《公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南》

ICS號

CCS號

團體標準

T/CHTSXXXXX-202X

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

DesignGuideforFullFaceRockTunnelBoringMachineMethod

forHighway

(征求意見稿)

2022-xx-xx發(fā)布2022-xx-xx實施

中國公路學會發(fā)布

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

總則

1.0.1為規(guī)范和指導公路隧道全斷面巖石掘進機法設計，制定本指南。

1.0.2本指南適用于不大于兩車道新建全斷面巖石掘進機施工的公路隧道工程。

1.0.3新建特長公路隧道應結合地形、地質(zhì)、水文和運輸場地等條件，經(jīng)技術、經(jīng)濟綜合

比選，宜優(yōu)先采用全斷面巖石掘進機法。

1.0.4隧道主體結構應根據(jù)設計使用年限及環(huán)境作用等級進行耐久性設計，設計使用年限

為100年。

1.0.5全斷面巖石掘進機施工的公路隧道工程設計除應符合本指南的規(guī)定外，尚應符合國

家和行業(yè)現(xiàn)行有關標準的規(guī)定。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

術語和符號

術語

2.1.1全斷面隧道掘進機fullfacetunnelboringmachine

通過開挖并推進式前進實現(xiàn)隧道全斷面成型，且?guī)в兄苓厷んw的專用機械設備。

2.1.2敞開式巖石隧道掘進機opentypehardrocktunnelboringmachine

利用支撐機構撐緊洞壁以承受向掘進的反力及扭矩的全斷面巖石隧道掘進機。

2.1.3護盾式巖石隧道掘進機shieldedhardrocktunnelboringmachine

在整機外圍設置與機器直徑相一致的圓筒形防護結構以利于掘進和進行管片安裝的全

斷面巖石掘進機。

2.1.4單護盾巖石隧道掘進機singleshieldrocktunnelboringmachine

具有護盾保護，僅依靠管片承受掘進反力的巖石隧道掘進機。

2.1.5雙護盾巖石隧道掘進機doubleshieldrocktunnelboringmachine

具有護盾保護，依靠管片和/或撐靴撐緊洞壁以承受掘進反力和扭矩，掘進可與管片拼

裝同步的巖石隧道掘進機。

2.1.6主機mainmachine

全斷面隧道掘進機的開挖、推進和支護裝置的總稱。

2.1.7后配套系統(tǒng)back-upsystem

為主機提供工作支持條件、位于連接橋及其后方的設備和結構的總稱，包括連接橋、后

配套拖車及輔助設備。

2.1.8刀盤cutterhead

設置在全斷面隧道掘進機的前端，通過旋轉或其他運動方式對地層進行全斷面開挖的鋼

結構和刀具的總成。

2.1.9刀具cuttertools

對地層進行切削或破碎的刃具。

2.1.10撐靴系統(tǒng)grippersystem

敞開式和雙護盾巖石隧道掘進機中可撐緊洞壁承受掘進反力的系統(tǒng)，主要由鋼結構架、

液壓缸、撐靴等組成。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

2.1.11圍巖分級surroundingrockclassification

根據(jù)巖體完整程度和巖石強度等指標，按穩(wěn)定性對圍巖進行的分級。

2.1.12荷載load

作用于結構物而使結構產(chǎn)生應力的力。

2.1.13襯砌lining

支護隧道圍巖的結構體。

2.1.14噴錨襯砌shotcreteandrockbohslining

噴射混凝土、錨桿、鋼筋網(wǎng)和鋼架等單獨或組合使用的隧道圍巖支護結構。

2.1.15復合式襯砌compositelining

由噴錨襯砌、防水層和模筑混凝土襯砌構成的復合襯砌結構。

2.1.16管片segment

隧道預制襯砌環(huán)的基本單元。

2.1.17標準環(huán)standardring

兩側環(huán)面平行的管片襯砌環(huán)。

2.1.18楔形環(huán)taperedring

兩側環(huán)面不平行的管片襯砌環(huán)，亦稱轉彎環(huán)。

2.1.19楔形量taper

楔形環(huán)最大環(huán)寬與最小環(huán)寬之差。

2.1.20通用環(huán)universalling

一種通用的楔形環(huán)，可以通過該楔形環(huán)的不同組合形成直線隧道和不同半徑的曲線隧道。

符號

BQ———巖體基本質(zhì)量指標；

[BQ]———巖體修正質(zhì)量指標；

Rc———巖石單軸飽和抗壓強度；

Kv———巖體完整性系數(shù)；

Jv———巖體體積節(jié)理數(shù)；

CAI———巖石磨蝕指數(shù)；

D———巖石掘進機刀盤直徑；

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

D1———管片環(huán)外徑；

R———線路最小曲線半徑；

n———巖石掘進機刀盤轉速；

T———巖石掘進機刀盤扭矩；

W———巖石掘進機刀盤驅動功率；

F———巖石掘進機掘進推力；

v———巖石掘進機掘進速度；

L———巖石掘進機掘進行程；

K———襯砌截面強度安全系數(shù)；

K0———支護尺寸系數(shù)；

K1———巖石掘進機推力儲備系數(shù)；

———圍巖重度；

w———水的重度；

q———垂直圍巖均布壓力；

ec———水平圍巖均布壓力；

———側壓力系數(shù)；

Ra———混凝土抗壓極限強度；

Rl———混凝土抗拉極限強度；

E———彈性模量；

Rw———混凝土彎曲極限抗壓強度；

1———掘進機隧道荷載折減系數(shù)；

S———圍巖級別；

[S]———圍巖級別修正值；

S1———擠壓性圍巖變形等級；

Gn———巖體強度應力比；

———管片彎矩傳遞系數(shù)；

0———管片接頭轉角；

K+———管片接頭的正彎矩回轉彈簧剛度；

K?———管片接頭的負彎矩回轉彈簧剛度。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

工程勘察

一般規(guī)定

3.1.1工程地質(zhì)勘察應滿足全斷面巖石掘進機法適宜性評價要求，對可能遇到的重大工程

地質(zhì)問題，應開展專題研究。

3.1.2全斷面巖石掘進機法公路隧道宜按設計階段和施工階段分別開展工程地質(zhì)勘察工作。

3.1.3工程地質(zhì)勘察應綜合利用遙感解譯、地質(zhì)調(diào)繪、物探、鉆探、取樣試驗、現(xiàn)場測試

及觀測等方法。

3.1.4掘進機工作條件分級應結合圍巖級別、巖石堅硬程度、巖體完整程度及巖石磨蝕性

等綜合確定。

勘察內(nèi)容

3.2.1設計階段勘察應查明隧道工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，包括以下內(nèi)容：

1區(qū)域地質(zhì)構造特征、區(qū)域性斷層及活動特征、地震動參數(shù)等，開展區(qū)域構造穩(wěn)定性評

價工作。

2隧道沿線地形地貌特征，河流、水庫等地表水體的分布、水位、流量、規(guī)模等。

3隧道沿線地層巖性分布，重點查明軟巖、膨脹巖、可溶巖、蝕變巖、高磨蝕性硬巖等

特殊巖類的分布及性狀。

4隧道沿線地質(zhì)構造特征，重點查明地質(zhì)構造類型、性質(zhì)、規(guī)模，斷層、節(jié)理等軟弱結

構面特征及其與隧道的組合關系，斷層與地表水體的連通情況等。

5影響隧道洞口和洞身穩(wěn)定的各類不良地質(zhì)和特殊巖土的成因、類型、性質(zhì)及范圍，分

析其發(fā)生原因、發(fā)展趨勢，判明對隧道影響的程度。

6隧道進出口段地質(zhì)條件，重點查明覆蓋層成因、性質(zhì)及厚度，巖體風化、卸荷特征，

評價隧道進出口場地穩(wěn)定性。

7隧道地下水類型、地下水位、含水層的分布范圍及相應的滲透系數(shù)、水量、水壓、水

溫和補給關系等，劃分水文地質(zhì)單元，估算隧道涌水量，預測工程有無突涌水風險，明確水

質(zhì)對鋼筋混凝土的侵蝕性，評價其對掘進機掘進的影響。

8可溶巖地層巖溶發(fā)育規(guī)律，主要洞穴的發(fā)育范圍、深度、規(guī)模、連通與充填情況；巖

溶水文地質(zhì)結構類型、地下水動力條件、動態(tài)規(guī)律和分帶特征；劃分巖溶水文地質(zhì)單元，預

測隧道發(fā)生突泥、突水的風險，評價隧道排水對周邊地下水環(huán)境的影響。

9隧道沿線地應力大小、方向、變化規(guī)律等應力場特征，地應力異常區(qū)分布特征及成因，

高地應力引起的圍巖大變形、巖爆分布范圍及程度，評價其對掘進機掘進的影響。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

10深埋隧道應查明洞身段地溫情況，確定熱害類型，進行地溫分級，評價其對掘進機

掘進的影響。

11提出隧道圍巖的基本物理力學參數(shù)建議值，評價隧道圍巖穩(wěn)定性。

12進行隧道圍巖分級和掘進機工作條件分級。

13有害氣體、礦體及具有放射性危害的地層，確定分布范圍、成分和含量，評價其對

人體健康和掘進機施工的影響。

條文說明

設計階段勘察可根據(jù)工程可行性研究、初步設計和施工圖設計的勘察要求，逐步深入查明地質(zhì)條件。

3.2.2施工階段勘察包括以下內(nèi)容：

1核查施工開挖揭露的地層巖性、地質(zhì)構造、地下水等，分析判定實際圍巖級別。

2探測和預報隧道開挖前方可能出現(xiàn)的圍巖條件、遇到的不良地質(zhì)問題，指導掘進機的

施工。

3在掘進機施工過程中，及時分析掘進機在各種地質(zhì)條件下的掘進效率。

勘察方法

3.3.1遙感解譯宜利用多平臺、多波段、多時相及三維真彩色遙感數(shù)據(jù)，進行復合圖像

處理和綜合解譯，重要的地質(zhì)現(xiàn)象應進行現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查、復核。

3.3.2地質(zhì)調(diào)繪范圍應包括隧道及相關地段，進出口、淺埋和巖溶發(fā)育等洞段應進行專

項工程地質(zhì)調(diào)繪。

3.3.3物探工作應符合下列規(guī)定：

1宜沿隧道軸線布設，必要時可布置輔助物探剖面。

2物探方案應根據(jù)地質(zhì)條件、現(xiàn)場工作環(huán)境等確定，條件具備時宜采用多種方法互相驗

證。

3深埋隧道應布置大地電磁測深剖面。

3.3.4鉆探工作應符合下列規(guī)定：

1隧道進出口、淺埋段、過溝段、主要地質(zhì)界線、斷層、重要的不良地質(zhì)段、特殊巖土

地段及地質(zhì)條件復雜洞段等應布置鉆孔。

2深埋隧道宜根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪和物探成果，選擇對掘進機施工有重大影響的不良地質(zhì)發(fā)育

段布置深鉆孔。

3鉆孔深度應至隧道底板以下3~5m，遇溶洞、暗河及其它不良地質(zhì)時，應加深至不良

地質(zhì)體以下5m。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

3.3.5隧道穿越的主要巖層及特殊性巖層應取樣進行室內(nèi)試驗，試驗項目主要包括礦物

成分、物理性質(zhì)、抗壓強度、彈性模量、硬度、膨脹性、石英含量、磨蝕性等，必要時進行

現(xiàn)場巖體抗剪強度和變形試驗。

3.3.6宜選擇合適的鉆孔進行鉆孔壓水試驗或抽水試驗。

3.3.7隧道巖溶發(fā)育段宜進行連通試驗。

3.3.8宜選擇合適的鉆孔進行地應力、地溫、放射性元素及有害氣體測試等。

3.3.9施工階段勘察宜采用地質(zhì)素描、物探、微震監(jiān)測、超前鉆孔、孔內(nèi)攝像、導坑等

綜合超前地質(zhì)預報方法。

掘進機工作條件分級

3.4.1巖石堅硬程度應按巖石單軸飽和抗壓強度（Rc）進行評價，與巖石堅硬程度對應

關系可按表3.4.1確定。

表3.4.1Rc與巖石堅硬程度對應關系

Rc（MPa）>6060~3030~1515~5≤5

堅硬程度堅硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖

3.4.2巖體完整程度應按巖體完整性系數(shù)（KV）或巖體體積節(jié)理數(shù)（JV）進行評價，、

與巖體完整程度對應關系可按表3.4.2確定。

表3.4.2KV、JV與巖體完整程度對應關系

巖體完整程度堅硬巖較硬巖較軟巖軟巖極軟巖

KV>0.750.75~0.550.55~0.350.35~0.15≤0.15

3

JV（條/m）<33~1010~2020~35>35

3.4.3巖石磨蝕性可通過測試巖石磨蝕指數(shù)（CAI）進行評價。巖石磨蝕性等級與巖石磨蝕

性指數(shù)對應關系可按表3.4.3確定。

表3.4.3巖石磨蝕性等級與巖石磨蝕性指數(shù)對應關系

磨蝕性等級巖石磨蝕指數(shù)（CAI）（1/10mm）

極低0.1~0.4

非常低0.5~0.9

低1.0~1.9

中等2.0~2.9

高3.0~3.9

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

續(xù)表3.4.3巖石磨蝕性等級與巖石磨蝕性指數(shù)對應關系

磨蝕性等級巖石磨蝕指數(shù)（CAI）（1/10mm）

非常高4.0~4.9

極高≥5.0

條文說明

巖石耐磨性通常采用巖石磨蝕指數(shù)CAI進行表征，巖石耐磨性試驗設備為塞卡耐磨性試驗儀，是用一

個特制鋼針，在未處理的巖石表面拖動1cm的距離，針尖由此而磨鈍，其磨鈍面的直徑就是巖石耐磨性指

數(shù)CAI。

3.4.4掘進機工作條件由好到差可分為A（工作條件好）、B（工作條件一般）、C（工作

條件差）三級，分級可按表3.4.4確定。

表3.4.4掘進機工作條件分級表

分級評判主要因素

掘進機工作

圍巖級別巖石單軸抗壓強度巖體完整性系數(shù)巖石磨蝕指數(shù)

條件等級

Rc（MPa）KVCAI（1/10mm）

0.65~0.75<5ⅠB

80~150

Ⅰ>0.75≥5

ⅠC

≥150>0.65-

<3ⅡA

80~1503~5ⅡB

Ⅱ0.65~0.55

≥5

ⅡC

≥150-

<3ⅢA

60~1200.55~0.353~5ⅢB

Ⅲ

≥5

ⅢC

≥80≤0.35-

30~600.35~0.20<5ⅣB

Ⅳ

15~600.20~0.15-ⅣC

Ⅴ和Ⅵ<15<0.15-不宜使用

條文說明

圍巖級別參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018中表3.6.4規(guī)定執(zhí)行。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

總體設計

一般規(guī)定

4.1.1總體設計應滿足隧道正常使用功能、掘進機施工工藝、運營管理與維護、防災救援

等要求。

4.1.2隧道無法繞避特殊地質(zhì)及建構筑物密集區(qū)等區(qū)段時，應開展專項研究。

條文說明

特殊地質(zhì)包括以下情況：

1巖溶發(fā)育帶。施工中極可能碰到大的巖溶洞穴、充填溶洞或充水溶洞，掘進機掘進或通過很困難，

嚴重時可能發(fā)生掉機、陷機和埋機等事故。

2高地應力地段。對于軟弱圍巖，因其巖石強度低而圍壓高易產(chǎn)生大的塑性變形，造成隧道圍巖擠出，

洞徑縮??；對于強度較高的圍巖，可能發(fā)生巖爆，給作業(yè)人員、巖石掘進機設備安全帶來較大威脅，同時

會破壞已有支護，給巖石掘進機法施工安全、進度和成本造成很大影響。

3中等及以上膨脹性的圍巖。膨脹巖具有膨脹、收縮、崩解、軟化等一系列不良工程特性，如果處理

不當，常會造成巖石掘進機法隧道變形、圍巖坍塌、甚至刀盤被卡等工程事故。

4中高地溫帶及以上地段。高地熱會惡化洞內(nèi)人員作業(yè)環(huán)境，同時也可能導致設備過熱而無法正常工

作。

5Ⅲ級及以上破碎帶。破碎帶因其圍巖破碎，且多富水，導致圍巖失穩(wěn)、塌方，危及洞內(nèi)施工人員和

設備的安全。

6涌、突水嚴重的地段。當圍巖為軟弱巖層、破碎帶，將會大大惡化圍巖的工程地質(zhì)條件。一般不宜

用掘進機掘進。若采用，將會發(fā)生開挖工作面坍塌、塌拱和隧道基底及側壁承載力低等問題，掘進機掘進

困難；當圍巖為硬質(zhì)巖，一般不致危及圍巖及機具的安全穩(wěn)定，但嚴重涌、漏水區(qū)段較長或反復出現(xiàn)，也

將大大增加掘進機推進的難度。

7高瓦斯地段。高瓦斯地層常含有易燃、有害氣體，嚴重地威脅著洞內(nèi)施工人員的健康和生命安全瓦

斯?jié)舛冗^高時，還可能引起火災或爆炸，造成慘痛損失。

掘進機通過上述特殊地質(zhì)地段時，應針對性地開展專項研究。

4.1.3隧道設計除應考慮工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等條件外，尚應考慮設備運輸、施工場地布

置、材料供應、供電等條件。

條文說明

采用管片襯砌的隧道設計時應充分考慮管片生產(chǎn)和存放場地的要求。

隧道洞口位置的選擇除滿足相應行業(yè)相關規(guī)范及標準要求外，尚應考慮掘進機拼裝要求，拼裝場地宜

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

為平坡，場地寬度根據(jù)掘進機所需龍門吊車的寬度并考慮富裕量來確定，拼裝場地周圍應有足夠的空間堆

放零部件。

4.1.4隧道掘進機宜在洞外拼裝及拆卸，場地受限時可在洞內(nèi)拼裝及拆卸。

隧道線形設計

4.2.1隧道平曲線和豎曲線設計應滿足掘進機設備通行要求。

4.2.2隧道線路平面不宜采用需要進行加寬的平曲線半徑。

4.2.3隧道最大縱坡應與掘進機設備的爬坡能力相匹配，最小縱坡不應小于3‰。

4.2.4地下水發(fā)育的隧道掘進機掘進方向宜為上坡。

隧道橫斷面設計

4.3.1橫斷面設計應根據(jù)使用功能進行明確分區(qū)，滿足建筑限界、事故疏散、維護檢修等

要求，并應充分利用空間、合理布置設備和設施等。

4.3.2隧道宜采用圓形斷面，內(nèi)輪廓直徑應滿足建筑限界、使用功能、施工工藝等要求；

開挖直徑應考慮施工誤差、測量誤差、結構受力變形及后期沉降等的影響。

4.3.3隧道橫斷面設計應充分利用斷面富余空間布置附屬設施。宜利用上部空間作為排煙

通道，下部空間作為逃生通道。

條文說明

隧道圓形斷面上部和下部富?？臻g較大，宜利用上部空間布置隧道的排煙通道，下部空間布置電纜通

道、疏散通道等附屬設施，如圖4.3.3所示。

4.3.4在滿足建筑限界及其他使用功能要求下，采用管片襯砌的隧道內(nèi)輪廓沿徑向應預留

不小于150mm的富?？臻g，采用復合式襯砌的隧道內(nèi)輪廓沿徑向應預留不小于50mm的

富?？臻g。

條文說明

隧道建筑限界不包括測量誤差、施工誤差、結構變形和后期沉降。為嚴格控制隧道限界，本指南規(guī)定

了在隧道建筑限界外側預留一定的富?？臻g。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

圖4.3.3公路兩車道隧道橫斷面布置示意圖

施工計劃

4.4.1施工計劃應包括工期、工區(qū)劃分、施工便道、設備拼裝及拆卸場地、管片預制及堆

放場地、棄渣場、施工進度計劃以及環(huán)境保護等內(nèi)容。

4.4.2隧道施工工期應考慮項目施工作業(yè)環(huán)境，以及設備設計、制造、運輸、安裝調(diào)試、

拆卸等因素綜合分析確定。

條文說明

項目施工作業(yè)環(huán)境包括施工場地和工程地質(zhì)條件，制定隧道施工工期時應注意施工場地對施工進度的

影響以及地質(zhì)條件對隧道施工工期的影響。

4.4.3施工工區(qū)劃分及場地布置應根據(jù)下列條件綜合分析確定：

1應根據(jù)隧道長度、進洞工作面、工期要求等確定施工工區(qū)劃分或施工場地的布置方案，

必要時可設置施工輔助導坑。

2應充分考慮便道、施工用水用電以及周邊環(huán)境等方面對施工的影響。

3應考慮隧道地質(zhì)條件、隧道縱坡、棄渣場和土石方平衡等綜合因素。

4.4.4隧道施工方案、施工組織設計應主要包括下列內(nèi)容：

1施工現(xiàn)場設施平面布置圖。

2掘進機的拼裝、步進及拆卸方案。

3掘進機施工的臨時給水、排水、供電、消防、通風、通信等設計。

4采用預制襯砌的隧道管片生產(chǎn)、運輸和儲存方案。

5后配套輔助施工設備的選型、規(guī)格和數(shù)量。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

6掘進機掘進與出碴方案。

7超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測及不良地質(zhì)地段施工預案。

條文說明

施工組織設計應切合施工實際，其關鍵點在于做好施工調(diào)查和設計文件校核，在施工中如發(fā)現(xiàn)條件有

變異，應及時進行調(diào)整。

4.4.5在施工場地布置的臨時設施應符合環(huán)保、水土保持要求。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

掘進機設備選型

一般規(guī)定

5.1.1掘進機選型應遵循地質(zhì)適應、安全高效、功能齊全、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟環(huán)保、易于維

護保養(yǎng)等原則。

5.1.2掘進機選型時應對敞開式、雙護盾、單護盾及多模式掘進機等進行綜合比選。

掘進機選型

5.2.3掘進機選型應考慮下列因素：

1隧道長度、線形、橫斷面、支護結構等設計參數(shù)。

2地質(zhì)條件。

1）圍巖巖性及巖石強度。

2）巖體完整程度。

3）巖體主要結構面產(chǎn)狀與隧道軸線組合關系。

4）地應力狀態(tài)。

5）水文地質(zhì)條件。

6）巖石耐磨性。

7）特殊地質(zhì)條件（斷層破碎帶、高地溫、巖爆、軟巖大變形、有毒有害氣體等）。

3隧道施工環(huán)境。

1）交通運輸、施工場地及周邊環(huán)境。

2）氣象條件。

3）供水供電。

4）水保、環(huán)保要求。

4工期及節(jié)點要求。

5輔助工程措施。

5.2.4掘進機適用下列地質(zhì)范圍：

1II、III級圍巖為主的硬巖隧道宜采用敞開式掘進機。

2III、IV級圍巖為主的硬巖隧道宜采用雙護盾式掘進機。

3以軟巖為主的隧道宜采用單護盾式掘進機。

4對不適用以上形式掘進機的隧道，宜采用多模式掘進機：

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

1）敞開式/護盾式掘進機：主要適用于巖石整體較完整~完整，但存在較長段落的軟

巖大變形、高地應力、斷層破碎帶等不良地質(zhì)地層，可通過模式轉換，由錨噴支護轉換為管

片支護。

2）單護盾/土壓掘進機：主要適用于有一定自穩(wěn)性的軟巖地層，但存在較長段落的軟

土或者富水地層時，可通過轉換為螺旋機出土的土壓模式，安全、快速的通過軟土及富水地

層。

條文說明

1敞開式掘進機主要適用于巖石整體較完整~完整，有較好自穩(wěn)性的硬巖地層（Rc=50~180MPa）。當

采取有效支護手段并經(jīng)論證，也可適用于軟巖隧道，但掘進速度應予以限制。

2雙護盾式掘進機主要適用于較完整，有一定自穩(wěn)性的軟巖~硬巖地層（Rc=30~90MPa）。

3單護盾式掘進機主要適用于有一定自穩(wěn)性的軟巖地層（Rc=5~60MPa）。

掘進機主要技術參數(shù)

5.3.1掘進機的主要技術參數(shù)包括刀盤直徑、刀間距、刀盤轉速、刀盤扭矩、刀盤驅動功

率、掘進推力、掘進速度、掘進行程、接地比壓等。

5.3.2刀盤直徑應按掘進機的類型、成洞洞徑、襯砌厚度、允許偏差等因素確定。

5.3.3刀具布置主要根據(jù)圍巖類型確定。

條文說明

對于硬巖隧道，巖石越硬，刀間距宜越小。

5.3.4刀盤轉速應根據(jù)圍巖級別、刀盤直徑、刀具選型等因素確定。

條文說明

刀盤轉速主要受限于最外周滾刀線速度，目前刀盤最大轉速一般以刀盤最外周滾刀線速度≯3.5m/s為

準。

5.3.5刀盤扭矩應根據(jù)圍巖條件、掘進機類型、掘進機結構、刀盤直徑等因素確定，并配

置脫困扭矩。

條文說明

刀盤扭矩計算方法有理論計算方法和經(jīng)驗計算方法兩種。根據(jù)驅動電機性能，脫困扭矩一般為額定扭

矩的1.5倍。

理論扭矩計算公式：

T=()fFiiR+Tm（5.3.5-1）

—14—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

式中：

T———刀盤扭矩，單位為千牛米（kN·m）;

f———滾刀滾動系數(shù)，一般取值0.1~0.15；

Fi———滾刀額定承載能力，單位為千牛（kN）;

Ri———每把滾刀在刀盤上的回轉半徑，單位為米（m）；

Tm———摩擦扭矩，單位為千牛米（kN·m）。

經(jīng)驗計算方法：

2

T=StD（5.3.5-2）

式中：

D———刀盤直徑，單位為米（m）；

St———扭矩系數(shù)。扭矩系數(shù)S根據(jù)掘進機直徑、圍巖條件而異，一般取St60。

5.3.6刀盤驅動功率應根據(jù)刀盤扭矩、轉速、傳動效率及驅動形式確定。

條文說明

掘進機需求功率計算方法：

n

WT=（5.3.6）

9550

式中：

W———驅動功率,單位為千瓦（kW）；

T———理論扭矩，單位為千牛米（kN·m）；

n———刀盤轉速，單位為轉每分（r/min）。

5.3.7掘進推力應根據(jù)盾體與圍巖之間的摩擦力、后配套拉力、圍巖條件、坡度等因素確

定，且預留一定的儲備系數(shù)。

條文說明

掘進機推力理論計算方法：

F=K1()F1+F2+F3+F4+F5（5.3.7）

式中：

F———掘進機推力,單位為千牛（kN）；

K1———儲備系數(shù)，一般取K1=1.1～1.5；

F1———巖石和護盾間摩擦阻力，單位為千牛（kN）；

F2———拖動后配套系統(tǒng)產(chǎn)生的阻力,單位為千牛（kN）；

F3———刀盤推進反力，單位為千牛（kN）；

F4———鞍架與主梁導軌之間摩擦阻力，單位為千牛（kN)；

F5———尾刷與鋼管片間的摩擦力，單位為千牛（kN)。

—15—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

注：敞開式掘進機無需加F5，雙護盾及單護盾掘進機無需加F4。

5.3.8掘進速度應根據(jù)掘進機不同的工作條件確定。

5.3.9敞開式掘進機的掘進行程需滿足拱架安裝間距的需求，護盾式掘進機的掘進行程需

滿足管片環(huán)寬的需求。

5.3.10敞開式掘進機接地比壓需根據(jù)地質(zhì)條件確定。

條文說明

對于硬巖隧道，撐靴接地比壓不宜大于4MPa，如碰到軟巖地層，需根據(jù)地層條件降低接地比壓。

后配套設施配置

5.4.1出碴系統(tǒng)應滿足設備最大掘進速度要求，并具備一定的安全系數(shù)。

5.4.2應根據(jù)掘進機類型和圍巖條件配置相應的支護裝置。

條文說明

敞開式掘進機支護裝置主要為：鋼拱架安裝器、鋼筋排裝置、錨桿鉆機、L1區(qū)應急混噴、L2區(qū)混噴；

護盾式掘進機支護裝置主要為：管片拼裝機、豆礫石注入系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)；

多模式掘進機支護裝置根據(jù)需求可進行配置。

5.4.3應根據(jù)掘進機類型和線路配置合適的導向系統(tǒng)。

5.4.4物料運輸系統(tǒng)需根據(jù)隧道形式配置，可采用有軌運輸及無軌運輸系統(tǒng)，應選用與掘

進機能力相匹配、技術上可靠、經(jīng)濟上合理的方案，并根據(jù)開挖洞徑、掘進循環(huán)進尺、隧道

長度和坡度等因素確定運輸設備的具體規(guī)格和數(shù)量。

5.4.5通風系統(tǒng)選擇應滿足下列規(guī)定：

1一次通風宜采用壓入式通風，風管采用軟管，管徑根據(jù)隧道斷面、長度、出渣方式確

定。

2根據(jù)計算風量和風壓，結合通風方式及布置選擇通風設備，宜采用軸流式通風機。

3長距離通風時，為滿足風壓的要求，宜采用相同型號的風機等距離間隔串聯(lián)方式。

4施工區(qū)域的風速不宜低于0.5m/s。

5二次通風宜采用壓、抽（含防塵）并用式。

6在后配套拖車上，須配備除塵機。

—16—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

條文說明

5向施工區(qū)域壓風，將刀盤開挖出風抽出后進行除塵后再外排。

5.4.6掘進機應配置地質(zhì)超前鉆機等超前地質(zhì)預報設備。

5.4.7需配備監(jiān)測系統(tǒng)，滿足隧道內(nèi)有毒有害氣體的監(jiān)測及報警。

條文說明

有毒有害氣體監(jiān)測裝置需根據(jù)地質(zhì)條件，針對可能存在的有害氣體進行配備。

—17—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

荷載

一般規(guī)定

6.1.1隧道結構上的荷載應按表6.1.1的規(guī)定分類。

表6.1.1隧道結構上的荷載分類

編號荷載分類荷載名稱

1圍巖壓力

2土壓力

3結構自重

永久荷載

4結構附加恒載

5混凝土收縮和徐變的影響力

6水壓力

7公路車輛荷載、人群荷載

8立交公路車輛荷載及其所產(chǎn)生的沖擊力、土壓力

基本可變荷載

9立交鐵路列車活載及其所產(chǎn)生的沖擊力、土壓力

10可變荷載立交渡槽流水壓力

11溫度變化的影響力

12其他可變荷載凍脹力

13施工荷載

14落石沖擊力

偶然荷載

15地震力

注：編號1-10為主要荷載；編號11、12、14為附加荷載；編號13、15為特殊荷載。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.1.1條制定。

6.1.2圍巖壓力應根據(jù)隧道所處的地形、地質(zhì)條件、埋置深度、支護條件、施工方法、相

鄰隧道間距等因素確定，在施工和實地量測中發(fā)現(xiàn)與實際不符時，應及時修正。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.1.2條制定。

6.1.3在隧道復合式襯砌結構上可能同時出現(xiàn)的荷載，應按滿足承載能力和正常使用要求

分別進行組合，并按最不利組合進行設計。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.1.3條制定。荷載組

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

合方式可參考《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.1.3條的條文說明。

6.1.4本指南所列之外的特殊荷載，在荷載計算與組合時應進行特殊處理。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.1.5條制定。

6.1.5管片襯砌結構設計應根據(jù)施工階段和使用階段可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極

限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行組合，并按最不利組合進行設計。其荷載組合具體表達

式及荷載分項系數(shù)按照現(xiàn)行行業(yè)標準《公路工程結構可靠性設計統(tǒng)一標準》JTG2120執(zhí)行。

永久荷載

6.2.1深埋隧道垂直均布壓力及水平均布壓力，在不產(chǎn)生顯著偏壓及膨脹力的圍巖條件下，

可按下列公式計算：

1垂直均布壓力可按下式計算確定：

qh=1q（6.2.1-1）

S?1

hq=0.452（6.2.1-2）

式中：

q———垂直圍巖壓力（kN/m2）；

1———掘進機法隧道荷載折減系數(shù)，建議取值0.7~1.0，III級及以上圍巖取0.7～0.8，

Ⅳ級圍巖取0.8～0.9，Ⅴ級圍巖取0.9～1.0；

———圍巖重度（kN/m3）；

hq———圍巖壓力計算高度（m）；

S———圍巖級別，按1、2、3、4、5、6整數(shù)取值；

———寬度影響系數(shù)，按下式計算：

=1+iD(?5)（6.2.1-3）

D———巖石掘進機刀盤直徑（m）；

i———D每增減1m時的圍巖壓力增減率，以D=5m的圍巖垂直均布壓力為準，按表

6.2.1-1取值。

表6.2.1-1圍巖壓力增加率i取值表

巖石掘進機刀盤直徑D（m）D<55≤D<13

圍巖壓力增減率i0.20.1

有圍巖BQ或[BQ]值時，計算公式中的S可用[S]代替。[S]可按下式計算：

—19—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

[BQ]+[BQ]

上下?[]BQ

[]SS=+2（6.2.1-4）

[BQ]上?[BQ]下

BQ+BQ

上下?BQ

[]SS=+2（6.2.1-5）

BQ上?BQ下

式中：

[]S———圍巖級別修正值（精確至小數(shù)點后一位），當BQ或[BQ]值大于800時，取800；

BQ上、[]BQ上———分別為該圍巖級別的巖體基本質(zhì)量指標BQ和巖體修正質(zhì)量指標[BQ]

的上限值，按下表6.2.1-2取值；

BQ下、[]BQ下———分別為該圍巖級別的巖體基本質(zhì)量指標BQ和巖體修正質(zhì)量指標[BQ]

的下限值，按下表6.2.1-2取值。

表6.2.1-2巖體基本質(zhì)量指標BQ和巖體修正質(zhì)量指標[BQ]的上、下限值

圍壓級別ⅠⅡⅢⅣⅤ

BQ上、[]BQ上800550450350250

BQ下、[]BQ下5504503502500

2圍巖水平均布壓力可按表6.2.1-3的規(guī)定確定。

表6.2.1-3圍巖水平均布壓力

圍壓級別Ⅰ、ⅡⅢⅣⅤⅥ

水平均布壓力ec0<0.15q(0.15~0.3)q(0.3~0.5)q(0.5~1.0)q

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.2.2條制定，增加了

“掘進機法隧道荷載折減系數(shù)1”，目前工程樣本少，暫取0.7~1.0，今后收集到更多的工程樣本數(shù)據(jù)后，

逐步修正該系數(shù)。

6.2.2掘進機穿越巖爆地段，巖爆荷載可按下列公式計算：

2EkEI

q沖擊=4（6.2.2）

Ka0

式中：

q沖擊———巖爆沖擊荷載（Pa）；

Ek———爆塊動能（J）；

E———支護結構彈性模量（MPa）；

I———截面慣性矩（m4）；

2

K0———支護尺寸系數(shù)（m）；

a———爆塊邊長（m）。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

6.2.3作用于泄水型管片襯砌的水壓力可按下列公式計算：

(1?2)wH120

P=（6.2.3-1）

w2H=0

式中：

P———管片背后平均水壓力（Pa）；

2———管片排水率；

3

w———水的重度（kN/m）；

H1———圍巖滲透影響范圍（m）；

H———實際水頭高度（m）。

條文說明

本條借鑒了派墨公路多雄拉隧道作用于泄水型管片襯砌的水壓力的計算方法。

管片排水率即單位時間內(nèi)管片排水量與隧道涌水量的比值。

圍巖滲透影響范圍量值與圍巖滲透系數(shù)、初始水頭高度、管片排水率相關。圍巖滲透影響范圍計算公

式為分段函數(shù)，按照下列公式計算：

2

[1.6+0.44lnk+0.03522+0.029(lnk)?0.01lnk]HHH臨界值

H=（6.2.3-2）

122

478.9+175lnk+266.62+16.17(lnk)+45.412lnk?4.732HH臨界值

式中：H為實際水頭高度（m）；k為圍巖滲透系數(shù)（cm/s）；H臨界值為臨界初始水頭高度（m），可

通過下列公式進行計算：

22

H臨界值=548.5+106lnk+82.622+4.657（lnk）+9.8192lnk-10.332（6.2.3-3）

可變荷載

6.3.1淺埋隧道上方車輛荷載產(chǎn)生的土壓力可按下列公式計算：

1垂直均布壓力可按下式計算確定：

NGcc

qc=（6.3.1-1）

(Bl++2Hbtan)(LcLj)

式中：

———

qc隧道上方車輛荷載產(chǎn)生的作用在隧道拱部的垂直均布壓力（kPa）；

Nc———隧道上方路面寬度范圍內(nèi)分布的車輛數(shù)；

Gc———車輛重力標準值（kN），按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTGD60的規(guī)定，取

550kN；

Bl———隧道上方路面寬度（m）；

Hb———隧道埋深（m）；

———荷載擴散角（°），取30°；

———

Lc車輛長度（m），按照《公路橋涵設計通用規(guī)范》JTGD60的規(guī)定，取15.0m；

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

Lj———車輛前后距離（m），取0.6m。

2水平均布壓力可按下式計算確定：

eqcc=（6.3.1-2）

式中：

———

qc隧道上方車輛荷載產(chǎn)生的作用在隧道上的水平側向壓力（kPa）；

———側壓力系數(shù)。

6.3.2其余可變荷載應按現(xiàn)行行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1

的有關規(guī)定計算。

條文說明

行業(yè)標準《公路隧道設計細則》JTG/TD70-2010第12.3.5條給出了車輛荷載的計算方法，該方法的原

理是集中荷載擴散。由于1輛車有數(shù)個車輪，每個車輪擴散到隧道結構某計算點的荷載都不相同，因此導

致了隧道結構上每個計算點所承擔的車輛荷載都不相同，計算過程復雜。本條所給出的隧道上方車輛荷載

產(chǎn)生的土壓力計算方法，其原理是隧道上方分布的車輛總重，除以隧道上方車輛荷載擴散的總面積。

偶然荷載

6.4.1有落石危害需驗算沖擊力時，應通過現(xiàn)場調(diào)查或有關計算驗證。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.4.1條制定。

6.4.2地震荷載應按本指南第9章及《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1

附錄K確定。

條文說明

本條參照行業(yè)標準《公路隧道設計規(guī)范第一冊土建工程》JTG3370.1-2018第6.4.2條制定。

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公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

材料

一般規(guī)定

7.1.1隧道工程常用的各類建筑材料，可選用下列強度等級：

1混凝土：C20、C25、C30、C35、C40、C45、C50。

2噴射混凝土：C20、C25、C30、C40。

3鋼材：HPB300、HRB400、HRB500，Q235、Q345、Q390。

7.1.2工程材料應根據(jù)結構類型、受力條件、使用要求和所處環(huán)境等選用，并應滿足可靠

性、耐久性和經(jīng)濟性要求。

條文說明

根據(jù)隧道選擇的結構類型及所處的環(huán)境條件，應對隧道襯砌的材料類型進行慎重選擇，而選擇不同的

襯砌材料對隧道的可靠性、耐久性和經(jīng)濟性影響很大。

7.1.3工程材料應根據(jù)不同的料源情況，在保證結構需要的前提下，做到因地制宜、就地

取材。

7.1.4噴錨支護混凝土材料可采用網(wǎng)噴混凝土或噴射鋼纖維混凝土。二次襯砌可采用素混

凝土、鋼筋混凝土、鋼纖維混凝土等材料。

條文說明

二次襯砌宜選用經(jīng)濟耐用且便于施工的模筑混凝土材料。

7.1.5初期支護的鋼架宜用格柵鋼架或型鋼鋼架。

7.1.6管片襯砌材料宜采用鋼筋混凝土，也可根據(jù)情況采用鋼管片或纖維混凝土材料。

條文說明

管片襯砌宜選用較高強度、剛度和抗腐蝕性的高強度鋼筋混凝土管片，承載動載和較大集中荷載或可

能發(fā)生不均勻變形的隧道宜采用鋼管片。

混凝土

7.2.1隧道工程各部位的混凝土材料強度等級不應低于表7.2.1-1和表7.2.1-2的規(guī)定：

—23—

公路隧道全斷面巖石掘進機法設計指南

表7.2.1-1復合式襯砌混凝土材料強度等級

材料種類

工程部位

混凝土鋼筋混凝土噴射混凝土

拱圈C20C25C20

邊墻