硬岩隧道掘进机历史

硬岩隧道掘进机的历史 1952年，詹姆斯·罗宾斯（James S.Robbins）为美国南达科他州 奥阿西大坝工程（Oahe Dam）研发了第一台现代硬岩TBM 第一台用于切割岩石的TBM是威尔逊专利的石材切割机，它发明于1851年，用于马萨诸塞州北亚当斯著名的胡萨克隧道（Hoosac Tunnel）东端。根据最初设计，这台机器应在花岗岩内切割出一个13in宽、26ft直径的圆环，推进几英尺后，施工人员撤回机器，并在圆环内对岩石进行爆破。该台机器由铸铁建造，采用蒸汽驱动，使用了与现代滚刀惊人相似的滚刀。事实上，这台机器在硬岩中只掘进了10ft，很明显，它既不够坚硬，也没有强大的动力，难以切割这种坚硬的岩石。 第二台TBM也被用于胡萨克隧道的西端，该台TBM直径10ft，锥形头，可以在断层中切割出一个圆形的缺口。最初的实验表明，这台TBM是很有希望的，但不幸的是，在这台设备投入使用之前，使用这台设备的承包商就已经破产了，后来的承包商放弃了使用TBM法，采用传统的分步法进行隧道开挖。这样，早期的几个掘进机实验结束了，在接下来的100年里，世界上几乎所有的岩石隧道都采用了钻爆法。 直到20世纪50年代，许多成功的机械装置被用于煤矿开采。1952年，杰姆斯·罗宾斯被要求利用这些概念设计修建南达科塔州奥阿西大坝隧道。他设计的TBM具有刀盘，使用了刮刀和盘型滚刀，用于开挖软弱页岩。其破岩原理是，刮刀在岩石上切槽，滚刀切削岩石。像许多发明家一样，杰姆斯·罗宾斯对他的这个发明十分着迷，说服了多个工程业主和施工承包商支持他的实验，帮助他解决各种问题。不幸的是，杰姆斯·罗宾斯在1958年的一次空难中丧生，他的儿子迪克·罗宾斯继承了他的意志和远见，为隧道掘进机后续的发展搭建了舞台。

总体而言，这些发展围绕如下几个问题：

? 破岩的最佳方法是什么？

? 保持掌子面稳定、TBM推进和姿态控制的最佳方法是什么？ ? 如何提供最佳的后配套系统和维修与保养？ ? 隧道内进、出料的最佳方法是什么？ ? TBM隧道成本预算最佳方法是什么？

用于尼亚加拉隧道的直径47.2ft的罗宾斯TBM是世界最大的TBM

用于奥阿西大坝的罗宾斯TBM与具有旋转刀盘的软土盾构类似，尽管与现代的TBM相比还显得过于简单，但它引入了两个基本概念，之后的TBM这也是基于这两个概念发展开来：

1、刀盘：能够切割岩石，并允许盾壳前进的旋转刀盘；

2、护盾：在岩石中，护盾既能保护隧道内施工人员和机械设备的安全，又有助于进行隧道支护。

基于这两个概念，发展出了现代的TBM。

关于破岩方式，早期的想法是使用类似油田钻井和采矿机械中使用的铣刀，然而不久，技术创新和基础研究则认为滚刀才是最佳的岩石切屑方法。今天的我们完全接纳了滚刀破岩的设计理念，但在此之前，人类进行了多年的现场和实验室研究，以完善滚刀破岩的方法。

这个期间，加拿大多伦多市（Toronto）的一项工程对TBM的发展产生了重要影响。最初，该

工程中使用的机器配置了固定刀具和滚刀，但通过现场观察，施工人员发现当拆除固定刀具后，机器的推进速度并没有降低。因此，人们发现滚刀在岩石中切槽的同时也能进行破岩。

在此项目之前，TBM的推进和转向均通过一个僵硬的钢框架，这使得操控TBM姿态十分困难。在塔斯马尼亚（Tasmania），罗宾斯采用了一个浮动撑靴组件，大大提高了掘进效率。此外，这台TBM还采用了高性能的金属刀具轴承。该项目证明了滚刀不但可在岩石中切槽，还能利用岩石间的张力进行破岩。由于这些创新，塔斯马尼亚工程中TBM的掘进速度达到了每周229ft（约69.8m），这是当时钻爆法最高掘进速度的两倍。显然，隧道行业找到了一条新的道路，可以更加经济高效地开挖硬岩隧道。

20世纪80年代，挪威某项工程中的工人在检查刀盘

明确了滚刀破岩的概念，科罗拉多州矿业大学实验室（CSM）开始着手研究TBM和岩石的特征及参数对TBM掘进速度的影响。由于当时大量的工程数据是保密的，实验室不得不开展了一个独立的实验项目来进行研究。就在此时，七十年代中后期，一个名叫勒约茨·德米尔（Leventoz demir）的年轻研究生应邀加入了一个关于岩石切削研究的国家自然科学基金项目，后来，并在CSM实验室教学30年。事实证明，勒约茨·德米尔为他自己以及隧道行业带来了双赢。在他的努力下，CSM实验室针对不同的刀具、轴承、推力、扭矩及刀间距进行了全面的实验测试，研究提高TBM性能和成本估算的最佳方法。从那时起，预测模型的概念诞生了，并普遍应用于当代的TBM隧道工程。

随着时间的推移，经过众多困难工程的考验，TBM技术得到了巨大的进步，可以在各种不稳定地质中掘进，例如：膨胀岩层、挤压岩层、断层、饱和破碎岩层以及许多其它问题地层。这些技术的发展和进步离不开“双护盾TBM”的研制。

1972年，罗宾斯公司为意大利南部的一个水电项目研发了第一台双护盾TBM。该项目的地质由完整的花岗岩和破碎的花岗岩构成，因此需要二合一的双护盾TBM：在稳定完整的岩层，TBM的后盾紧贴岩壁，为前盾向前推进提供必要的推力；在破碎的岩层，后盾被缩回，由临时支护提供推力。这项工程作为一次现场试验，标志着TBM技术的又一大进步。除此之外，铣刀、后装刀，和在不稳定岩层中使用的隧道衬砌技术（例如岩锚、垫圈等）也得到了发展。

显然，上文讲述的只是TBM的发展概要，但事实足以证明，大推力和高扭矩的滚刀仍然是硬岩隧道工程中最经济最有效的破岩方法。

TBM与皮带输送机—速度的组合

世界上掘进速度最快的TBM之中，接近75%的TBM均采用皮带连续出渣系统。

最近，美国印第安纳州一台由罗宾斯公司制造的直径6.2m的TBM完成了一段长2.8km的隧道延长线（原隧道长12.5km），再次证明了这种组合能够快速掘进的观点。

安装上连续出渣系统的TBM，于2012年11月开始12.5km长的深石隧道项目工程（Deep Rock Tunnel Connector），并且提前计划一年贯通隧道。项目业主公民能源集团（Citizens Energy Group）让SK联营体公司（Shea/Kiewit）作为施工方来完成该项目额外2.8km长的鹰溪隧道（Eagle Creek）。

进行曲线运输的连续出渣系统

TBM从一深76m的工作井始发，掘进通过石灰岩和白云岩地层，实现直径6~7m级别TBM的世界纪录，包括：

? ·每日最大进尺124.9m； ? ·每周最大进尺515.1m；

? ·每月最大进尺1754m。 掘进结束后，有许多值得庆祝的事情，公民能源集团的施工监理Tim Shutters说，高产的主要原因有两个：一是TBM的刀盘表现很好；二是地质条件有利于快速破岩和掘进。 垂直皮带输送机将渣土从工作井输送至地面 创造纪录的另一关键是使用了连续出渣系统。该套设备可以进行25km长距离的连续运输，中途可以进行水平与垂直方向运输，还可以进行S曲线和直角曲线的变向运输。 罗宾斯在报告中指出，连续出渣系统作为长距离硬岩隧道TBM的标配，也越来越多地应用于EPBM。虽然由于运输线路的多变会给出渣质量带来诸多的影响，但是如果提前进行处理（例如：运输带连接点进行密封处理），连续出渣系统还是可以出色的完成输运任务的。 罗宾斯EPBM中使用的渣土输送装置

连续出渣系统在遇到急转弯线路时，往往会遇到皮带脱离托辊的问题。“在合适的位置安装助力器，可以有效地控制传送皮带的张力，增加系统使用寿命。如果皮带张力过高，皮带将在通过曲线时过早失效”。

及早发现问题是传运输统成功应用的关键。“如果一个关键部件损坏，最好是在最短的时间内解决故障。”罗宾斯公司出渣系统部门副主席Workman说，“否则，更换皮带需要花费很长的时间。为了能够及早地发现故障，电气监控系统与警报系统已经成为标配，用于监测电气马达和齿轮箱的温度和振动情况、驱动电机扭矩、以及其它异常信息。如有某项检测数据超出预警值，系统将进行相应的警报。”

对于印第安纳波利斯的工程，罗宾斯采用了其专利技术—曲线辊，可自行调整系统负载。Workman认为，未来，将会发展出更先进的电气控制系统及其元气件，进一步增大皮带运输机的运输距离和运输速度。

在印第安纳波利斯工程中，项目经理介绍：“对于我们创造的世界纪录，我感到很自豪。我们几乎提前计划一年完成了第一个12.5km的任务，对于延长线项目的时间，我们仍能在合同原定时间内完成。如此高性能的皮带输输送系统真的是难得一见。”

75%的TBM世界纪录保持者使用的都是皮带运输机

该隧道工程竣工后，将有助于减少污水排放量并保持怀特河（White River）流域的清洁。鹰溪隧道一旦完工，项目将进入下一阶段，开始另外两条隧道的施工。怀特河隧道（White River Deep Tunnel）将沿着已完工的深石隧道和泵站向北掘进8.5km；洛博格斯隧道（Lower Pogues Run Deep Tunnel）将从怀特河隧道北端向东延伸2.7km。另外两条隧道—福尔克里克隧道（Fall Creek）和普莱森特伦隧道（Pleasant Run），预计将于2020年建成。届时，总计27km长的CSO隧道项目预计2025年全面完工。

本次工程中使用的6.2m直径罗宾斯TBM

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