装智能拼装对接实时监测系统

10.2地质参数监测设备状态监测岩性变化、地下水、气体成分温度、压力、振动、磨损性能参数监测环境参数监测掘进速度、能耗、效率粉尘、噪声、温湿度远程操控技术

10.3远程操作远程监控必要时进行远程指令下达和信息传输专家远程查看设备状态和施控制数据采集高速通信网络传输至控制中工进度传感器网络实时收集现场数心据人工智能应用

10.4预测性维护1预测部件故障时间参数优化自动找到最佳运行参数自适应控制根据地质变化自动调整经验学习积累成功经验形成知识库第十一章隧道钻掘机械在重大工程中的应用港珠澳大桥海底隧道工程

11.1工程特点技术难点创新技术全长公里海底沉管隧道复杂海洋环境深水浅埋技术

6.7节沉管单元顺序安装沉管精确定位沉管工厂化预制33水深最大米水下接头密封精确定位系统45GPS抗震设计烈度度台风影响施工水下机器人辅助安装7京张高铁八达岭隧道工程

11.2掘进装备工程规模施工难点采用直径米硬岩盾构机全长公里，最大埋深米穿越断层破碎带，复杂地质条件

12.

0112.01432引松供水工程隧洞工程

11.3工程规模总长公里，为国内最长供水隧道93掘进装备使用台同时施工8TBM技术挑战3穿越多个断层带和高地应力区第十二章隧道钻掘机械的未来发展趋势大直径化适应更大规模隧道需求智能化减少人工干预，提高自主性环保化降低能耗和环境影响模块化提高适应性和转场效率大直径化

12.

117.6m当前最大日本研发的超大盾构机直径20m+研发目标未来超大隧道直径目标30%效率提升大直径可减少多洞施工需求50%能耗挑战功率需求增长比例智能化与信息化

12.2数字孪生云平台无人化虚拟仿真辅助决策和数据集中管理与共享减少危险环境中的人培训工作业大数据掘进参数优化与故障预测环保化与节能化

12.3电气化驱动减少柴油机使用，降低排放能量回收回收制动能量再利用粉尘控制湿式除尘与封闭循环技术水资源保护废水处理与循环利用系统总结与展望行业成就中国已成为隧道施工技术领先国家创新方向智能化、大直径化、环保化发展前景隧道工程需求持续增长。