巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件

劉俊新

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)地下工程

劉俊新

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)地下工程1第四篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第四篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程2第一章TBM法及其應(yīng)用第一節(jié)概述1.1盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)機(jī)（tunnelboringmachine），簡稱TBM，是一種修建巖質(zhì)隧道的工廠化的施工技術(shù)。與盾構(gòu)有異曲同工之處。在機(jī)械施工中，很長一段時期，把在土質(zhì)隧道中采用的機(jī)械稱為盾構(gòu)，而把在巖質(zhì)隧道施工中的機(jī)械稱為掘進(jìn)機(jī)，或者巖石掘進(jìn)機(jī)。由于機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，這種區(qū)分越來越不明顯，因此目前多把掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)一并稱為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。第一章TBM法及其應(yīng)用第一節(jié)概述1.1盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)3①安全、省力、改善勞動環(huán)境等社會的要求提高。使單純作業(yè)和危險作業(yè)機(jī)械化。②掘進(jìn)機(jī)施工不采用爆破，對圍巖擾動小，有利于保護(hù)圍巖、維護(hù)圍巖固有的承載力，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)量。③施工對周圍影響小、安全性和施工可靠性高、洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境也比其他隧道施工方法好等。④由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，把盾構(gòu)技術(shù)引進(jìn)到TBM中，使TBM法的適用范圍擴(kuò)大，發(fā)揮TBM的作用。1.2掘進(jìn)機(jī)技術(shù)獲得巨大發(fā)展的原因①安全、省力、改善勞動環(huán)境等社會的要求提高。使單純作業(yè)和危4第二節(jié)TBM法2.1TBM法

隧道TBM是一種專用的開挖設(shè)備。它利用機(jī)械破碎巖石的原理，完成開挖、出碴及混凝土（鋼）管片安裝的聯(lián)合作業(yè)，連續(xù)不斷地進(jìn)行掘進(jìn)。用此法修筑隧道的方法，稱為TBM法。第二節(jié)TBM法2.1TBM法隧道TBM是51.根據(jù)破碎巖石的方法分類：擠壓式主要是通過水平推進(jìn)油缸，使刀盤上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程中，用擠壓和剪切的聯(lián)合作用破碎巖體。切削式利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低（僅為抗壓強(qiáng)度的1/10-1/20）的特點(diǎn)，靠銑削（即剪切）和彎斷破碎巖體。2.按照TBM的作業(yè)是否封閉分類：可分為開敞式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾TBM。開敞式TBM適用于圍巖穩(wěn)定性好的場合，護(hù)盾式TBM適合于圍巖較軟弱、需進(jìn)行混凝土（鋼）管片安裝的場合。2.2TBM的分類1.根據(jù)破碎巖石的方法分類：2.2TBM的分類6TBM一般由刀盤、機(jī)架、推進(jìn)缸、套架、支撐缸、膠帶機(jī)及動力間等部分組成。掘進(jìn)時，通過推進(jìn)缸給刀盤施加壓力，滾刀旋轉(zhuǎn)切碎巖體，由裝在刀盤上的集料斗轉(zhuǎn)至頂部通過膠帶機(jī)將巖碴運(yùn)至機(jī)尾，卸入其他運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)走。為了避免粉塵危害，TBM頭部裝有噴水及吸塵設(shè)備，在掘進(jìn)過程中連續(xù)噴水、吸塵。2.3TBM1.TBM的工作TBM一般由刀盤、機(jī)架、推進(jìn)缸、套架、支撐缸7圖a為機(jī)器用支撐板撐住，前后下支撐回縮，推進(jìn)缸推壓刀盤鉆掘開始；圖b為掘進(jìn)一個行程，鉆掘終止;圖c為前后下支撐伸出到洞底部、支撐板回縮；圖d為外機(jī)體前移，用后下支撐調(diào)整機(jī)器方位；圖e為支撐板撐住洞壁，前后下支撐回縮，為下一個工作循環(huán)做好準(zhǔn)備。2.TBM的工作循環(huán)圖圖a為機(jī)器用支撐板撐住，前后下支撐回縮，推進(jìn)82.4TBM的破巖原理TBM的破巖原理，隨刀具的類型不同分為滾刀和削刀兩類。1.滾刀破巖滾刀破巖是通過滾刀對巖石施加強(qiáng)大的壓力，在巖面上滾動來破碎巖石的。根據(jù)滾刀的形式不同，又分為圓盤型、楔齒型、球齒型滾刀幾類。2.4TBM的破巖原理TBM的破巖原理，隨9a.圓盤型滾刀

工作時每只圓盤刀具上約作用有50-200kN的壓力，使巖體表面在刀圈刀尖強(qiáng)集中力作用下破碎并被切入，并形成切入坑，如圖4-1-2b所示。隨著滾刀滾動，切入坑連通，在巖面上形成一條條的破碎溝，破碎溝之間巖石AO1C又受滾刀側(cè)刃擠壓力的作用而剪切破碎。當(dāng)切入深度h較小時，剪裂面為O1C或O2D，h較大時，剪裂面為O1O2，如圖4-1-2c所示。a.圓盤型滾刀10b.楔齒型和球齒型最初由楔齒的尖端，在滾刀轉(zhuǎn)動情況下產(chǎn)生切向張力破壞巖石的表面，切入深度為λ，如圖4-1-3c所示。然后，由齒尖在楔入力繼續(xù)引起剪切破壞，楔入深度為h。另外，各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，球齒型滾刀更為耐磨，適用于硬巖掘進(jìn)。b.楔齒型和球齒型112.削刀破巖工作時，削刀在擠壓力PV和切割力PH的作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū)，隨著刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動，形成剪力破碎區(qū)，如圖4-1-4所示。削刀繼續(xù)回轉(zhuǎn)即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，該槽的寬度即為刀刃的寬度，約為刀具回轉(zhuǎn)一周破巖總進(jìn)尺的1/4-1/3，兩切削槽之間的巖石，約為破巖進(jìn)尺的2/3-3/4，則由削刀側(cè)向擠壓力R作用而剪力破碎，如圖4-1-5所示。2.削刀破巖12不論是滾刀或是削刀，總的破巖體積中，大部分破巖并不是由刀具直接切割的，而是由后進(jìn)刀具剪切破碎的。為有效破巖，先形成破碎溝或切削槽是前提條件。破碎溝或切削槽的深度、寬度愈大，破巖效果便愈好。因此，需根據(jù)開挖巖體的性質(zhì)，選擇適宜的刀具。不論是滾刀或是削刀，總的破巖體積中，大部分破巖132.5TBM的特點(diǎn)1.TBM法的優(yōu)點(diǎn)①開挖作業(yè)能連續(xù)進(jìn)行，施工速度快，工期短。特別是在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時，此特征尤其明顯。②對圍巖的擾動損傷小，用爆破法使圍巖的損傷范圍約為2-3m，而TBM法只有1m左右，幾乎不產(chǎn)生松弛、掉塊、崩塌的危險，可減輕支護(hù)的工作量。此外，超挖小，襯砌也省時省料。③開挖表面平滑，在圓形隧洞的情況下，受力條件好。④振動和噪聲對周圍的居民和結(jié)構(gòu)物的影響小。⑤施工安全，近期的TBM可在防護(hù)棚內(nèi)進(jìn)行刀具的更換，密閉式操縱室、高性能集塵機(jī)等的采用，使安全性和作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。⑥作業(yè)人員少。2.5TBM的特點(diǎn)1.TBM法的優(yōu)點(diǎn)142.TBM法的缺點(diǎn)①設(shè)備的購置、運(yùn)輸、組裝解體等的費(fèi)用高，設(shè)計制造時間長，初期投資高。②施工途中不能改變開挖直徑。③地質(zhì)的適應(yīng)性受到一定限制。④開挖斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上受到一定的制約。⑤運(yùn)輸困難2.TBM法的缺點(diǎn)152.6TBM法的基本條件1.TBM法的技術(shù)流程2.6TBM法的基本條件162.地質(zhì)條件

在TBM法中，TBM和掌子面是分離的，故有軟弱層和破碎帶時，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。

TBM施工的地質(zhì)調(diào)查主要是調(diào)查影響TBM使用的地質(zhì)條件，如地層的硬軟、破碎帶的位置、規(guī)模、地下水的涌水、膨脹性圍巖等，對TBM法是否適合，以及影響TBM開挖效率的地質(zhì)因素等。2.地質(zhì)條件17a.是否合適TBM法的地質(zhì)因素①隧道地壓是否存在塑性地壓是決定TBM適用性的重要因素。②涌水狀態(tài)在軟弱巖層、破碎帶中，涌水的范圍、大小、壓力等，是造成掌子面崩塌和承載力低下的主要問題。b.影響TBM效率的地質(zhì)因素①巖石強(qiáng)度②巖層的裂隙③巖石硬度④破碎帶等惡劣的條件a.是否合適TBM法的地質(zhì)因素b.影響TBM效率的地質(zhì)因素183.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1-2個月。其次，TBM的后續(xù)設(shè)備長100-200m，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)，也要先修筑一段長200m左右的隧道。所以，隧道長度短時，包括機(jī)械購置費(fèi)在內(nèi)的成本是很高的。在TBM法中因進(jìn)行機(jī)械的運(yùn)輸、組裝等，故要對隧道所處地點(diǎn)的狀況給予應(yīng)有的注意。TBM的搬運(yùn)計劃，要考慮道路的寬度、高度及重量的限制，根據(jù)組裝條件要充分調(diào)查運(yùn)輸時的分割方法（最小分割尺寸和重量）。3.開挖長度19第三節(jié)TBM法的應(yīng)用3.1應(yīng)用簡介（見教材P273）3.2應(yīng)用事例3.3TBM的應(yīng)用前景第三節(jié)TBM法的應(yīng)用3.1應(yīng)用簡介（見教材P273）20第二章TBM的結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)造第一節(jié)全斷面隧道TBM的類型1.1全斷面隧道TBM①開式隧道TBM指切削時不用控制工作面的地壓，TBM按出碴系統(tǒng)運(yùn)碴能力掘進(jìn)。不需要特別考慮地表下沉的情況。其設(shè)計剛度較大，適用于在硬地層中快速掘進(jìn)。②閉式隧道TBM通過控制好螺旋運(yùn)輸機(jī)卸料門的開啟，使切削巖土的刀盤前腔的壓力與地壓平衡。通常用于軟地層或流動性地層。在軟地層中隧道施工的TBM又稱為盾構(gòu)。第二章TBM的結(jié)構(gòu)類型及構(gòu)造第一節(jié)全斷面隧道TBM的類型211.2支撐式TBM刀盤屬于TBM第一組合體，由液壓馬達(dá)或電動機(jī)驅(qū)動，通常沿中空主軸承周圍以環(huán)形模式布置在機(jī)器的主軸上。帶有防塵隔層的刀盤罩將刀盤與被開挖掌子面隔開，刀盤罩可保護(hù)刀盤，防止物料侵入；防塵隔層防止灰塵和碎屑進(jìn)入刀盤后面的工作區(qū)。巖碴通過刀盤上的鏟斗裝置和刀盤后面的導(dǎo)向板運(yùn)到刀盤中心，在那里巖碴落進(jìn)漏斗，送到運(yùn)輸機(jī)上，運(yùn)輸機(jī)通常置于機(jī)器的中心軸位置。選用液壓驅(qū)動馬達(dá)時，驅(qū)動液壓泵站的電動機(jī)安裝在后配套上。掘進(jìn)頭的推進(jìn)力由一支撐推進(jìn)系統(tǒng)提供。第二組合體和設(shè)施用在工作面或TBM防塵護(hù)盾后面進(jìn)行即時支護(hù)措施，并進(jìn)行地層預(yù)探測。初期保護(hù)性支護(hù)措施包括：直接在刀盤罩后面架設(shè)支護(hù)拱架和掛網(wǎng)、洞頂錨桿或噴漿，進(jìn)行洞頂區(qū)域的巷道保護(hù)。1.2支撐式TBM刀盤屬于TBM第一組合體，221.3擴(kuò)孔式TBM擴(kuò)孔TBM特適合于需要通過探測導(dǎo)洞來確認(rèn)特殊風(fēng)險因素的地層條件。在第一階段由TBM開挖直徑為4-4.5m的導(dǎo)洞，再用擴(kuò)孔TBM進(jìn)行第二階段的擴(kuò)孔開挖。

1.3擴(kuò)孔式TBM擴(kuò)孔TBM特適合于需要通過231.4護(hù)盾式TBM1.單護(hù)盾式TBM單護(hù)盾式TBM的整個機(jī)器都是由一個護(hù)盾進(jìn)行保護(hù)，適用于需在刀盤后采用較多支護(hù)措施的一般破碎甚至不穩(wěn)定的地層。護(hù)盾式TBM的優(yōu)點(diǎn)是支護(hù)工作可在護(hù)盾殼內(nèi)完成，與洞壁沒有任何接觸。然而，當(dāng)遇到較大的斷層或通過洞穴地層時會產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。因此，在預(yù)測的斷層地段掘進(jìn)期間，進(jìn)行系統(tǒng)的勘測鉆探是非常重要的。TBM遇到有問題的地段時，可以進(jìn)行灌漿以穩(wěn)固巖體，或者借助用玻璃纖維強(qiáng)化的洞頂錨桿來加強(qiáng)地層結(jié)構(gòu)。另外，要以最佳的方式設(shè)計刀盤檢修出口，以便在掌子面前發(fā)生障礙時進(jìn)行檢查并處理，對掌子面前方的“洞穴”也能從這些出口用噴漿進(jìn)行穩(wěn)固。在護(hù)盾保護(hù)下用管片進(jìn)行支護(hù)和襯砌。1.4護(hù)盾式TBM1.單護(hù)盾式TBM242.雙護(hù)盾式TBM

同單護(hù)盾式TBM一樣，雙護(hù)盾式TBM適用于無地下水的不能自立的軟弱破碎地層段，并在護(hù)盾內(nèi)安裝管片襯砌。雙護(hù)盾系統(tǒng)可同時滿足推進(jìn)和管片安裝的要求。雙護(hù)盾TBM在每個掘進(jìn)行程中的中斷時間短，后接觸護(hù)盾周期性地前移。雙護(hù)盾TBM系統(tǒng)在縱向上可分為三部分：帶刀盤的前護(hù)盾；中間部分的伸縮護(hù)盾；后接觸護(hù)盾，帶有用于安裝管片的尾盾。把伸縮護(hù)盾、接觸護(hù)盾（支撐盾殼）和盾尾合稱為后護(hù)盾2.雙護(hù)盾式TBM253.帶管片襯砌操作的雙護(hù)盾TBM工作周期①前進(jìn)和管片放置過程支撐護(hù)盾牢固地?fù)尉o在洞壁上，刀盤推進(jìn)油缸支承在接觸護(hù)盾的連接處，并在掘進(jìn)過程中將刀盤向前推進(jìn)，保持所達(dá)到的掘進(jìn)速率直至刀盤推進(jìn)油缸行程結(jié)束。同時，管片在盾尾安裝，在安裝期間后護(hù)盾的護(hù)盾推進(jìn)油缸支承著管片直至整環(huán)閉合。②后護(hù)盾換位階段后護(hù)盾盾殼換位只持續(xù)幾分鐘。首先，推進(jìn)油缸卸載，隨后護(hù)盾盾殼支撐的徑向支撐油缸縮回并卸載。然后，借助于后護(hù)盾推進(jìn)油缸使刀盤推進(jìn)油缸周圍的后護(hù)盾盾殼前移。最后，重復(fù)掘進(jìn)和管片安裝過程。附屬裝置：①刀盤上的超挖刀具，可得到更大的開挖直徑，洞壁由伸縮護(hù)盾盾殼支承直至管片安裝。②可縱向及徑向移動伸縮的刀盤，以便超挖隧道的一側(cè)，提高機(jī)器的轉(zhuǎn)向性。3.帶管片襯砌操作的雙護(hù)盾TBM工作周期261.5后配套系統(tǒng)1.TBM后續(xù)設(shè)備的設(shè)置原則

要充分研究作業(yè)計劃和必要的功能，再來選擇有效率的各種設(shè)備。特別是在隧道施工中，作業(yè)的循環(huán)性很強(qiáng)，前一作業(yè)未完成就不能進(jìn)行下一個作業(yè)且作業(yè)空間有限制等。

在配置設(shè)備時，要考慮前后各作業(yè)的關(guān)聯(lián)，以提高作業(yè)性。在后續(xù)設(shè)備中，由于作業(yè)寬度有限，要在考慮到設(shè)備必需的空間后，最后確定整個長度。1.5后配套系統(tǒng)1.TBM后續(xù)設(shè)備的設(shè)置原則272.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產(chǎn)生的大量石碴，其他還有隧道的支護(hù)材料和隨著隧道延伸的各種器材，以及以切削刀具類為主的TBM維修器材。前者由作為TBM特征的連續(xù)出碴來解決，后者主要是充分利用返空車輛和后續(xù)作業(yè)的時間安排。其中，出碴方式的選擇對TBM的施工性是很重要的。目前，在隧道施工中采用的運(yùn)輸方式有以下幾種。①有軌方式。②無軌方式。③連續(xù)膠帶輸送機(jī)方式。④泥漿運(yùn)輸方式。2.運(yùn)輸方式和運(yùn)輸設(shè)備283.集塵和通風(fēng)設(shè)備集塵設(shè)備用TBM切削巖石，在硬巖和含水量小的巖層條件下會產(chǎn)生大量粉塵，因此在切削頭部，也包括為了防止刀具破碎巖石時產(chǎn)生熱量，需用壓力水噴霧，這在一定程度上可以吸收一部分破巖產(chǎn)生的粉塵。但是，由于水壓、流量、巖體的狀況，粉塵抑制效果各不相同，條件惡化時，比如灑水不充分，粉塵和水粒子會以霧狀浮游在空氣中，妨礙視線。因此，為了有效地抑制粉塵，有必要收集粉塵進(jìn)行處理，產(chǎn)生的粉塵盡量不讓它擴(kuò)散而使其集中在一起為最好。在最近的TBM實例中有從切削頭的腔室內(nèi)用專用管道直接與集塵器連接進(jìn)行直接處理的方法，效果非常好。專用管道安裝在膠帶輸送機(jī)的旁邊，當(dāng)TBM的直徑較小時，連膠帶輸送機(jī)本身也作為管道。另外，集塵器有干式和濕式之分，都裝在后續(xù)臺車上，除了其能力外，包括鼓風(fēng)機(jī)在內(nèi)集塵器的形狀尺寸也成了重要的選定條件。3.集塵和通風(fēng)設(shè)備集塵設(shè)備29通風(fēng)設(shè)備TBM施工法的通風(fēng)對象要考慮作業(yè)人員呼氣排出的氣體和由TBM的動力等產(chǎn)生的熱量、巖石的破碎和裝載及噴混凝土產(chǎn)生的粉塵、內(nèi)燃機(jī)排出的有害氣體等。除輪胎式外，洞內(nèi)的溫度可通過吸水冷卻進(jìn)行相應(yīng)處理，粉塵可用前述的集塵設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)處理，因此通常是以作業(yè)人員的呼吸為對象的通風(fēng)設(shè)備。然而，通風(fēng)量通常比集塵器的能力大，且通風(fēng)管道的位置必須比集塵器的排氣部位更深（工作面?zhèn)龋?。否則，在工作面和集塵器之間就會形成回風(fēng)，新鮮空氣就到不了工作面。作業(yè)人員的呼吸所排出的污染氣體是二氧化碳，所需通風(fēng)量每個人最少3m3/min，以此風(fēng)量計算風(fēng)管直徑通常多為400-600mm（隧道直徑為3-5m）。所需風(fēng)力的計算與一般隧道一樣，而由TBM使用的送風(fēng)機(jī)大多比一般隧道的風(fēng)量小，但送風(fēng)距離長，因此應(yīng)考慮采用渦輪式風(fēng)機(jī)。渦輪式風(fēng)機(jī)比軸流式風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓高，必須考慮風(fēng)管的材質(zhì)。圖4-2-5所示為標(biāo)準(zhǔn)的通風(fēng)配置示例。通風(fēng)設(shè)備304.洞內(nèi)超前鉆孔設(shè)備

在隧道掘進(jìn)中，遇到斷層、涌水是不可避免的，用TBM掘進(jìn)時一般其故障更嚴(yán)重。因此，為了把故障控制在最小限度內(nèi)，或者在事前調(diào)查中對預(yù)計發(fā)生的斷層、突發(fā)性涌水等進(jìn)行相應(yīng)處理，多用鉆孔進(jìn)行TBM工作面前方的地質(zhì)探查。不取芯式鉆孔探查用巖粉，取芯式探查可采取巖芯，直接觀察前方巖層情況，并且還可作為排水鉆孔。鉆孔設(shè)備必須安裝在TBM有限的范圍內(nèi)，并且根據(jù)地質(zhì)變化隨時進(jìn)行鉆孔，因此以小型而易于移動、鉆深100m左右的設(shè)備為宜。鉆孔機(jī)械應(yīng)可前后、上下、左右移動，在狹窄的后續(xù)臺車內(nèi)提高其機(jī)動性。4.洞內(nèi)超前鉆孔設(shè)備315.排水設(shè)備在排水方法上，可采取以下措施：①TBM內(nèi)的裝碴部位的排水處理在隔板處設(shè)排水孔，在機(jī)內(nèi)料槽中集水，用水下泵通過洞內(nèi)排水管把水排到洞外。②用水下泵不能處理的污泥、軟泥等堆積物由設(shè)在洞外的真空管（真空輸送泵）配置進(jìn)行吸收處理。③洞內(nèi)排水管按排水量確定規(guī)格（如φ200弦卷鋼管），隔一定距離（如約200m）設(shè)集水槽，連接水下泵進(jìn)行強(qiáng)制排水。④排到洞外的水都匯集在設(shè)置于洞口臨時設(shè)置場的沉淀槽進(jìn)行處理。5.排水設(shè)備326.供水設(shè)備TBM開挖中的供水，用于油壓系統(tǒng)油冷卻器的冷卻、切削刀具和封層的冷卻等，也用于超前鉆孔、噴射混凝土、襯砌混凝土、洞內(nèi)洗滌等。作為供水設(shè)備，在洞外隨著開挖的推進(jìn)依次串聯(lián)增設(shè)給水泵（如縱向離心泵500L/min×62m）。冷卻水用洞內(nèi)配管按所需管徑（如φ100弦卷鋼管）輸送。配管布置隨開挖的推進(jìn)而延長，因此有在后續(xù)臺車處設(shè)置螺旋臺車而使之可伸縮和調(diào)整布置間隔的方法。在后續(xù)臺車上設(shè)有水箱，供給鉆孔用水。6.供水設(shè)備337.噴混凝土設(shè)備

TBM施工中的噴混凝土通常與山嶺隧道施工法一樣作為初期支護(hù)，有時也作為永久支護(hù)。因此，噴射位置也有在TBM主體后面和后續(xù)臺車后面兩種情況。大多在TBM主體后面，主要因TBM中央的膠帶輸送機(jī)、主梁容易妨礙噴嘴作業(yè)，回彈大，人工作業(yè)困難等原因。噴射混凝土設(shè)備有濕式和干式兩種，設(shè)備因噴射方式多少有些不同，但比起噴射方式來，設(shè)備的設(shè)置方法更重要，噴射設(shè)備設(shè)置一般有在TBM的后續(xù)臺車上和分離臺車上兩種，應(yīng)與施工方法和支護(hù)功能相適應(yīng)并靈活運(yùn)用。前者在噴射時運(yùn)入的繁雜程度得到減半，但安裝在狹窄場所，機(jī)械的清掃、保養(yǎng)、檢查、維修則成為頗嚴(yán)峻的作業(yè)。后者分離方式有著在其他地方進(jìn)行檢查、維修等而與開挖作業(yè)無關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，但需要單獨(dú)的臺車，配管費(fèi)時，走行麻煩，增加了脫軌等事故的危險性。7.噴混凝土設(shè)備348.其他設(shè)備

TBM的設(shè)備很多，這里僅介紹與TBM施工法有關(guān)的照明、通信設(shè)備。TBM一般后續(xù)設(shè)備長，作業(yè)分布在多個位置，各作業(yè)位置和狀況難以把握。所以從作業(yè)性、安全性的觀點(diǎn)出發(fā)，各作業(yè)環(huán)節(jié)必須設(shè)有可相互聯(lián)系的通信設(shè)備。以棄碴為例，運(yùn)輸石碴設(shè)備的速度在狹窄的通道（洞內(nèi)）內(nèi)較快，在洞內(nèi)安全作業(yè)方面受到限制，所以每隔300-500m就必須設(shè)置能與工作面聯(lián)絡(luò)的通信或顯示系統(tǒng)。另外，從工作面通過后續(xù)臺車到碴場的區(qū)間一發(fā)生事故，一切都要停止，因此也必須設(shè)置監(jiān)視攝像機(jī)、顯示器等監(jiān)視系統(tǒng)。TBM具有復(fù)雜的機(jī)械和控制系統(tǒng)，因此需要比普通隧道施工好得多的照明。根據(jù)TBM施工的要求，最好安裝1kW的水銀燈，使其他需特別監(jiān)視的地方和局部陰暗處的照明都能達(dá)到施工要求。8.其他設(shè)備35第二節(jié)TBM的構(gòu)造及工作原理2.1全斷面TBM1.全斷面TBM的基本構(gòu)造全斷面TBM有一龐大機(jī)體，由破巖機(jī)構(gòu)、推進(jìn)機(jī)構(gòu)、巖碴裝運(yùn)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向調(diào)向機(jī)構(gòu)及吸塵、通風(fēng)裝置等幾部分組成?，F(xiàn)以硬巖TBM為例簡要說明如下。圖4-2-6所示為國產(chǎn)的直徑為5.5m的TBM構(gòu)造簡圖。第二節(jié)TBM的構(gòu)造及工作原理2.1全斷面TBM1.全斷面36巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件37破巖機(jī)構(gòu)破巖機(jī)構(gòu)由刀盤和滾刀組成。在TBM刀盤上裝置各類滾刀，工作時，在強(qiáng)大軸推力的作用下刀盤旋轉(zhuǎn)，帶動在巖面上同時滾動的各滾刀在同心圓上旋轉(zhuǎn)，在巖面上形成圓環(huán)狀的破碎溝。破碎溝間的巖石，由后進(jìn)滾刀的側(cè)向分力剪切破碎。破巖機(jī)構(gòu)38推進(jìn)機(jī)構(gòu)

TBM借助千斤頂頂撐洞壁來支持機(jī)身，這種千斤頂稱為錨撐。TBM的推進(jìn)，包括刀盤的推進(jìn)和完成一個切割行程后整個機(jī)身的推進(jìn)，都與錨撐的作用與動作有關(guān)。①掘進(jìn)工作開始，錨撐頂緊巖壁，前支撐缸及后支撐缸均收縮，推進(jìn)缸以錨撐為固定點(diǎn)進(jìn)油伸長，給刀盤施加軸向推力，強(qiáng)使其破巖掘進(jìn)。刀盤破巖推進(jìn)時，帶動整個機(jī)體一起向前移動，如圖4-2-7a所示。②推進(jìn)油缸到達(dá)最大行程約90cm后，即算完成一個行程。機(jī)體也向前推進(jìn)90cm，如圖4-2-7b所示。③錨撐的推進(jìn)此時，伸出前支撐缸及后支撐缸并頂緊巖壁，保持刀盤及機(jī)器穩(wěn)定，然后收縮錨撐，推進(jìn)油缸回油，驅(qū)使套架帶動錨撐在機(jī)架導(dǎo)軌上向前移動，行程也是90cm，如圖4-2-7c、d所示。④推進(jìn)油缸回油全部縮回，即套架也前滑約90cm后，再使錨撐頂緊巖壁，同時收縮前支撐缸及后支撐缸，開始新的掘進(jìn)推進(jìn)機(jī)構(gòu)39巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件40出碴機(jī)構(gòu)破巖形成的片狀石碴，由安裝在刀盤上的鏟碴斗鏟起，鏟斗旋轉(zhuǎn)到頂部卸入集料斗，再轉(zhuǎn)到膠帶輸送機(jī)上，經(jīng)膠帶輸送機(jī)裝車運(yùn)出洞外。TBM的出碴具有與破巖相同的生產(chǎn)率，故能保證連續(xù)破巖，連續(xù)出碴。導(dǎo)向調(diào)向機(jī)構(gòu)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是用來指示和校核TBM推進(jìn)的方向，使其保證符合設(shè)計的軸線和坡度的要求。調(diào)向機(jī)構(gòu)是根據(jù)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)給出的信息或指令，控制或調(diào)整TBM的推進(jìn)方向。通風(fēng)及吸塵裝置掘進(jìn)機(jī)工作時要產(chǎn)生大量的熱量和粉塵。因此對通風(fēng)、降塵要求較高。一般在刀盤頭部安裝有吸塵設(shè)備和噴水裝置，掘進(jìn)時連續(xù)噴水降塵。在機(jī)房內(nèi)還專設(shè)有通風(fēng)降溫設(shè)備。出碴機(jī)構(gòu)412.全斷面TBM開挖水平洞室應(yīng)用全斷面TBM開挖水平洞室有兩個基本方案。一是用TBM直接開挖成圓形斷面的洞室；二是先用TBM開挖導(dǎo)洞，再用鉆爆法擴(kuò)大成需要的斷面的洞室。2.全斷面TBM開挖水平洞室42全斷面TBM開挖洞室（或?qū)Ф矗┦┕み^程①做好準(zhǔn)備工作和洞口工程包括場地平整、洞口明塹、軸線標(biāo)樁的測設(shè)，以及道路、動力、供水、通風(fēng)等輔助工作設(shè)施。②在洞口首段，先用鉆爆法開挖出一段圓形洞室，并用混凝土襯砌。該段長度不應(yīng)小于TBM的長度，襯砌好后洞室的內(nèi)徑應(yīng)略大于刀盤直徑。這段洞室稱為起始洞，又稱為機(jī)窩。其作用有：第一，作為組裝TBM的場所；第二，作為TBM錨撐的起始錨定點(diǎn)；第三，作為TBM自動推進(jìn)和導(dǎo)向的基準(zhǔn)點(diǎn)。所以，起始洞的開挖和支護(hù)要嚴(yán)格保證質(zhì)量，特別是斷面尺寸、軸線、坡度的準(zhǔn)確。③在起始洞內(nèi)組裝TBM，并進(jìn)行調(diào)試和試運(yùn)轉(zhuǎn)。④正式開車掘進(jìn)。破巖同時，連續(xù)出碴。圍巖需局部支護(hù)時，由附屬設(shè)備完成。大直徑全斷面TBM主機(jī)（部分）的總體性能參數(shù)列于表4-2-2。全斷面TBM開挖洞室（或?qū)Ф矗┦┕み^程43巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件442.2自由斷面TBM1.

自由斷面TBM法的優(yōu)點(diǎn)①開挖斷面形狀自由隧道可以分部開挖，斷面形狀和大小可自由選擇，即使遇到局部堅硬的部分，開挖其周圍后，還有掉落的可能。在掌子面難以自穩(wěn)的圍巖中，可保留核心進(jìn)行環(huán)向開挖。②易于適應(yīng)地質(zhì)條件的變化在開挖中，局部遇到硬巖時，可改為爆破開挖。采用松弛爆破，使圍巖產(chǎn)生裂隙，再采用機(jī)械開挖。為排水和壓漿的鉆孔作業(yè)也容易進(jìn)行。③開挖速度快巖質(zhì)在自由斷面TBM的適應(yīng)范圍以內(nèi)時，開挖、裝碴可同時進(jìn)行，故掘進(jìn)速度快。利用TBM的臂可架設(shè)支撐和背板。④圍巖松弛少爆破法圍巖易于松弛。機(jī)械開挖時對圍巖的影響小，可減輕支撐，襯砌厚度也可減小。2.2自由斷面TBM1.自由斷面TBM法的優(yōu)點(diǎn)45⑤噪聲、振動小開挖動力都是電力、油壓。故洞內(nèi)外噪聲、振動都小。⑥輕量、小型、機(jī)動性好即使是大斷面用的大型機(jī)，其重量也只有50t。導(dǎo)坑用的小斷面掘進(jìn)只有12t左右。機(jī)械的搬入、搬出是很容易的。⑦人員少，安全性高開挖作業(yè)時，只有一名司機(jī)。⑧機(jī)械購置費(fèi)低機(jī)械購置費(fèi)低，通用性、工作效率都高，機(jī)械損耗小，維修費(fèi)等也小。⑤噪聲、振動小開挖動力都是電力、油壓。故洞內(nèi)外噪聲、振動462.自由斷面TBM法的缺點(diǎn)①地質(zhì)條件的適用范圍小最近的大型自由斷面TBM，在抗壓強(qiáng)度小于80MPa時可經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行掘進(jìn)。歐美的掘進(jìn)機(jī)可達(dá)到100MPa，開挖效率，限界不僅與巖石的抗壓強(qiáng)度有關(guān)，也與裂隙，石英含量。石英粒徑等有關(guān)。②發(fā)生粉塵在抗壓強(qiáng)度大于15MPa的巖層中開挖時，粉塵會成為一個問題。惡化視線，降低效率，環(huán)境差。③有涌水時易于泥化。2.自由斷面TBM法的缺點(diǎn)473.適用范圍①從地質(zhì)條件看適用范圍自由斷面的TBM的適用范圍，隨著技術(shù)的提高逐漸擴(kuò)大。不僅用于軟巖，也開始用于硬巖。②從機(jī)械因素看適用范圍自由斷面TBM與全斷面TBM不同之點(diǎn)是：開挖反力由機(jī)械重量來支持。因此，各種的適用范圍與開挖斷面的高度、機(jī)體的重心高度、機(jī)體自重的支持點(diǎn)距離、刀具的切向力等有關(guān)。單軸抗壓強(qiáng)度大于80-100MPa后，機(jī)體重量急劇增加。3.適用范圍483.自由斷面TBM的基本構(gòu)造自由斷面TBM由破巖裝置、出碴裝置、移動裝置等基本部分組成，如圖4-2-9所示。自由斷面TBM的破巖裝置，系安裝在液壓伸臂上的球狀或圓錐狀的銑刀頭，又稱切削頭。這種TBM大多數(shù)只有一個液壓臂，所以又稱為獨(dú)臂鉆。該臂能伸縮及在水平方向和垂直方向上回轉(zhuǎn)，從而可在任意位置上切割破巖。自由斷面TBM的出碴裝置，實質(zhì)上就是刮板式或蟹爪式裝碴機(jī)。破碎的石碴由刮板或蟹爪搜取經(jīng)鏈板轉(zhuǎn)輸至機(jī)后的輸送帶，再裝車運(yùn)走。這種TBM的移動裝置有履帶式或輪胎式兩種，以履帶式采用較多。3.自由斷面TBM的基本構(gòu)造49第三章TBM法隧道的支護(hù)技術(shù)第一節(jié)概述1.1目前沒有適用于TBM隧道支護(hù)設(shè)計的設(shè)計方法的原因①掌子面被TBM機(jī)體所堵塞，很難基于掌子面直接觀察進(jìn)行狀況的判斷。②拱頂下沉和凈空位移等隧道動態(tài)量測，在開挖后立即進(jìn)行是困難的，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)置時間較遲。④支護(hù)設(shè)置位置，因TBM的形式而異。⑤TBM的直徑、用途是多種多樣的，在同樣的條件下的工程實績較少。第三章TBM法隧道的支護(hù)技術(shù)第一節(jié)概述1.1目前沒有適501.2支護(hù)形式的基本要素1.2支護(hù)形式的基本要素51第二節(jié)TBM法隧道的支護(hù)設(shè)計2.1在TBM法的支護(hù)設(shè)計①為確保高速掘進(jìn)，應(yīng)在盡可能短的時間內(nèi)進(jìn)行支護(hù)的施設(shè)，或支護(hù)能與掘進(jìn)平行施工。②TBM法的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，可采用輕型的支護(hù)形式。③考慮開挖到構(gòu)筑的時間較長，構(gòu)筑支護(hù)時對TBM裝置的影響，確定合理的支護(hù)施工位置（與掌子面的距離）。④是永久的或是暫時的支護(hù)。⑤支承靴擠壓對洞壁的影響。

TBM法與爆破法比，圍巖松弛范圍要小些，根據(jù)彈性波測試和孔內(nèi)加載試驗，圍巖松弛區(qū)域內(nèi)的彈性系數(shù)約降低40%-60%第二節(jié)TBM法隧道的支護(hù)設(shè)計2.1在TBM法的支護(hù)設(shè)計522.2TBM法隧道常用的支護(hù)設(shè)計方法1.RSR值法在歐洲大多采用Wickham提出的RSR（rockstructurerating）方法。此方法是采用表示巖層良好度的RSR值，在TBM隧道支護(hù)設(shè)計時，視隧道直徑不同，RSR值要增值0-20％。2.RQD法

RQD法是以RQD指標(biāo)進(jìn)行隧道圍巖分級的方法，其開挖方法和支護(hù)的關(guān)系見表4-3-4。（參見教材P294）2.2TBM法隧道常用的支護(hù)設(shè)計方法1.RSR值法2.RQ533.松弛荷載法在TBM法中，支護(hù)的構(gòu)筑位置與礦山法不同，是在掌子面后方一定距離處，作用在支護(hù)上的荷載是松弛荷載，故可采用Terzhaghi的松弛荷載進(jìn)行設(shè)計。表4-3-5是按Q值的支護(hù)分類。表4-3-6是按坑道壁的崩落情況的支護(hù)分類。3.松弛荷載法54巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件55巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件564.破巖和巖層動態(tài)法

最近有人提出，根據(jù)TBM的機(jī)械破巖數(shù)據(jù)和圍巖狀態(tài)來決定支護(hù)的方法的建議。表4-3-7表示根據(jù)地質(zhì)狀況（坑壁觀察、RSR、RMR、Q值等）、坑壁擠出和崩塌狀況、TBM的機(jī)械數(shù)據(jù)等選擇支護(hù)時的基本要素。4.破巖和巖層動態(tài)法575.圍巖分級法

我國在修建秦嶺隧道中，提出以TBM法施工圍巖劃分等級來確定支護(hù)參數(shù)，我國TBM法施工圍巖分級如表4-3-8所示。根據(jù)表4-3-8列出的圍巖級別，直徑8.8m的TBM隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及參數(shù)列于表4-3-9和表4-3-10。（參見教材P297）5.圍巖分級法582.3TBM法隧道支護(hù)實施例1.以鋼支撐為主體的實施例表4-3-11所示是以鋼支撐為主的支護(hù)示例，鋼支撐是TBM法采用最多的一種支護(hù)形式，其理由是：材料便宜，可在短時間內(nèi)架設(shè)，視圍巖狀況易變更設(shè)計，常采用100-150的H鋼支撐，與噴層和錨桿比，可立即發(fā)揮支護(hù)效果，這對掘進(jìn)速度快的TBM法是很有利的，在松弛荷載較大時，可采用鋼背板。2.3TBM法隧道支護(hù)實施例1.以鋼支撐為主體的實施例59巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件602.以仰拱管片為主的支護(hù)示例仰拱管片的支護(hù)形式主要采用在盾構(gòu)式TBM法。采用的理由是：設(shè)置簡單；不損害路基；鋪設(shè)鋼軌精度高；支承靴無效時，可用盾構(gòu)千斤頂為反力。管片的種類有鋼和RC兩種。管片上部的支護(hù)多采用鋼支撐和噴層。2.以仰拱管片為主的支護(hù)示例613.全周管片示例金屬管片多用于盾構(gòu)式TBM中，通常因材料的價格高，而限于在大量涌水區(qū)段和膨脹性圍巖地段或支承靴無效的圍巖區(qū)段采用。材料一般是鋼制的，在大斷面隧道和水路隧道中，也采用RC制的。此時，RC管片一般是作為永久支護(hù)采用的，全周管片的支護(hù)特征可舉出以下幾點(diǎn)。①可適應(yīng)大地壓、大量涌水。②支承靴無效時，可用盾構(gòu)千斤頂為反力。③因可在盾構(gòu)內(nèi)組裝，安全性高。④可在盾構(gòu)內(nèi)組裝，作業(yè)容易。⑤在支承靴可能推進(jìn)的地點(diǎn)，能與TBM掘進(jìn)平行作業(yè)，故可縮短工期。⑥對掉塊、崩塌等事故的適應(yīng)性好。3.全周管片示例624.噴錨支護(hù)示例

采用噴錨支護(hù)，盡可能地接近掌子面構(gòu)筑支護(hù)對圍巖穩(wěn)定是有利的。但在TBM法中不能像礦山法那樣進(jìn)行構(gòu)筑，通常是在TBM主體的后部構(gòu)筑噴錨支護(hù)。在敞開式TBM中，最接近掌子面構(gòu)筑支護(hù)的位置是在刀盤后，大約距掌子面１暢５m左右。盾構(gòu)式TBM，在盾構(gòu)的后部距掌子面約10m左右。由于TBM法施工時，刀盤和支承靴間有主馬達(dá)和千斤頂?shù)妊b置，對構(gòu)筑噴錨支護(hù)的空間有限制，同時噴混凝土的粉塵和回彈對裝置也有影響。4.噴錨支護(hù)示例63采用噴錨支護(hù)時，要注意以下幾點(diǎn)。①粉塵和回彈對裝置的影響。②裝置和后方設(shè)備的清掃。③開挖斷面和錨桿長度及位置。④支護(hù)效果發(fā)現(xiàn)的時間。⑤粉塵對洞內(nèi)環(huán)境的影響。⑥支承靴對噴層的損害。⑦開挖石粉在洞壁的附著。采用噴錨支護(hù)時，要注意以下幾點(diǎn)。64巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件65第四章TBM法隧道的施工技術(shù)第一節(jié)TBM法隧道的施工流程1.1全斷面TBM的掘進(jìn)循環(huán)作業(yè)①掘進(jìn)開始作業(yè)開始時，主支撐架相對主機(jī)架處在前位，主支撐靴撐緊洞壁。TBM調(diào)整方向定位后，后支撐靴提起。切削刀盤轉(zhuǎn)動，推進(jìn)液壓缸伸出，TBM向前掘進(jìn)。推進(jìn)液壓缸全部伸出，TBM掘進(jìn)向前移動一個行程。②掘進(jìn)終了準(zhǔn)備換步切削刀盤停止轉(zhuǎn)動，后支撐靴伸出抵到仰拱上以承受機(jī)器后端重力，前支撐與底面接觸以承受機(jī)械前端重力。主支撐靴回縮。第四章TBM法隧道的施工技術(shù)第一節(jié)TBM法隧道的施工流程166③換步開始當(dāng)主支撐靴回縮后，使推進(jìn)裝置的推進(jìn)液壓缸反向進(jìn)油，則活塞桿縮回帶動主支承架與主支撐靴一起相對主機(jī)架向前移動一個行程。④換步終了換步時推進(jìn)液壓缸活塞桿全部縮回，則換步終了，可以進(jìn)行下一個掘進(jìn)循環(huán)，即主支撐靴伸出，再與巖壁接觸撐緊，提起后支撐靴離開仰拱，使前支撐靴處于浮動狀態(tài)。TBM定位找正，開始工作。③換步開始當(dāng)主支撐靴回縮后，使推進(jìn)裝置的推進(jìn)液壓缸反向進(jìn)67巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件681.2自由斷面TBM的掘進(jìn)循環(huán)作業(yè)過程①為了有利于切割和落巖，切削頭首先從開挖斷面的中央下部開始切割，如圖4-4-2所示。②自下而上分層切割。液壓臂達(dá)到最大距離或伸長，即完成一個切削行程后，液壓臂收縮，移動裝置也隨之推進(jìn)。③切削頭重新從開挖斷面的中央下部開始切割，是連續(xù)作業(yè)，如圖4-4-3所示。1.2自由斷面TBM的掘進(jìn)循環(huán)作業(yè)過程69第二節(jié)TBM法隧道施工技術(shù)要點(diǎn)2.1TBM法破巖技術(shù)要點(diǎn)TBM切削破碎巖石是在掘進(jìn)時盤型刀沿巖石開挖面滾動，并通過刀盤上滾刀均勻地對巖面施加壓力，形成滾動擠壓切削而實現(xiàn)破巖。刀盤每轉(zhuǎn)動一圈，將貫入巖面一定深度，在刀刃與巖石接觸處，巖石被粉碎成巖石?；驍D壓成粉末，從這個區(qū)域開始，裂縫向相鄰的切割槽擴(kuò)展，進(jìn)而形成片狀石碴。第二節(jié)TBM法隧道施工技術(shù)要點(diǎn)2.1TBM法破巖技術(shù)要70

不同的巖石需要設(shè)置不同的盤型刀的刀間距和壓入巖石的最低壓強(qiáng)值，才能達(dá)到較理想的貫入深度。貫入深度在堅硬和裂隙很少的巖石中，一般為2.5-3.5mm／r，在中等堅硬和裂隙較多的巖石中，一般為5-9mm／r。如果刀間距太大，盤型刀產(chǎn)生的壓力達(dá)不到與相鄰盤型刀的影響范圍相接，必定開挖不出片狀石碴，從而使開挖效率降低。反之則會使石碴塊太小，從而浪費(fèi)了設(shè)備的功率。單個盤型刀的使用壽命，與軸承使用壽命、刀圈材質(zhì)和加工質(zhì)量以及它在大刀盤上的位置有關(guān)。目前刀圈的形狀已趨于常斷面型，它的優(yōu)點(diǎn)是刀圈尖端寬度在磨損后仍保持不變，因此確保了即使它承受的荷載有變化，也將是具有良好的貫入速度和深度，從而提高了切割速度并降低刀具的消耗。不同的巖石需要設(shè)置不同的盤型刀的刀間距和壓入71應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，TBM破巖施工不僅要注意巖石的抗壓強(qiáng)度，還應(yīng)注意巖石的磨蝕性以及巖體的裂隙程度，當(dāng)巖體節(jié)理裂隙面間距較大時，切割也就越困難。表4-4-1是通用于世界的裂隙分級標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)指出，TBM破巖施工不僅要注意巖石的722.2TBM施工管理技術(shù)要點(diǎn)采用TBM開挖隧道，實現(xiàn)了隧道施工的工廠化，這是一個大的管理系統(tǒng)工程。提高施工現(xiàn)場管理和設(shè)備管理水平，是提高TBM施工效率和效益的基礎(chǔ)。從圖4-4-4可以看出，使用同一型號的TBM，在相同地質(zhì)條件下，管理水平的好壞，其TBM純掘進(jìn)時間有較大的差異。如材料供應(yīng)不及時，就有可能造成仰拱不能及時鋪設(shè)，延誤軌道的延伸，進(jìn)而影響到TBM下一個循環(huán)的進(jìn)行。任何設(shè)備的故障都會直接影響到TBM的正常掘進(jìn)。2.2TBM施工管理技術(shù)要點(diǎn)731.TBM的純掘進(jìn)時間

TBM開挖隧道的有效的作業(yè)時間不等于純掘進(jìn)時間，TBM通常工作時間包括換步和更換支撐時間、檢查和更換刀具時間、維修保養(yǎng)時間、對圍巖進(jìn)行支護(hù)時間、作業(yè)造成的停機(jī)時間以及供料和出碴造成的停機(jī)和工地組織造成的停機(jī)等。據(jù)國外統(tǒng)計，在一般地質(zhì)條件下，TBM純掘進(jìn)時間在40%-50%左右是較為理想的。提高設(shè)備完好率是保證提高純掘進(jìn)時間的基礎(chǔ)。強(qiáng)化維修保養(yǎng)，建立預(yù)防性維修和關(guān)鍵部件的修理制度，是保證TBM高效利用率的重要手段。1.TBM的純掘進(jìn)時間742.TBM刀具的管理

加強(qiáng)TBM工作的管理，十分重要的是刀具的管理，這是因為刀具消耗占據(jù)隧道開挖成本的很大部分。如適當(dāng)?shù)靥岣咄屏?，雖可提高凈開挖速度，但刀具費(fèi)用會急劇增長。因此選擇合理的掘進(jìn)匹配系數(shù)可以節(jié)省刀具費(fèi)用的支出。此外，除進(jìn)行定時刀具檢查外，有經(jīng)驗的操作員應(yīng)掌握刀具的磨損規(guī)律，及時進(jìn)行更換和調(diào)換。如果只換上一把新刀，而它周圍的刀具磨損已超過限度，則新刀就會更多地承擔(dān)刀盤傳給它的推力，使其磨損加快。由于設(shè)備類型不同，使用的刀具不同，隧道圍巖變化多樣，因而掘進(jìn)選用的操作參數(shù)也不同。因此很難確切提出刀具消耗定量標(biāo)準(zhǔn)（在當(dāng)前物價條件下每開挖1m３巖石，刀具消耗費(fèi)在1-10美元，可供參考）。2.TBM刀具的管理753.TBM配件供應(yīng)管理TBM施工中，配件供應(yīng)和管理也是保證掘進(jìn)主要的方面。一般應(yīng)弄清TBM的易損件和故障較多配件的名稱和更換周期，確定一個合理的配件儲備量，避免急用時無配件或造成配件倉庫。3.TBM配件供應(yīng)管理764.施工人員的管理與鉆爆法相比工作人員大量減少。國外一般每作業(yè)班只配3-16人（我國也許要略多）。工作人員必須明確崗位及崗位工作內(nèi)容和職責(zé)。按標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)規(guī)程進(jìn)行施工操作。工作人員一般要有高中或大專以上的文化技術(shù)水平。工作班之間的交接制度要嚴(yán)格執(zhí)行。不把上一班存在的問題遺留到下一班，如有遺留，必須相互交接清楚。4.施工人員的管理775.工程地質(zhì)和監(jiān)控量測管理

對地質(zhì)施工描述應(yīng)加強(qiáng)，按地質(zhì)變化隨機(jī)應(yīng)變。特別要做好不同圍巖情況下的初期支護(hù)或臨時支護(hù)，不允許冒險作業(yè)。加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報，可用超前鉆機(jī)、地震波反射法以及地質(zhì)雷達(dá)法等物探方法，對洞內(nèi)掌子面前方30-50m范圍內(nèi)的地質(zhì)條件做出預(yù)報，以提前安排做業(yè)措施（這一點(diǎn)要比鉆爆法重要得多）。對隧道的控制測量和施工測量要提高精度等級要求，這是因為圓形斷面—旦形成，很難再調(diào)整中心線和標(biāo)高。5.工程地質(zhì)和監(jiān)控量測管理786.供電設(shè)施管理TBM施工對電力供應(yīng)及實施的要求比鉆爆法要高得多，因此必須建立專門的電力供應(yīng)機(jī)構(gòu)，確保供電質(zhì)量。多次停電、電壓不穩(wěn)、電壓降太大等，都會影響工作。7.TBM施工準(zhǔn)備要作好TBM施工的準(zhǔn)備工作，特別是洞口平縱面條件、作業(yè)場地條件、大型臨時工程等，都比鉆爆法復(fù)雜，而這些準(zhǔn)備工作如果有任何一個環(huán)節(jié)不完成，就不能正式開挖作業(yè)，因此必須統(tǒng)籌安排，具體設(shè)計，組織施工，在正式開挖前全部做到位。6.供電設(shè)施管理792.3襯砌施工技術(shù)要點(diǎn)

用TBM施工的隧道，其襯砌結(jié)構(gòu)一般是由臨時或初期支護(hù)和二次襯砌組成。初期或臨時支護(hù)是隧道開挖中保證掘進(jìn)期圍巖穩(wěn)定和TBM順利掘進(jìn)所不可缺少的。采用TBM施工時，由于開挖工作面被TBM主體充塞，對圍巖很難進(jìn)行直接觀察和判斷，而且造成進(jìn)行支護(hù)的位置相對開挖面滯后一段距離，因此不同形式的TBM，也要求采用不同的支護(hù)形式。一般在充分進(jìn)行地質(zhì)勘探后，在隧道設(shè)計時，就應(yīng)確定基本支護(hù)形式。例如引水隧道，為保證輸水的可靠性，要求支護(hù)對圍巖有密封性，所以大都采用護(hù)盾式TBM進(jìn)行管片襯砌的結(jié)構(gòu)形式；而對于一般公路、鐵路隧道，除進(jìn)行臨時支護(hù)外，視地質(zhì)情況采用二次噴射混凝土或二次模注混凝土作為永久襯砌。2.3襯砌施工技術(shù)要點(diǎn)801.管片式襯砌

使用護(hù)盾TBM時，一般采用圓形全周管片式襯砌。其優(yōu)點(diǎn)是：適合軟弱圍巖，特別是當(dāng)圍巖允許承載力很低，撐靴不能支撐巖面時，可利用尾部推力千斤頂，頂推已安裝的管片獲得推進(jìn)反力；當(dāng)撐靴可以支撐巖面時，雙護(hù)盾TBM可以使掘進(jìn)和換步同時進(jìn)行，提高了循環(huán)速度；利用管片安裝機(jī)安裝管片速度快、支護(hù)效果好，安全性強(qiáng)，但是它的造價高。為了防水的需要，每塊之間要安裝止水條，并需在管片外圓和洞壁間隙壓入碎石和注漿。管片預(yù)制一般在工地建設(shè)混凝土預(yù)制品工廠來完成。1.管片式襯砌812.二次模注混凝土

使用開敞式TBM，一般是隨開挖先施作臨時支護(hù)，然后進(jìn)行二次模注混凝土永久性襯砌（圖4-4-5）。這是為了保證TBM的高速度掘進(jìn)，而不可能使開挖作業(yè)與模注混凝土襯砌作業(yè)同時進(jìn)行。此外，在機(jī)械上部進(jìn)行襯砌作業(yè)，會給TBM設(shè)備帶來嚴(yán)重的混凝土污染，因此只在刀盤后部進(jìn)行必要的如錨桿、噴射混凝土、架鋼拱架等臨時支護(hù)。2.二次模注混凝土82二次混凝土襯砌，根據(jù)地質(zhì)條件也有用噴射混凝土作為永久襯砌的，如瑞士弗爾艾那鐵路單線隧道，就是采用二次噴射混凝土為永久襯砌的。在噴射混凝土中安裝了鋼筋網(wǎng)，加入了鋼纖維。多數(shù)隧道往往采取二次模注混凝土襯砌，使用穿行式模板臺車，進(jìn)行永久襯砌的灌注。根據(jù)設(shè)計的斷面形狀，制造模板臺車，這與鉆爆法施工一致。值得注意的是，二次襯砌完成后，TBM在完成掘進(jìn)任務(wù)后，不可能從原路退出，只有在完成開挖位置進(jìn)行擴(kuò)大洞室，在隧道內(nèi)進(jìn)行拆卸TBM部分機(jī)件（如大刀盤的解體）時，才有可能退出。如果用一臺TBM從進(jìn)口一直掘進(jìn)到出口，則不會發(fā)生洞內(nèi)拆卸問題。二次模注混凝土的拌和工廠、輸送車、混凝土泵等的施工方法與其他方法相同。二次混凝土襯砌，根據(jù)地質(zhì)條件也有用噴射混凝土832.4不良地質(zhì)地段施工技術(shù)要點(diǎn)

TBM由于其高效、安全的優(yōu)越性能，近年來得到越來越多的應(yīng)用，但其對斷層破碎帶等不良地質(zhì)條件的適應(yīng)性較差。這些不良地質(zhì)條件對TBM掘進(jìn)會產(chǎn)生較大的影響，不僅可能導(dǎo)致TBM掘進(jìn)作業(yè)時間利用率降低，甚至有可能出現(xiàn)TBM損壞和難以順利通過的情況。必須采取有效的措施，否則處理不當(dāng)就會給施工帶來嚴(yán)重的后果。我國云南天生橋水電站引水隧洞、意大利戈森薩鐵路隧道以及奧地利坎波羅索鐵路隧道在TBM通過斷層帶時都遇到TBM刀盤被卡住的事故，造成長時間的停機(jī)。中鐵隧道集團(tuán)在摩溝嶺隧道工地施工時，也出現(xiàn)了TBM被卡20多天的事故。2.4不良地質(zhì)地段施工技術(shù)要點(diǎn)841.地質(zhì)條件超前預(yù)報與預(yù)測由于地質(zhì)勘探的局限性，TBM在隧洞掘進(jìn)中往往會遇到一些地質(zhì)圖上沒有反映出來的不良情況。為了進(jìn)一步探明TBM前方斷層破碎帶的確切情況，應(yīng)積極開展工程地質(zhì)超前預(yù)報工作，以便詳細(xì)掌握斷層破碎帶的情況，從而采取合理的措施。目前，其常用的方法有：利用TBM上配備的超前鉆機(jī)；利用超前預(yù)報系統(tǒng)（如地震地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)TSP）；利用平導(dǎo)地質(zhì)情況推斷；利用出露的巖石、出碴的情況以及掘進(jìn)時的異常情況進(jìn)行判斷等。在秦嶺隧道施工中，通過TBM自帶的超前鉆機(jī)（超前探測20-30m）和TSP202超前地質(zhì)探測儀進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報，并通過Ⅱ線平導(dǎo)以及出露的巖石、出碴的情況和掘進(jìn)時的異常情況對前方地質(zhì)情況進(jìn)行了綜合判斷，較好地探明了前方破碎帶的情況，為TBM順利通過奠定了基礎(chǔ)。

1.地質(zhì)條件超前預(yù)報與預(yù)測852.預(yù)加固

根據(jù)前方的地質(zhì)情況判斷是否適合TBM掘進(jìn)，若適合，則繼續(xù)向前掘進(jìn)；反之，則需對前方不良地質(zhì)地段進(jìn)行加固，或采用其他方法通過。如與其他方案在工期、經(jīng)濟(jì)性等方面進(jìn)行比較后認(rèn)為預(yù)加固方案可行，則利用TBM直接向前方斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段進(jìn)行加固處理?？衫肨BM所配備的超前鉆機(jī)，結(jié)合TBM自身配備的注漿設(shè)備，對隧道前方斷層破碎帶的圍巖進(jìn)行超前預(yù)注漿和超前管棚注漿加固。在鉆孔前，為防止掌子面出現(xiàn)圍巖坍塌和漏漿，可利用TBM自身配備的噴射系統(tǒng)在刀盤開挖后噴射一層混凝土，但嚴(yán)禁刀盤后退以防塌落卡死刀盤。在進(jìn)行注漿前，先用水沖洗鉆孔，注漿時，為防止串漿和漏注，可先從兩側(cè)的鉆孔向拱頂對稱注漿。注漿參數(shù)應(yīng)根據(jù)圍巖的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)（如圍巖孔隙率、裂隙率、滲透系數(shù)、涌水量、水壓等）并結(jié)合試驗來選擇確定。2.預(yù)加固863.對坍塌的處理①小規(guī)模坍塌作業(yè)面頂部和面部發(fā)生若干坍塌或小范圍的剝離，但不擴(kuò)大；刀盤護(hù)盾與巖壁間有小塊巖石脫落，拱部或側(cè)壁發(fā)生小坍塌，但沒有繼續(xù)發(fā)展擴(kuò)大的跡象。掘進(jìn)正常，推力、扭矩變化不大，機(jī)械（尤其主機(jī)區(qū)域）沒有異常的振動和聲響，碴均勻集中，偶爾混有大塊巖碴。以上情況可采用如下的支護(hù)措施：撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)、打系統(tǒng)錨桿，視情況架立鋼拱架。3.對坍塌的處理87②中等規(guī)模坍塌作業(yè)面剝落嚴(yán)重，拱頂嚴(yán)重坍塌或局部剝落，但刀具還可運(yùn)轉(zhuǎn)；撐靴部位坍落嚴(yán)重，墊襯、倒換困難；護(hù)盾與巖壁間落下大量石塊；掘進(jìn)時機(jī)械振動較大，有異常的噪聲，推力有減弱的傾向，扭矩增大，并有上下變動的傾向，皮帶輸送機(jī)上大塊增多，伴有少量細(xì)碴，碴堆忽多忽少，不均勻。以上情況可采用以下支護(hù)措施：利用手噴混凝土系統(tǒng)向坍塌處噴射混凝土，及時封閉圍巖，減少巖石暴露時間；安裝全圓鋼拱架，拱架安裝前先在撐靴以上部位掛鋼筋網(wǎng)；打注漿錨管，以提高撐靴的承載能力。②中等規(guī)模坍塌作業(yè)面剝落嚴(yán)重，拱頂嚴(yán)重坍塌或局部剝落，但88③大規(guī)模坍塌拱頂及洞壁發(fā)生大面積坍塌，且發(fā)展很快以至于常規(guī)施工方法無法控制；從護(hù)盾邊緣觀察拱頂坍塌很深，大量石塊從護(hù)盾與巖壁之間落下，坍塌向后部區(qū)域擴(kuò)大；撐靴撐著的洞壁部位大量坍落，從而不能取得反力，無法換程；掘進(jìn)時機(jī)械振動特別大，在主控室即能聽到掌子面發(fā)出的巨大聲響；推進(jìn)時，扭矩變得很大，刀具旋轉(zhuǎn)困難或不能旋轉(zhuǎn)；巖碴大量產(chǎn)生，發(fā)生堵塞，嚴(yán)重時刀盤被石塊卡住，無法旋轉(zhuǎn)，碴中以大塊為主，幾乎沒有細(xì)碴。以上情況可采用如下支護(hù)措施：TBM停止掘進(jìn)，采取輔助對策，從TBM后方打探孔，在坍塌部位注漿，除去坍塌處的土碴，并用細(xì)石混凝土等充填，并架立鋼拱架支護(hù)。③大規(guī)模坍塌拱頂及洞壁發(fā)生大面積坍塌，且發(fā)展很快以至于常894.斷層破碎帶①斷層破碎帶對TBM施工的影響

斷層破碎帶對TBM施工造成不利的影響主要有：a開挖后工作面及拱頂坍塌、剝落，將TBM刀盤埋入，刀盤旋轉(zhuǎn)困難。b開挖面及邊墻坍塌，撐靴支撐力不夠，不能提供TBM掘進(jìn)所需的足夠的支反力。c給噴錨支護(hù)帶來困難。d圍巖軟硬不均，刀盤旋轉(zhuǎn)時易產(chǎn)生振動，影響刀具的使用壽命，增加刀具消耗。e當(dāng)圍巖軟硬不均時可能會引起TBM機(jī)體的擺動增加，給掘進(jìn)方向的控制帶來困難。f如存在涌水則會由于水壓作用，工作面發(fā)生坍塌，涌水淹埋刀盤及機(jī)體，增大刀盤的旋轉(zhuǎn)扭矩；水的作用造成側(cè)壁坍塌，支撐靴無法支撐；涌水淹沒機(jī)體等。4.斷層破碎帶90②通過斷層破碎帶的主要輔助設(shè)備采用合適的設(shè)備來快速、安全通過斷層破碎帶等不良地質(zhì)地段是至關(guān)重要的。目前主要的設(shè)備有超前鉆機(jī)、錨桿機(jī)、環(huán)梁安裝器等。這些設(shè)備一般安裝在掘進(jìn)機(jī)的頭部、刀盤支撐體后面、大梁頂部，以便在掘進(jìn)過程中一旦發(fā)現(xiàn)險情就能及時利用它們進(jìn)行處理。②通過斷層破碎帶的主要輔助設(shè)備采用合適的設(shè)備來快速、安全91③通過斷層破碎帶的處理措施當(dāng)要通過斷層破碎帶時，一般按圖4-4-6所示的步驟進(jìn)行施工，并根據(jù)斷層破碎帶的具體情況采取不同的措施。具體的步驟和措施為：③通過斷層破碎帶的處理措施當(dāng)要通過斷層破碎帶時，一般按圖92a掘進(jìn)前超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)測，以確定破碎帶邊緣、長度、破碎程度以及含水情況等。根據(jù)破碎帶的不同情況采取不同的處理措施。對于輕微破碎地段，對TBM不會造成影響時，可不進(jìn)行處理；對于一般的破碎地段，采用先掘進(jìn)，再處理的辦法；對于嚴(yán)重破碎地段，TBM無法施工時，停止掘進(jìn)，用TBM所配的鉆孔注漿設(shè)備進(jìn)行超前加固，然后打超前鉆孔檢查，證明可行時再向前掘進(jìn)并進(jìn)行處理。如破碎段長，且破碎嚴(yán)重，一般加固仍無法使用TBM順利通過時，可用鉆爆法開挖成洞，TBM隨后跟進(jìn)通過。a掘進(jìn)前超前地質(zhì)預(yù)報的預(yù)測，以確定破碎帶邊緣、長度、破碎程93b掘進(jìn)時合理選用TBM掘進(jìn)參數(shù)。在不同的地質(zhì)條件下，TBM所需要的推力、掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩和撐靴支撐力等掘進(jìn)參數(shù)是不同的。在TBM通過斷層破碎帶時，可適當(dāng)減少TBM的掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)，這樣能有效地減小對圍巖的擾動，從而減小或避免發(fā)生坍方，使TBM安全通過。同時，要根據(jù)掘進(jìn)中部分掘進(jìn)參數(shù)的相對變化，了解前方圍巖的變化情況（例如通過推進(jìn)壓力的大小可推知圍巖強(qiáng)度情況，通過刀盤扭矩的大小可推知圍巖的完整性情況），從而及時調(diào)整TBM的掘進(jìn)參數(shù)或采用其他措施，使TBM快速、安全通過。b掘進(jìn)時合理選用TBM掘進(jìn)參數(shù)。在不同的地質(zhì)條件下，TBM94c掘進(jìn)后加強(qiáng)支護(hù)。對一般破碎地段，可采用噴射混凝土或噴射纖維混凝土、局部加錨桿噴射纖維混凝土的支護(hù)措施；對嚴(yán)重破碎地段，可采用架設(shè)鋼拱架、掛網(wǎng)、噴射混凝土或纖維混凝土的支護(hù)措施。c掘進(jìn)后加強(qiáng)支護(hù)。對一般破碎地段，可采用噴射混凝土或噴射95④區(qū)域性斷層的處理對于大的區(qū)域性斷層破碎帶，為使TBM快速、安全通過這些地段，確保工期，一般可以先進(jìn)行預(yù)處理，然后TBM掘進(jìn)通過或直接步進(jìn)通過。預(yù)處理的主要技術(shù)措施是對圍巖進(jìn)行帷幕注漿，以達(dá)到加固圍巖和堵水的目的。主要方案有：a中導(dǎo)洞鉆爆法開挖、TBM擴(kuò)挖方案該方案先開挖中導(dǎo)洞，并通過圍巖注漿達(dá)到加固破碎圍巖和堵水的目的。當(dāng)TBM到位后，擴(kuò)大隧道斷面通過。b全斷面鉆爆法開挖、TBM穿行通過方案該方案以隧道中心線為中心進(jìn)行全斷面開挖，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)形式和TBM穿行方式，確定相應(yīng)開挖斷面尺寸。施工中首先對圍巖進(jìn)行注漿加固止水，然后全斷面開挖并進(jìn)行初期支護(hù)，待TBM到位后穿行通過。④區(qū)域性斷層的處理對于大的區(qū)域性斷層破碎帶，為使TBM快96秦嶺Ⅰ線采用維爾特TB880E開敞式硬巖TBM施工，其處理軟弱圍巖的能力較差，為確保TBM安全通過F４斷層及確保工期，對F４斷層400m長度范圍采取了預(yù)處理，提前用鉆爆法全斷面開挖及襯砌，然后TBM步進(jìn)通過。a開挖從臨時通道及正洞同時進(jìn)行開挖，通過橫通道小導(dǎo)洞進(jìn)入正洞后，再進(jìn)行擴(kuò)挖成形，開挖直徑略大于TBM最大直徑。正洞前５０m采用三步微臺階逆作法施工，人工配合裝載機(jī)出碴；50m后，組裝簡易臺架，臺架配合風(fēng)鉆全斷面打眼爆破或小導(dǎo)坑超前爆破，裝載機(jī)出碴。b支護(hù)措施本著短進(jìn)尺、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測的施工原則，采取鋼拱架支撐、超前錨桿支護(hù)的支護(hù)措施。鋼拱架間距0.5-1.0m，超前錨桿間距40cm，錨桿長3m，水平搭接不小于1m。拱架架設(shè)后，立即在拱腰和拱腳撐上橫鋼撐，同時迅速噴漿，封閉巖面。對于圍巖變形嚴(yán)重坍穴較深處，立即噴灌混凝土回填以加強(qiáng)支護(hù)。對于斷層中的破碎帶采取管式注漿錨桿，預(yù)注漿加固拱部巖層。秦嶺Ⅰ線采用維爾特TB880E開敞式硬巖TB97引黃入晉工程通過特大斷層破碎帶時，采取了以下措施：a沿洞線方向開一個輔助巷道，巷道尺寸以有利于同時打眼和注漿的最小斷面為宜。b注漿加固靠近掌子面的10m范圍。c由輔助巷道排水棄碴。d在工作面上用鋼筋及灌漿組成一個傘狀保護(hù)拱。e加固注漿完成后，TBM緩慢推進(jìn)，適當(dāng)降低功率和推力，根據(jù)發(fā)生的種種情況隨時采取加固措施，直至通過斷層破碎帶。另外，還要作好各種準(zhǔn)備工作，如各種材料、設(shè)備的準(zhǔn)備工作以及人員培訓(xùn)工作等，保證掘進(jìn)、支護(hù)等工作的快速高質(zhì)量完成，使TBM順利通過斷層破碎帶。引黃入晉工程通過特大斷層破碎帶時，采取了以下措施：985.軟弱破碎地層撐腳處的圍巖加固技術(shù)TBM掘進(jìn)時，支撐靴支撐著設(shè)備的重量并將推力和刀盤扭矩的反力傳遞給邊墻巖壁，當(dāng)邊墻巖壁強(qiáng)度足以承受支撐靴壓力時，TBM方可正常掘進(jìn)。因此，對小范圍的邊墻塌方，可通過鎖死部分支撐靴，減小對圍巖的支撐壓力，同時相應(yīng)地減小TBM推力、推進(jìn)速度，在TBM不停機(jī)的情況下通過坍方地段；如果邊墻相對軟弱，可在支撐靴處加墊枕木垛增大接地面積，然后通過。當(dāng)隧道邊墻發(fā)生較大的坍方或邊墻圍巖強(qiáng)度不足以承受撐靴壓力，而以上措施又不能奏效時，可先停機(jī)，在撐靴處打數(shù)根注漿錨管，注漿后提高地層承載力；也可在采用噴錨網(wǎng)＋鋼拱＋灌注混凝土的聯(lián)合支護(hù)方式進(jìn)行處理后再掘進(jìn)。5.軟弱破碎地層撐腳處的圍巖加固技術(shù)996.軟弱地帶下沉處理根據(jù)前方地質(zhì)情況，如判斷可能發(fā)生下沉并且施工中簡單處理仍可能發(fā)生嚴(yán)重下沉?xí)r，可預(yù)注漿加固處理，達(dá)到一定的強(qiáng)度后再掘進(jìn)通過。如在掘進(jìn)中發(fā)生TBM下沉，則將TBM后退到斷層軟弱區(qū)外，后退前應(yīng)對開挖面及開挖段進(jìn)行初期支護(hù)，以防塌落。然后裝上枕木垛，用千斤頂對TBM進(jìn)行姿態(tài)校正，之后再澆筑混凝土置換，為使混凝土能承受撐靴的壓力，混凝土必須澆筑至起拱線。6.軟弱地帶下沉處理1007.斷層破碎帶涌水的處理

TBM掘進(jìn)時，突發(fā)涌水會給施工帶來嚴(yán)重影響，甚至危及人員及財產(chǎn)安全。因而，處理方案應(yīng)堅持的原則為：預(yù)測先行，預(yù)防為主；防微杜漸，確保安全。一般可采用以下步驟和措施：a掘進(jìn)前打超前鉆孔，可結(jié)合破碎帶探孔，探測鉆孔出水量、水壓，確定涌水點(diǎn)里程。打超前放水孔進(jìn)行放水，放水過程中，時刻觀察水壓及水量變化，如水壓減小，在做好排水系統(tǒng)的條件下，TBM繼續(xù)掘進(jìn)；如排水孔水壓及水量不減，開挖后會造成工作面及側(cè)壁坍塌或排水設(shè)施跟不上，必須采用注漿堵水。b暢掘進(jìn)后對工作面的涌水或注漿后的剩余水量及時排離工作面。對側(cè)壁的漏水采用擋遮、引排措施，保證噴射混凝土質(zhì)量。噴射混凝土后，由于水壓升高，有可能使一次支護(hù)破壞，則采用引排方法或壁后注漿法封堵。當(dāng)水壓過高，水量過大時，采用圍巖注漿，將水填堵在圍巖內(nèi)部。

7.斷層破碎帶涌水的處理101秦嶺隧道Ⅰ線工程出口段，對于斷層破碎帶的涌水采取了以下處理措施：a圍巖內(nèi)只有微量滲水或局部滴水，一般采用無水地段處理辦法。用錨桿、鋼筋網(wǎng)加格柵拱架的加強(qiáng)支護(hù)，并在拱頂設(shè)置草繩引水。b在股狀、線狀出水段，加密透水管及草繩引排，再鋪設(shè)無紡布和防水板，要求防水板粘貼緊密無縫隙，不允許射釘打穿防水板，采用抗?jié)B透等級較高的防水混凝土，盡量減少施工縫，施工縫、沉降縫采用防水接頭?？紤]到巖石松軟且發(fā)現(xiàn)拱頂有下沉現(xiàn)象，為避免圍巖侵入襯砌限界，局部架設(shè)全圓鋼拱架，間距1.8m。c對于較大股狀涌水的集中出水段，間隔打1.5-2.0m深排水孔，插入廢舊橡膠管，通過軟式透水管將水引到隧道底部的仰拱塊中心水溝內(nèi)排出或?qū)⑺刈。_挖一導(dǎo)洞，通過Ⅱ線平導(dǎo)排水。軟式透水管設(shè)置間距應(yīng)加密，頂部鋪設(shè)防水板，切實做好防排水工作。同時采用防水混凝土。噴射混凝土?xí)r，適當(dāng)增加水泥用量，噴射手要掌握好速凝劑的摻量，并由遠(yuǎn)及近逐漸向有水地段噴射。秦嶺隧道Ⅰ線工程出口段，對于斷層破碎帶的涌水采取了以下處理措1028.超前支護(hù)技術(shù)

一般而言，TBM特別是開敞式TBM施工，最好用于地質(zhì)條件較好的隧道。如果地質(zhì)條件太差，需要過多的輔助作業(yè)來保證TBM施工，就不能發(fā)揮TBM速度快、效率高的優(yōu)勢。同時，輔助作業(yè)的施作也受TBM的充塞影響而產(chǎn)生困難，造成費(fèi)用過高、工期延長，因而也就沒有必要使用TBM施工了。但任何一座隧道，不可能不出現(xiàn)一些局部地質(zhì)條件較差地段，因此TBM必須具備通過不良地質(zhì)的能力。

為了滿足不良地質(zhì)作用的要求，TBM可以安裝一些輔助設(shè)備進(jìn)行特殊功能作業(yè)。加裝的地質(zhì)超前鉆機(jī)安裝在主機(jī)頂部、大刀盤后部的平臺上，它在主機(jī)停機(jī)時進(jìn)行掌子面前３０m的超前鉆孔，以預(yù)報前方地質(zhì)情況，為掘進(jìn)提供可靠消息。超前鉆機(jī)還具備注漿和安裝管棚的功能，以對圍巖進(jìn)行預(yù)先加固，使TBM具備自我加固前方不良地質(zhì)地段的能力和自我通過能力。8.超前支護(hù)技術(shù)103巖質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程培訓(xùn)課件104緊靠刀盤的后部安裝有鋼拱環(huán)安裝器，利用工字鋼拱環(huán)形成支護(hù)結(jié)構(gòu)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是材料便宜，加工容易，安裝速度快，支護(hù)效果及時。鋼拱環(huán)的間距要與TBM的行程距離一致或成倍數(shù)關(guān)系，在預(yù)制仰拱塊時要留有安放拱環(huán)的溝槽。TBM上有前后兩排共４臺錨桿鉆機(jī)，以滿足對圍巖進(jìn)行錨桿支護(hù)作業(yè)的需要。拱頂部分的錨桿作業(yè)是非常必要的，在掘進(jìn)的同時，錨桿作業(yè)應(yīng)能同時進(jìn)行。緊靠刀盤的后部安裝有鋼拱環(huán)安裝器，利用工字鋼拱105

在TBM施工中也會發(fā)生一些意外的較大事故。如開挖面大規(guī)模塌方造成機(jī)件被埋，洞壁圍巖變形卡住機(jī)體，突發(fā)的大量涌水淹沒機(jī)體和工作面擠出迫使機(jī)體后移等。造成這些事故的主要原因是事先地質(zhì)勘察不明，施工地質(zhì)預(yù)報不及時，因此而停工處理的時間和費(fèi)用都很大，這一點(diǎn)要引起特別注意并避免發(fā)生。處理方法主要是使TBM后退，人工到掌子面用不同方法進(jìn)行加固處理，以便讓TBM通過。最根本的，仍然是做好地質(zhì)勘察和施工地質(zhì)超前預(yù)報工作。

在國外，曾有TBM通過堆積大塊砂卵石層地層時，施工失敗的報道。在國內(nèi)，貴州天生橋電站水工隧洞因突然發(fā)現(xiàn)大型溶洞而使TBM無法工作。因此相當(dāng)多的人認(rèn)為，在大塊卵石層和溶洞群這樣特殊地質(zhì)情況下，不宜用TBM施工。遇有膨脹性很高的膨脹巖土?xí)r，由于圍巖變形值很大，必須采取有效措施，才能保證順利施工。在TBM施工中也會發(fā)生一些意外的較大事故。如開106第三節(jié)TBM法隧道的輔助工法3.1采用輔助工法的地質(zhì)條件從地質(zhì)條件和事故的關(guān)系看，敞開式TBM中，掉塊和崩落事故占大多數(shù)；采用護(hù)盾式TBM施工，掉塊和崩落事故比敞開式TBM少。在粘土和土砂的軟弱圍巖中，與涌水有關(guān)的事故占多數(shù)。第三節(jié)TBM法隧道的輔助工法3.1采用輔助工法的地質(zhì)條件1072.2事故的類型在TBM法中，大多數(shù)是小型的事故，事故的事前預(yù)測和對策是受限定的，對小型的事故，可采用簡單的處理方法即可收效（參見教材P313）在其中使掘進(jìn)成為不可能的重大事故是：①掌子面大規(guī)模崩落，埋沒TBM。②洞壁擠出使機(jī)體卡住。③突發(fā)的大涌水，淹沒機(jī)體。④掌子面擠出使機(jī)體后退。2.2事故的類型在TBM法中，大多數(shù)是小型的事1082.3TBM隧道輔助工法的類型TBM隧道施工時輔助工法的選擇，一般應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①預(yù)計有無可能產(chǎn)生掘進(jìn)的重大事故。②采用輔助工法施工的位置。③與TBM形式相適應(yīng)的輔助工法。表4-4-4列出了TBM隧道施工對事故的代表性對策。2.3TBM隧道輔助工法的類型109演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！110

劉俊新

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)地下工程

劉俊新

(西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)地下工程111第四篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程第四篇掘進(jìn)機(jī)法修建的地下工程112第一章TBM法及其應(yīng)用第一節(jié)概述1.1盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)機(jī)（tunnelboringmachine），簡稱TBM，是一種修建巖質(zhì)隧道的工廠化的施工技術(shù)。與盾構(gòu)有異曲同工之處。在機(jī)械施工中，很長一段時期，把在土質(zhì)隧道中采用的機(jī)械稱為盾構(gòu)，而把在巖質(zhì)隧道施工中的機(jī)械稱為掘進(jìn)機(jī)，或者巖石掘進(jìn)機(jī)。由于機(jī)械制造技術(shù)的快速發(fā)展，這種區(qū)分越來越不明顯，因此目前多把掘進(jìn)機(jī)和盾構(gòu)一并稱為盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)。第一章TBM法及其應(yīng)用第一節(jié)概述1.1盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)113①安全、省力、改善勞動環(huán)境等社會的要求提高。使單純作業(yè)和危險作業(yè)機(jī)械化。②掘進(jìn)機(jī)施工不采用爆破，對圍巖擾動小，有利于保護(hù)圍巖、維護(hù)圍巖固有的承載力，減輕支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)量。③施工對周圍影響小、安全性和施工可靠性高、洞內(nèi)的作業(yè)環(huán)境也比其他隧道施工方法好等。④由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，把盾構(gòu)技術(shù)引進(jìn)到TBM中，使TBM法的適用范圍擴(kuò)大，發(fā)揮TBM的作用。1.2掘進(jìn)機(jī)技術(shù)獲得巨大發(fā)展的原因①安全、省力、改善勞動環(huán)境等社會的要求提高。使單純作業(yè)和危114第二節(jié)TBM法2.1TBM法

隧道TBM是一種專用的開挖設(shè)備。它利用機(jī)械破碎巖石的原理，完成開挖、出碴及混凝土（鋼）管片安裝的聯(lián)合作業(yè)，連續(xù)不斷地進(jìn)行掘進(jìn)。用此法修筑隧道的方法，稱為TBM法。第二節(jié)TBM法2.1TBM法隧道TBM是1151.根據(jù)破碎巖石的方法分類：擠壓式主要是通過水平推進(jìn)油缸，使刀盤上的滾刀強(qiáng)行壓入巖體，并在刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程中，用擠壓和剪切的聯(lián)合作用破碎巖體。切削式利用巖石抗彎、抗剪強(qiáng)度低（僅為抗壓強(qiáng)度的1/10-1/20）的特點(diǎn)，靠銑削（即剪切）和彎斷破碎巖體。2.按照TBM的作業(yè)是否封閉分類：可分為開敞式、單護(hù)盾和雙護(hù)盾TBM。開敞式TBM適用于圍巖穩(wěn)定性好的場合，護(hù)盾式TBM適合于圍巖較軟弱、需進(jìn)行混凝土（鋼）管片安裝的場合。2.2TBM的分類1.根據(jù)破碎巖石的方法分類：2.2TBM的分類116TBM一般由刀盤、機(jī)架、推進(jìn)缸、套架、支撐缸、膠帶機(jī)及動力間等部分組成。掘進(jìn)時，通過推進(jìn)缸給刀盤施加壓力，滾刀旋轉(zhuǎn)切碎巖體，由裝在刀盤上的集料斗轉(zhuǎn)至頂部通過膠帶機(jī)將巖碴運(yùn)至機(jī)尾，卸入其他運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)走。為了避免粉塵危害，TBM頭部裝有噴水及吸塵設(shè)備，在掘進(jìn)過程中連續(xù)噴水、吸塵。2.3TBM1.TBM的工作TBM一般由刀盤、機(jī)架、推進(jìn)缸、套架、支撐缸117圖a為機(jī)器用支撐板撐住，前后下支撐回縮，推進(jìn)缸推壓刀盤鉆掘開始；圖b為掘進(jìn)一個行程，鉆掘終止;圖c為前后下支撐伸出到洞底部、支撐板回縮；圖d為外機(jī)體前移，用后下支撐調(diào)整機(jī)器方位；圖e為支撐板撐住洞壁，前后下支撐回縮，為下一個工作循環(huán)做好準(zhǔn)備。2.TBM的工作循環(huán)圖圖a為機(jī)器用支撐板撐住，前后下支撐回縮，推進(jìn)1182.4TBM的破巖原理TBM的破巖原理，隨刀具的類型不同分為滾刀和削刀兩類。1.滾刀破巖滾刀破巖是通過滾刀對巖石施加強(qiáng)大的壓力，在巖面上滾動來破碎巖石的。根據(jù)滾刀的形式不同，又分為圓盤型、楔齒型、球齒型滾刀幾類。2.4TBM的破巖原理TBM的破巖原理，隨119a.圓盤型滾刀

工作時每只圓盤刀具上約作用有50-200kN的壓力，使巖體表面在刀圈刀尖強(qiáng)集中力作用下破碎并被切入，并形成切入坑，如圖4-1-2b所示。隨著滾刀滾動，切入坑連通，在巖面上形成一條條的破碎溝，破碎溝之間巖石AO1C又受滾刀側(cè)刃擠壓力的作用而剪切破碎。當(dāng)切入深度h較小時，剪裂面為O1C或O2D，h較大時，剪裂面為O1O2，如圖4-1-2c所示。a.圓盤型滾刀120b.楔齒型和球齒型最初由楔齒的尖端，在滾刀轉(zhuǎn)動情況下產(chǎn)生切向張力破壞巖石的表面，切入深度為λ，如圖4-1-3c所示。然后，由齒尖在楔入力繼續(xù)引起剪切破壞，楔入深度為h。另外，各齒環(huán)的齒節(jié)是不同的，因此加大了楔齒的破巖效果。球齒型滾刀的破巖原理與楔齒型滾刀相同，球齒型滾刀更為耐磨，適用于硬巖掘進(jìn)。b.楔齒型和球齒型1212.削刀破巖工作時，削刀在擠壓力PV和切割力PH的作用下，首先在刀尖處形成切碎區(qū)，隨著刀具回轉(zhuǎn)運(yùn)動，形成剪力破碎區(qū)，如圖4-1-4所示。削刀繼續(xù)回轉(zhuǎn)即在巖壁上留下環(huán)狀切削槽，該槽的寬度即為刀刃的寬度，約為刀具回轉(zhuǎn)一周破巖總進(jìn)尺的1/4-1/3，兩切削槽之間的巖石，約為破巖進(jìn)尺的2/3-3/4，則由削刀側(cè)向擠壓力R作用而剪力破碎，如圖4-1-5所示。2.削刀破巖122不論是滾刀或是削刀，總的破巖體積中，大部分破巖并不是由刀具直接切割的，而是由后進(jìn)刀具剪切破碎的。為有效破巖，先形成破碎溝或切削槽是前提條件。破碎溝或切削槽的深度、寬度愈大，破巖效果便愈好。因此，需根據(jù)開挖巖體的性質(zhì)，選擇適宜的刀具。不論是滾刀或是削刀，總的破巖體積中，大部分破巖1232.5TBM的特點(diǎn)1.TBM法的優(yōu)點(diǎn)①開挖作業(yè)能連續(xù)進(jìn)行，施工速度快，工期短。特別是在穩(wěn)定的圍巖中長距離施工時，此特征尤其明顯。②對圍巖的擾動損傷小，用爆破法使圍巖的損傷范圍約為2-3m，而TBM法只有1m左右，幾乎不產(chǎn)生松弛、掉塊、