地下工程施工：TBM法施工

1、掘進(jìn)機(jī)(TBM)施工技術(shù)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法概述一、基本概念巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine）簡稱TBM。 是利用巖石隧道掘進(jìn)機(jī)在巖石地層中暗挖隧道的一種施工方法。通常是利用回轉(zhuǎn)刀盤又借助推進(jìn)裝置的作用力從而使刀盤上的滾刀切割(或破碎)巖面，以達(dá)到破巖開挖隧道(洞)的目的。掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造：是由切削破碎裝置、行走推進(jìn)裝置、出碴運(yùn)輸裝置、驅(qū)動裝置、機(jī)器方位調(diào)整機(jī)構(gòu)、機(jī)架和機(jī)尾，以及液壓、電氣、潤滑、除塵系統(tǒng)等組成。巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法概述二、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)的分類 按巖石的破碎方式分類：分為擠壓破碎與切削破碎兩種，前者是將較大的推力給予刀具，通過刀具的楔子作用將巖石

2、擠壓破碎；后者是利用旋轉(zhuǎn)扭矩在刀具的切線方向及垂直方向上進(jìn)行切削。 按刀具旋轉(zhuǎn)方式分類：分為單軸旋轉(zhuǎn)式與多軸旋轉(zhuǎn)式兩種。 按切削方式分類：分為全斷面切削方式和部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞絻深?。部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞绞峭诰蛎禾坑玫臋C(jī)械在隧道挖掘施工上的應(yīng)用，全斷面切削方式開挖的斷面一般是圓形的。 按開挖地層分類：土質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)）和巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法概述三、TBM法的優(yōu)缺點(diǎn)1、TBM法的優(yōu)點(diǎn) 掘進(jìn)效率高：連續(xù)作業(yè)，能保證破巖、出碴、支護(hù)一條龍作業(yè)。特別在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時(shí)，尤其明顯。 開挖施工質(zhì)量好：超挖量少，內(nèi)壁光滑，不存在凹凸現(xiàn)象，減少支護(hù)工程量，降低工程費(fèi)用。 對巖

3、石的擾動?。焊纳崎_挖面的施工條件。周圍巖層穩(wěn)定性較好，保證了施工人員的健康和安全。 施工安全：TBM可在防護(hù)棚內(nèi)進(jìn)行刀具的更換，密閉式操縱室和高性能的集塵機(jī)的采用，使安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法概述2、TBM法的缺點(diǎn) 適應(yīng)性較差：對多變的地質(zhì)條件(斷層、破碎帶、擠壓帶、涌水及堅(jiān)硬巖石等)的適應(yīng)性較差。近年來采用了盾構(gòu)外殼保護(hù)型的掘進(jìn)機(jī)，施工既可以在軟弱和多變的地層中掘進(jìn)又能在中硬巖層中開挖施工。 經(jīng)濟(jì)性問題：掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對材料、零部件的耐久性要求高。制造的價(jià)格較高。難用于短隧道。 開挖不同斷面問題：施工途中不能改變開挖直徑。斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上受到

4、一定的制約。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 一、TBM工法的基本構(gòu)成 大體上可分為以下開挖部、反力支撐部、推進(jìn)部和排土部幾個(gè)部分。1、開挖部（1）開挖機(jī)制 開挖巖層所使用的刀具，不是用于開挖軟弱土層的鋸齒形刀具，而是所謂的滾刀（回轉(zhuǎn)式刀具）。滾刀以一定的間距安設(shè)在刀盤上，掘進(jìn)時(shí)，滾刀向巖層擠壓，把巖層壓碎，進(jìn)行開挖。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能（2）滾刀 滾刀是由回轉(zhuǎn)的刀體和裝備有刀具的刀頭環(huán)構(gòu)成。刀頭環(huán)具有能夠更換的結(jié)構(gòu)。最新的刀頭環(huán)采用了算盤狀的刀圈，材質(zhì)也改為鎳鉻鉬合金鋼系。 掘進(jìn)性能與刀具的性能密切相關(guān)。在高速施工的條件下，開發(fā)長壽命，大型化的刀具是極為必要的。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）

5、的基本構(gòu)成和性能 滾刀的構(gòu)造刀頭開挖方法的差異掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能（3）刀盤構(gòu)造 TBM與在軟土中掘進(jìn)的盾構(gòu)不同，是以圍巖的自穩(wěn)為前提的。有各種各樣的構(gòu)造。但其最主要的是刀盤和支撐靴。 1）球面和平面刀盤 如圖示 刀頭輪廓掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能（2）周邊支持型和中央主軸型刀盤周邊支持型刀盤：是由圓筒狀的筒體和主機(jī)架構(gòu)成，采用大口徑軸承。后背部設(shè)有開口很大的周邊支持結(jié)構(gòu)。開挖石碴由設(shè)在刀盤前面和外周面的縫隙處理。施工時(shí)，通過把主機(jī)架作為料斗提升，將石碴送到排土裝置中。中央主軸型刀盤：是一個(gè)圓板構(gòu)造體，在其中心處設(shè)主軸，用小口徑的軸承來支持。滾刀配置在圓板上。出碴是利用設(shè)在刀

6、盤外周部的刮板從下部收集，而后用外周部的料斗由上部送到排土裝置中。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 2、反力支承靴部 TBM推進(jìn)時(shí)所需的反力（推進(jìn)力、刀盤轉(zhuǎn)矩）。為提供充分的反力和不損傷隧道壁面，應(yīng)該加大其接觸面積，以減小接地壓力。通常，接地壓力取為3.05.0 MPa。如把上述支承靴稱為主支承靴，則還有所謂的以控制震動，控制方向等為目的的各種輔助支承靴。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能（1）盾構(gòu)形TBM支承靴 在盾構(gòu)型TBM中，設(shè)有提供推進(jìn)反力的主支承靴(尾部)和掌子面支承靴(前部)。主支承靴一般是水平的在左右設(shè)置一對，但對大口徑的TBM，有時(shí)在周邊上要設(shè)置45個(gè)支撐靴。 盾構(gòu)型支撐靴構(gòu)造掘

7、進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能（2）敞開式TBM支承靴 有單支承靴方式和雙支承靴方式兩種。 單支承靴：是在主梁上左右設(shè)一對支承靴。該支撐靴對應(yīng)推進(jìn)時(shí)主梁的方位變化。 雙支承靴：是前后各有一對支承靴。前面的支承靴有4個(gè)(X形)、2個(gè)（I形）、3個(gè)(T形)的布置形式。 方向修正：不管支撐靴是何種方式，都應(yīng)在設(shè)置支承靴前進(jìn)行，但對于單支承靴方式，開挖過程中也能改變方向。而雙支承靴方式，在開挖進(jìn)程中不能改變方向，受地質(zhì)變化的影響小，直進(jìn)性能好。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 敞開式TBM支撐靴構(gòu)造掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 常用的各類支承靴的構(gòu)造特點(diǎn) 1）單支承靴敞開式TBM方式 TBM的刀

8、盤是周邊支持型的。驅(qū)動馬達(dá)設(shè)在刀盤的后面。為減小伸縮千斤頂時(shí)對支承靴產(chǎn)生的彎矩，可把主梁和支承靴座相連接。 2）雙支承靴梁型TBM方式 TBM的刀盤通常是平面型的。多把驅(qū)動裝置設(shè)在最后端。用主梁內(nèi)的驅(qū)動裝置驅(qū)動。千斤頂與支承靴的主梁連接。皮帶運(yùn)輸機(jī)設(shè)置在主梁上部。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 3）盾構(gòu)型TBM 開放型盾構(gòu)型TBM的刀盤都是穹型的（呈拱形）。分前后筒體間可伸縮的2筒式結(jié)構(gòu)和前中筒間及中后筒間用可活動鉸結(jié)合的筒式結(jié)構(gòu)兩種。 4）斜井用TBM 斜井使用的TBM基本上與在水平坑道中使用的TBM一樣。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 5）導(dǎo)坑和擴(kuò)挖型TBM 開挖大口徑隧道的方法，首

9、先是用導(dǎo)坑TBM開挖小斷面的導(dǎo)坑，以此為前導(dǎo)，用擴(kuò)挖型TBM擴(kuò)挖隧道。組成如下圖。 擴(kuò)挖TBM掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 3、推進(jìn)部 主要使用推進(jìn)千斤頂，推進(jìn)按下述動作反復(fù)進(jìn)行。（1）擴(kuò)張支撐靴，固定機(jī)體在隧道壁上；（2）回轉(zhuǎn)刀盤，開動千斤頂前進(jìn)；（3）推進(jìn)一個(gè)行程后，縮回支撐靴，把支撐靴移置到前方，返回（1）的狀態(tài)。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 4、排土方式（1）皮帶運(yùn)輸機(jī) 使用較多、運(yùn)量大，可實(shí)現(xiàn)高速化，有涌水時(shí)，排土困難。（2）噴射泵 液體進(jìn)行輸送。由噴射泵開路，掌子面可以開放。有涌水時(shí)，該方法也極為有效。但排土效率低，只用于小口徑的TBM中。（

10、3）螺旋式輸送機(jī) 用于密閉式盾構(gòu)TBM，也可以在土壓式TBM中使用。 使用該方法掌子面自穩(wěn)性高，在無涌水時(shí)，掌子面可開放。（4）泥土加壓方式液體輸送 使用在密閉式盾構(gòu)TBM中。對掌子面的穩(wěn)定效果很好。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 二、TBM的掘進(jìn)速度 滾刀掘進(jìn)速度的計(jì)算公式有很多種，但一般以下式概括。 R = P n 式中： R： 掘進(jìn)速度（cm/min）； P： 切入深度（cm/rev）； n： 滾刀回轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）。 一次切入深度P與巖石強(qiáng)度（單軸抗壓強(qiáng)度），刀頭間隔（S），刀頭荷載（W）有關(guān)，可按下式計(jì)算： 為提高掘進(jìn)速度，可采用加大切入深度，或增加刀盤回轉(zhuǎn)數(shù)的措施。掘進(jìn)機(jī)（TBM）

11、的基本構(gòu)成和性能TBM的掘進(jìn)速度可按下式計(jì)算：式中： ：TBM移動的作業(yè)時(shí)間（h）； ：TBM移動中的損失時(shí)間（h）；n ：刀盤轉(zhuǎn)數(shù)（rpm）； ：刀盤轉(zhuǎn)動一次的切入深度（cm/rev）； ：更換一個(gè)刀具的時(shí)間（h）； ：刀具的轉(zhuǎn)送距離（km）；D ：開挖直徑（m）； ：每米的輔助作業(yè)時(shí)間（h）。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 一、概述 根據(jù)隧道周圍巖石的抗壓強(qiáng)度，裂縫狀態(tài)，涌水狀態(tài)等地層巖性條件的實(shí)際狀況以及機(jī)械構(gòu)造、直徑等的機(jī)械條件以及隧道的斷面、長度、位置狀況、選址條件等進(jìn)行判斷。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能TBM工法的研究流程掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 二、 工程地質(zhì)條件

12、 在TBM工法中，TBM和掌子面是分離的，故有軟弱層和破碎帶時(shí)，采用輔助工法很困難。所以，不良地質(zhì)的調(diào)查，不僅對TBM的選擇和施工速度有很大的影響，對能否采用TBM法也是決定性的因素。 1、影響選用TBM工法的地質(zhì)因素 （1）隧道地壓 很大的地壓作用掌子面難于自穩(wěn)，TBM掘進(jìn)是極為困難的。 （2）涌水狀態(tài) 在涌水地段，在極端的情況下，機(jī)體會產(chǎn)生下沉 ，TBM的優(yōu)點(diǎn)會喪失殆盡。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能2、影響TBM效率的地質(zhì)因素 主要有巖石強(qiáng)度、硬度及裂隙等。這些因素對TBM切削巖石的能力影響極大。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 三、 機(jī)械條件 TBM不僅受到地質(zhì)條件的約束，還受到開

13、挖直徑、開挖機(jī)構(gòu)的約束。 一般說在硬巖中，大直徑的開挖是很困難的。日本的實(shí)績是最大直徑5m前后。理由是：目前的TBM大都是單軸回轉(zhuǎn)式的，開挖直徑越大，刀頭的內(nèi)周和外周的周速差越大，對刀頭產(chǎn)生種種不良影響。此外，隨著開挖直徑的增大，要增大推力，支撐靴也要增大。會出現(xiàn)運(yùn)送上的困難和承載力問題。 此外，挖掘機(jī)械是采用壓碎方式還是切削方式，對實(shí)際應(yīng)用的適用范圍也有差別。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 四、 開挖長度 TBM進(jìn)入現(xiàn)場后，一般要經(jīng)過運(yùn)輸、組裝的過程。根據(jù)TBM的直徑和形式、運(yùn)輸途徑、組裝基地的狀況等，要準(zhǔn)備12個(gè)月。其次，TBM的后續(xù)設(shè)備長100200m，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)，也要先修筑一段

14、長200m左右的隧道。所以，隧道長度短時(shí)，包括機(jī)械購置費(fèi)在內(nèi)的成本是很高的，是不經(jīng)濟(jì)的。 當(dāng)隧道長度在1000m以下時(shí)，固定費(fèi)的成本急劇增大，到3000m左右時(shí)，成本大致是一定的。因此，如果單純的比較，TBM適宜的長度最好是3000m以上。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 五、工程所在地的設(shè)施 在TBM法中，因要進(jìn)行機(jī)械的運(yùn)輸、組裝等，故要對隧道所處地點(diǎn)的狀況，給以應(yīng)有的注意。TBM的運(yùn)搬計(jì)劃，要考慮道路的寬度、高度和重量的限制，根據(jù)組裝的條件要充分調(diào)查運(yùn)輸時(shí)的分割方法（最小分割尺寸和重量）。掘進(jìn)機(jī)（TBM）的基本構(gòu)成和性能 掘進(jìn)機(jī)在各類隧道開挖中的技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性主要取決于： 工程規(guī)模

15、：隧道形狀、長度、直徑、埋深、走向以及圍巖條件等。 地質(zhì)情況：巖石類型及強(qiáng)度，地質(zhì)的節(jié)理分布及發(fā)育程度，有無斷層、暗河、溶洞，地下水的分布，隧道正上方有無建筑物、河流等。 作業(yè)場地：交通運(yùn)輸能力。掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械部件多、重量大、現(xiàn)場搬運(yùn)、解體等工作需要起重設(shè)備等配合。水電來源、進(jìn)出洞口場地等。 施工進(jìn)度要求：由總控制工期的時(shí)間推算出平均月進(jìn)尺指標(biāo)。 企業(yè)自身的實(shí)際能力：制造維修能力、經(jīng)濟(jì)能力，施工隊(duì)伍的技術(shù)、管理水平以及傳統(tǒng)的施工習(xí)慣等。掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 一、TBM的附屬設(shè)施 包括與TBM本體接續(xù)的在洞內(nèi)配置的后續(xù)設(shè)備和在整個(gè)洞內(nèi)布設(shè)的設(shè)備以及洞外的設(shè)備。 二、TBM附屬設(shè)施的設(shè)置原則

16、是根據(jù)TBM流程（作業(yè)計(jì)劃和內(nèi)容），選定與之配合的必要設(shè)備。因此，要充分研究作業(yè)計(jì)劃和必要的功能，再來選擇有效率的各項(xiàng)設(shè)備。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 三、附屬設(shè)備的種類 1、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸設(shè)備 運(yùn)輸對象的核心是掌子面開挖排出的大量石碴。其他還有隧道的支護(hù)材料和隨隧道延伸的各種器材和刀頭類的TBM維修器材等。 目前，在隧道施工中采用的運(yùn)輸方式有。軌道方式、無軌方式、連續(xù)皮帶運(yùn)輸方式、泥漿運(yùn)輸方式以下等幾種 。掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 2、集塵及通風(fēng)設(shè)備 （1）集塵設(shè)備 集塵設(shè)備在TBM施工中，因切削巖石，而產(chǎn)生大量粉塵，刀頭部為防止刀頭發(fā)熱，需采用壓力水噴霧。壓碎時(shí)發(fā)生的粉塵可被此冷卻

17、水吸收一部分。但因水壓、水量、巖石狀況等粉塵抑制效果各不相同，條件差時(shí)，例如灑水不充分，粉塵和水的粒子在空氣中浮游，妨礙視線，因此，為抑制粉塵，收集粉塵進(jìn)行處理是必要的。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 （2）通風(fēng)設(shè)備 TBM工法的通風(fēng)對象是工作人員呼出的有害氣體和TBM主機(jī)動力發(fā)生的熱量、巖石破碎時(shí)發(fā)生的粉塵和內(nèi)燃機(jī)等發(fā)生的有害氣體等。 四、 洞內(nèi)超前鉆孔設(shè)備 隧道掘進(jìn)過程中，遇到斷層和涌水是不可避免的。為把此類事故控制在最小的限度內(nèi)，進(jìn)行事前調(diào)查是必要的。其主要方法是在TBM掌子面進(jìn)行地質(zhì)鉆孔調(diào)查。鉆孔也可同時(shí)作為排水孔使用。鉆孔設(shè)備要在TBM有限的空間內(nèi)，而且要隨施工的進(jìn)展隨時(shí)可以作業(yè)，故

18、應(yīng)是小型的、易于移動的。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 五、 排水和給水設(shè)備 在TBM工法中排水處理是極其重要。如位于掌子面的TBM浸水，就會產(chǎn)生不可預(yù)料的事故。在開挖中不能依靠自然排水時(shí)，就應(yīng)采取強(qiáng)制排水。因此，排水設(shè)備要有足夠的處理能力，并應(yīng)能分階段地予以增設(shè)。 在TBM地后續(xù)臺車上應(yīng)設(shè)置排水槽，而后用大容量地泵將水排出洞外。并應(yīng)防止泥漿地沉淀。 掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的附屬設(shè)施 六、噴射及其他設(shè)備 TBM工法中的噴射混凝土同礦山法一樣，是作為一次支護(hù)用的。因此，可在TBM本體后面或不超過后續(xù)臺車處進(jìn)行。但多采用前者。在該處，因空間限制，多采用人力進(jìn)行噴射。 噴射時(shí)，要注意處理集中在隧道底部的

19、回彈物。噴射設(shè)備多搭接在后續(xù)臺車上。隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的支護(hù)技術(shù) 一、概述 在TBM中，支護(hù)同NATM法一樣，采用噴混凝土、錨桿、鋼支撐以及木背板、鋼背板等，有的還采用管片，也是基于地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的，但其設(shè)計(jì)方法和施工方法的問題還沒有完全解決，其理由是： （1）掌子面被TBM機(jī)體所堵塞，很難基于掌子面直接進(jìn)行判斷； （2）拱頂下沉和凈空位移等動態(tài)量測，開挖后立即進(jìn)行困難，因此，要采用量測以外的手段來判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)是否妥當(dāng)； （3）施設(shè)支護(hù)的位置，要離開掌子面一定距離，支護(hù)設(shè)置時(shí)間較遲；因TBM的形式各異； （4）TBM的直徑、用途是多種多樣的，在同樣的條件下的工程實(shí)例較少，因此，

20、TBM的支護(hù)要在積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步完善。隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的支護(hù)技術(shù) 支護(hù)形式的基本要素 隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的支護(hù)技術(shù) 二、支護(hù)設(shè)計(jì) 通常與NATM的情況一樣，事前調(diào)查進(jìn)行預(yù)設(shè)計(jì)，設(shè)定支護(hù)模式，并在掘進(jìn)中根據(jù)對圍巖狀況的判斷，修正支護(hù)形式。應(yīng)特別注意以下幾點(diǎn)。 （1）為確保高速掘進(jìn)，應(yīng)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行支護(hù)的施設(shè)，或能夠與掘進(jìn)平行施工； （2）TBM的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支護(hù)可以采用輕型的； （3）支護(hù)的施工位置（與掌子面的距離）的確定； （4）開挖后到構(gòu)筑的時(shí)間較遲； （5）是永久的或是暫時(shí)的； （6）構(gòu)筑支護(hù)時(shí)對TBM裝置的影響； （7）支撐靴擠壓對洞壁的影響。采用掘進(jìn)機(jī)（TBM）法的輔助工法 一、概述 在TBM法中，根據(jù)掌子面直接觀察的事故預(yù)測，開挖前的周邊加固及開挖地點(diǎn)的直接加固