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1、刘俊新刘俊新(西南科技大学土木工程与建筑学院西南科技大学土木工程与建筑学院)第四篇 掘进机法修建的地下工程第一章第一章 TBM法及其应用法及其应用第一节第一节 概述概述1.1 盾构掘进机盾构掘进机 掘进机掘进机（tunnel boring machine），简称TBM，是一种修建岩质隧道的工厂化的施工技术。与盾构有异曲同工之处。在机械施工中，很长一段时期，把在土质隧道中采用的机械称为盾构，而把在岩质隧道施工中的机械称为掘进机，或者岩石掘进机。由于机械制造技术的快速发展，这种区分越来越不明显，因此目前多把掘进机和盾构一并称为盾构掘进机。安全、省力、改善劳动环境等社会的要求提高。使单纯作业和危险作
2、业机械化。掘进机施工不采用爆破，对围岩扰动小，有利于保护围岩、维护围岩固有的承载力，减轻支护结构的支护量。施工对周围影响小、安全性和施工可靠性高、洞内的作业环境也比其他隧道施工方法好等。由于地质条件的复杂性，把盾构技术引进到TBM中，使TBM法的适用范围扩大，发挥TBM的作用。1.2 掘进机技术获得巨大发展的原因掘进机技术获得巨大发展的原因第二节第二节TBM法法2.1 TBM法法 隧道TBM是一种专用的开挖设备。它利用机械破碎岩石的原理，完成开挖、出碴及混凝土（钢）管片安装的联合作业，连续不断地进行掘进。用此法修筑隧道的方法，称为TBM法。1.根据破碎岩石的方法分类：根据破碎岩石的方法分类：挤
3、压式主要是通过水平推进油缸，使刀盘上的滚刀强行压入岩体，并在刀盘旋转推进过程中，用挤压和剪切的联合作用破碎岩体。切削式利用岩石抗弯、抗剪强度低（仅为抗压强度的1/10-1/20）的特点，靠铣削（即剪切）和弯断破碎岩体。2.按照按照TBM的作业是否封闭分类：的作业是否封闭分类：可分为开敞式、单护盾和双护盾TBM。开敞式TBM适用于围岩稳定性好的场合，护盾式TBM适合于围岩较软弱、需进行混凝土（钢）管片安装的场合。2.2 TBM的分类的分类 TBM一般由刀盘、机架、推进缸、套架、支撑缸、胶带机及动力间等部分组成。掘进时，通过推进缸给刀盘施加压力，滚刀旋转切碎岩体，由装在刀盘上的集料斗转至顶部通过胶
4、带机将岩碴运至机尾，卸入其他运输设备运走。为了避免粉尘危害，TBM头部装有喷水及吸尘设备，在掘进过程中连续喷水、吸尘。2.3 TBM1.TBM的工作的工作 图a为机器用支撑板撑住，前后下支撑回缩，推进缸推压刀盘钻掘开始；图b为掘进一个行程，钻掘终止;图c为前后下支撑伸出到洞底部、支撑板回缩；图d为外机体前移，用后下支撑调整机器方位；图e为支撑板撑住洞壁，前后下支撑回缩，为下一个工作循环做好准备。2.TBM的工作循环图的工作循环图2.4 TBM的破岩原理的破岩原理 TBM的破岩原理，随刀具的类型不同分为滚刀和削刀两类。1.滚刀破岩滚刀破岩 滚刀破岩是通过滚刀对岩石施加强大的压力，在岩面上滚动来破
5、碎岩石的。根据滚刀的形式不同，又分为圆盘型、楔齿型、球齿型滚刀几类。a.圆盘型滚刀圆盘型滚刀 工作时每只圆盘刀具上约作用有50-200 kN的压力，使岩体表面在刀圈刀尖强集中力作用下破碎并被切入，并形成切入坑，如图4-1-2b所示。随着滚刀滚动，切入坑连通，在岩面上形成一条条的破碎沟，破碎沟之间岩石AO1 C又受滚刀侧刃挤压力的作用而剪切破碎。当切入深度h较小时，剪裂面为O1 C或O2 D，h较大时，剪裂面为O1 O2，如图4-1-2c所示。b.楔齿型和球齿型楔齿型和球齿型 最初由楔齿的尖端，在滚刀转动情况下产生切向张力破坏岩石的表面，切入深度为，如图4-1-3c所示。然后，由齿尖在楔入力继续
6、引起剪切破坏，楔入深度为h。另外，各齿环的齿节是不同的，因此加大了楔齿的破岩效果。球齿型滚刀的破岩原理与楔齿型滚刀相同，球齿型滚刀更为耐磨，适用于硬岩掘进。2.削刀破岩削刀破岩 工作时，削刀在挤压力PV和切割力PH的作用下，首先在刀尖处形成切碎区，随着刀具回转运动，形成剪力破碎区，如图4-1-4所示。削刀继续回转即在岩壁上留下环状切削槽，该槽的宽度即为刀刃的宽度，约为刀具回转一周破岩总进尺的1/4-1/3，两切削槽之间的岩石，约为破岩进尺的2/3-3/4，则由削刀侧向挤压力R作用而剪力破碎，如图4-1-5所示。不论是滚刀或是削刀，总的破岩体积中，大部分破岩并不是由刀具直接切割的，而是由后进刀具
7、剪切破碎的。为有效破岩，先形成破碎沟或切削槽是前提条件。破碎沟或切削槽的深度、宽度愈大，破岩效果便愈好。因此，需根据开挖岩体的性质，选择适宜的刀具。2.5 TBM的特点的特点1.TBM法的优点法的优点 开挖作业能连续进行，施工速度快，工期短。特别是在稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。对围岩的扰动损伤小，用爆破法使围岩的损伤范围约为2-3m，而TBM法只有1m左右，几乎不产生松弛、掉块、崩塌的危险，可减轻支护的工作量。此外，超挖小，衬砌也省时省料。开挖表面平滑，在圆形隧洞的情况下，受力条件好。振动和噪声对周围的居民和结构物的影响小。施工安全，近期的TBM可在防护棚内进行刀具的更换，密闭式
8、操纵室、高性能集尘机等的采用，使安全性和作业环境有了较大的改善。作业人员少。2.TBM法的缺点法的缺点 设备的购置、运输、组装解体等的费用高，设计制造时间长，初期投资高。施工途中不能改变开挖直径。地质的适应性受到一定限制。开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定的制约。运输困难2.6 TBM法的基本条件法的基本条件1.TBM法的技术流程法的技术流程2.地质条件地质条件 在TBM法中，TBM和掌子面是分离的，故有软弱层和破碎带时，采用辅助工法很困难。所以，不良地质的调查，不仅对TBM的选择和施工速度有很大的影响，对能否采用TBM法也是决定性的因素。TBM施工的地质调查主要是调查影响TBM使用
9、的地质条件，如地层的硬软、破碎带的位置、规模、地下水的涌水、膨胀性围岩等，对TBM法是否适合，以及影响TBM开挖效率的地质因素等。a.是否合适是否合适TBM法的地质因素法的地质因素 隧道地压是否存在塑性地压是决定TBM适用性的重要因素。涌水状态在软弱岩层、破碎带中，涌水的范围、大小、压力等，是造成掌子面崩塌和承载力低下的主要问题。b.影响影响TBM效率的地质因素效率的地质因素 岩石强度 岩层的裂隙 岩石硬度 破碎带等恶劣的条件3.开挖长度开挖长度 TBM进入现场后，一般要经过运输、组装的过程。根据TBM的直径和形式、运输途径、组装基地的状况等，要准备1-2个月。其次，TBM的后续设备长100-
10、200 m，为正规地进行掘进，也要先修筑一段长200m左右的隧道。所以，隧道长度短时，包括机械购置费在内的成本是很高的。在TBM法中因进行机械的运输、组装等，故要对隧道所处地点的状况给予应有的注意。TBM的搬运计划，要考虑道路的宽度、高度及重量的限制，根据组装条件要充分调查运输时的分割方法（最小分割尺寸和重量）。第三节第三节 TBM法的应用法的应用3.1 应用简介（见教材应用简介（见教材P273）3.2 应用事例应用事例3.3 TBM的应用前景的应用前景第二章第二章 TBM的结构类型及构造的结构类型及构造第一节第一节 全断面隧道全断面隧道TBM的类型的类型1.1 全断面隧道全断面隧道TBM 开
11、式隧道开式隧道TBM指切削时不用控制工作面的地压，TBM按出碴系统运碴能力掘进。不需要特别考虑地表下沉的情况。其设计刚度较大，适用于在硬地层中快速掘进。闭式隧道闭式隧道TBM通过控制好螺旋运输机卸料门的开启，使切削岩土的刀盘前腔的压力与地压平衡。通常用于软地层或流动性地层。在软地层中隧道施工的TBM又称为盾构盾构。1.2 支撑式支撑式TBM 刀盘属于TBM第一组合体，由液压马达或电动机驱动，通常沿中空主轴承周围以环形模式布置在机器的主轴上。带有防尘隔层的刀盘罩将刀盘与被开挖掌子面隔开，刀盘罩可保护刀盘，防止物料侵入；防尘隔层防止灰尘和碎屑进入刀盘后面的工作区。岩碴通过刀盘上的铲斗装置和刀盘后面
12、的导向板运到刀盘中心，在那里岩碴落进漏斗，送到运输机上，运输机通常置于机器的中心轴位置。选用液压驱动马达时，驱动液压泵站的电动机安装在后配套上。掘进头的推进力由一支撑推进系统提供。第二组合体和设施用在工作面或TBM防尘护盾后面进行即时支护措施，并进行地层预探测。初期保护性支护措施包括初期保护性支护措施包括：直接在刀盘罩后面架设支护拱架和挂网、洞顶锚杆或喷浆，进行洞顶区域的巷道保护。1.3 扩孔式扩孔式TBM 扩孔TBM特适合于需要通过探测导洞来确认特殊风险因素的地层条件。在第一阶段由TBM开挖直径为4-4.5 m的导洞，再用扩孔TBM进行第二阶段的扩孔开挖。1.4 护盾式护盾式TBM1.单护盾
13、式单护盾式TBM 单护盾式TBM的整个机器都是由一个护盾进行保护，适用于需在刀盘后采用较多支护措施的一般破碎甚至不稳定的地层。护盾式护盾式TBM的优点的优点是支护工作可在护盾壳内完成，与洞壁没有任何接触。然而，当遇到较大的断层或通过洞穴地层时会产生严重的问题。因此，在预测的断层地段掘进期间，进行系统的勘测钻探是非常重要的。TBM遇到有问题的地段时，可以进行灌浆以稳固岩体，或者借助用玻璃纤维强化的洞顶锚杆来加强地层结构。另外，要以最佳的方式设计刀盘检修出口，以便在掌子面前发生障碍时进行检查并处理，对掌子面前方的“洞穴”也能从这些出口用喷浆进行稳固。在护盾保护下用管片进行支护和衬砌。2.双护盾式双
14、护盾式TBM 同单护盾式TBM一样，双护盾式TBM适用于无地下水的不能自立的软弱破碎地层段，并在护盾内安装管片衬砌。双护盾系统可同时满足推进和管片安装的要求。双护盾TBM在每个掘进行程中的中断时间短，后接触护盾周期性地前移。双护盾双护盾TBM系统在纵向上可分为三部分系统在纵向上可分为三部分：带刀盘的前护盾；中间部分的伸缩护盾；后接触护盾，带有用于安装管片的尾盾。把伸缩护盾、接触护盾（支撑盾壳）和盾尾合称为后护后护盾盾3.带管片衬砌操作的双护盾带管片衬砌操作的双护盾TBM工作周期工作周期 前进和管片放置过程前进和管片放置过程支撑护盾牢固地撑紧在洞壁上，刀盘推进油缸支承在接触护盾的连接处，并在掘进
15、过程中将刀盘向前推进，保持所达到的掘进速率直至刀盘推进油缸行程结束。同时，管片在盾尾安装，在安装期间后护盾的护盾推进油缸支承着管片直至整环闭合。后护盾换位阶段后护盾换位阶段后护盾盾壳换位只持续几分钟。首先，推进油缸卸载，随后护盾盾壳支撑的径向支撑油缸缩回并卸载。然后，借助于后护盾推进油缸使刀盘推进油缸周围的后护盾盾壳前移。最后，重复掘进和管片安装过程。附属装置：附属装置：刀盘上的超挖刀具，可得到更大的开挖直径，洞壁由伸缩护盾盾壳支承直至管片安装。可纵向及径向移动伸缩的刀盘，以便超挖隧道的一侧，提高机器的转向性。1.5 后配套系统后配套系统1.TBM后续设备的设置原则后续设备的设置原则 要充分研
16、究作业计划和必要的功能，再来选择有效率的各种设备。特别是在隧道施工中，作业的循环性很强，前一作业未完成就不能进行下一个作业且作业空间有限制等。在配置设备时，要考虑前后各作业的关联，以提高作业性。在后续设备中，由于作业宽度有限，要在考虑到设备必需的空间后，最后确定整个长度。2.运输方式和运输设备运输方式和运输设备 运输对象的核心是掌子面开挖产生的大量石碴，其他还有隧道的支护材料和随着隧道延伸的各种器材，以及以切削刀具类为主的TBM维修器材。前者由作为TBM特征的连续出碴来解决，后者主要是充分利用返空车辆和后续作业的时间安排。其中，出碴方式的选择对TBM的施工性是很重要的。目前，在隧道施工中采用的
17、运输方式有以下几目前，在隧道施工中采用的运输方式有以下几种。种。有轨方式。无轨方式。连续胶带输送机方式。泥浆运输方式。3.集尘和通风设备集尘和通风设备集尘设备集尘设备 用TBM切削岩石，在硬岩和含水量小的岩层条件下会产生大量粉尘，因此在切削头部，也包括为了防止刀具破碎岩石时产生热量，需用压力水喷雾，这在一定程度上可以吸收一部分破岩产生的粉尘。但是，由于水压、流量、岩体的状况，粉尘抑制效果各不相同，条件恶化时，比如洒水不充分，粉尘和水粒子会以雾状浮游在空气中，妨碍视线。因此，为了有效地抑制粉尘，有必要收集粉尘进行处理，产生的粉尘尽量不让它扩散而使其集中在一起为最好。在最近的TBM实例中有从切削头
18、的腔室内用专用管道直接与集尘器连接进行直接处理的方法，效果非常好。专用管道安装在胶带输送机的旁边，当TBM的直径较小时，连胶带输送机本身也作为管道。另外，集尘器有干式和湿式之分，都装在后续台车上，除了其能力外，包括鼓风机在内集尘器的形状尺寸也成了重要的选定条件。通风设备通风设备 TBM施工法的通风对象要考虑作业人员呼气排出的气体和由TBM的动力等产生的热量、岩石的破碎和装载及喷混凝土产生的粉尘、内燃机排出的有害气体等。除轮胎式外，洞内的温度可通过吸水冷却进行相应处理，粉尘可用前述的集尘设备进行相应处理，因此通常是以作业人员的呼吸为对象的通风设备。然而，通风量通常比集尘器的能力大，且通风管道的位
19、置必须比集尘器的排气部位更深（工作面侧）。否则，在工作面和集尘器之间就会形成回风，新鲜空气就到不了工作面。作业人员的呼吸所排出的污染气体是二氧化碳，所需通风量每个人最少3m3/min，以此风量计算风管直径通常多为400-600mm（隧道直径为3-5m）。所需风力的计算与一般隧道一样，而由TBM使用的送风机大多比一般隧道的风量小，但送风距离长，因此应考虑采用涡轮式风机。涡轮式风机比轴流式风机的风压高，必须考虑风管的材质。图4-2-5所示为标准的通风配置示例。4.洞内超前钻孔设备洞内超前钻孔设备 在隧道掘进中，遇到断层、涌水是不可避免的，用TBM掘进时一般其故障更严重。因此，为了把故障控制在最小限
20、度内，或者在事前调查中对预计发生的断层、突发性涌水等进行相应处理，多用钻孔进行TBM工作面前方的地质探查。不取芯式钻孔探查用岩粉，取芯式探查可采取岩芯，直接观察前方岩层情况，并且还可作为排水钻孔。钻孔设备必须安装在TBM有限的范围内，并且根据地质变化随时进行钻孔，因此以小型而易于移动、钻深100m左右的设备为宜。钻孔机械应可前后、上下、左右移动，在狭窄的后续台车内提高其机动性。5.排水设备排水设备在排水方法上，可采取以下措施：在排水方法上，可采取以下措施：TBM内的装碴部位的排水处理在隔板处设排水孔，在机内料槽中集水，用水下泵通过洞内排水管把水排到洞外。用水下泵不能处理的污泥、软泥等堆积物由设
21、在洞外的真空管（真空输送泵）配置进行吸收处理。洞内排水管按排水量确定规格（如200弦卷钢管），隔一定距离（如约200m）设集水槽，连接水下泵进行强制排水。排到洞外的水都汇集在设置于洞口临时设置场的沉淀槽进行处理。6.供水设备供水设备 TBM开挖中的供水，用于油压系统油冷却器的冷却、切削刀具和封层的冷却等，也用于超前钻孔、喷射混凝土、衬砌混凝土、洞内洗涤等。作为供水设备，在洞外随着开挖的推进依次串联增设给水泵（如纵向离心泵500L/min62m）。冷却水用洞内配管按所需管径（如100弦卷钢管）输送。配管布置随开挖的推进而延长，因此有在后续台车处设置螺旋台车而使之可伸缩和调整布置间隔的方法。在后续
22、台车上设有水箱，供给钻孔用水。7.喷混凝土设备喷混凝土设备 TBM施工中的喷混凝土通常与山岭隧道施工法一样作为初期支护，有时也作为永久支护。因此，喷射位置也有在TBM主体后面和后续台车后面两种情况。大多在TBM主体后面，主要因TBM中央的胶带输送机、主梁容易妨碍喷嘴作业，回弹大，人工作业困难等原因。喷射混凝土设备有湿式和干式两种，设备因喷射方式多少有些不同，但比起喷射方式来，设备的设置方法更重要，喷射设备设置一般有在TBM的后续台车上和分离台车上两种，应与施工方法和支护功能相适应并灵活运用。前者在喷射时运入的繁杂程度得到减半，但安装在狭窄场所，机械的清扫、保养、检查、维修则成为颇严峻的作业。后
23、者分离方式有着在其他地方进行检查、维修等而与开挖作业无关的优点，但需要单独的台车，配管费时，走行麻烦，增加了脱轨等事故的危险性。8.其他设备其他设备 TBM的设备很多，这里仅介绍与TBM施工法有关的照明、通信设备。TBM一般后续设备长，作业分布在多个位置，各作业位置和状况难以把握。所以从作业性、安全性的观点出发，各作业环节必须设有可相互联系的通信设备。以弃碴为例，运输石碴设备的速度在狭窄的通道（洞内）内较快，在洞内安全作业方面受到限制，所以每隔300-500m就必须设置能与工作面联络的通信或显示系统。另外，从工作面通过后续台车到碴场的区间一发生事故，一切都要停止，因此也必须设置监视摄像机、显示
24、器等监视系统。TBM具有复杂的机械和控制系统，因此需要比普通隧道施工好得多的照明。根据TBM施工的要求，最好安装1 kW的水银灯，使其他需特别监视的地方和局部阴暗处的照明都能达到施工要求。第二节第二节 TBM的构造及工作原理的构造及工作原理2.1 全断面全断面TBM1.全断面全断面TBM的基本构造的基本构造 全断面TBM有一庞大机体，由破岩机构、推进机构、岩碴装运机构、导向调向机构及吸尘、通风装置等几部分组成。现以硬岩TBM为例简要说明如下。图4-2-6所示为国产的直径为5.5 m的TBM构造简图。破岩机构破岩机构 破岩机构由刀盘和滚刀组成。在TBM刀盘上装置各类滚刀，工作时，在强大轴推力的作
25、用下刀盘旋转，带动在岩面上同时滚动的各滚刀在同心圆上旋转，在岩面上形成圆环状的破碎沟。破碎沟间的岩石，由后进滚刀的侧向分力剪切破碎。推进机构推进机构 TBM借助千斤顶顶撑洞壁来支持机身，这种千斤顶称为锚撑锚撑。TBM的推进，包括刀盘的推进和完成一个切割行程后整个机身的推进，都与锚撑的作用与动作有关。掘进工作开始，锚撑顶紧岩壁，前支撑缸及后支撑缸均收缩，推进缸以锚撑为固定点进油伸长，给刀盘施加轴向推力，强使其破岩掘进。刀盘破岩推进时，带动整个机体一起向前移动，如图4-2-7a所示。推进油缸到达最大行程约90cm后，即算完成一个行程。机体也向前推进90cm，如图4-2-7b所示。锚撑的推进此时，伸
26、出前支撑缸及后支撑缸并顶紧岩壁，保持刀盘及机器稳定，然后收缩锚撑，推进油缸回油，驱使套架带动锚撑在机架导轨上向前移动，行程也是90cm，如图4-2-7c、d所示。推进油缸回油全部缩回，即套架也前滑约90cm后，再使锚撑顶紧岩壁，同时收缩前支撑缸及后支撑缸，开始新的掘进出碴机构出碴机构 破岩形成的片状石碴，由安装在刀盘上的铲碴斗铲起，铲斗旋转到顶部卸入集料斗，再转到胶带输送机上，经胶带输送机装车运出洞外。TBM的出碴具有与破岩相同的生产率，故能保证连续破岩，连续出碴。导向调向机构导向调向机构 导向机构是用来指示和校核TBM推进的方向，使其保证符合设计的轴线和坡度的要求。调向机构是根据导向机构给出
27、的信息或指令，控制或调整TBM的推进方向。通风及吸尘装置通风及吸尘装置 掘进机工作时要产生大量的热量和粉尘。因此对通风、降尘要求较高。一般在刀盘头部安装有吸尘设备和喷水装置，掘进时连续喷水降尘。在机房内还专设有通风降温设备。2.全断面全断面TBM开挖水平洞室开挖水平洞室应用全断面应用全断面TBM开挖水平洞室有两个基本方案。一是开挖水平洞室有两个基本方案。一是用用TBM直接开挖成圆形断面的洞室直接开挖成圆形断面的洞室；二是；二是先用先用TBM开挖导洞，开挖导洞，再用钻爆法扩大成需要的断面的洞室再用钻爆法扩大成需要的断面的洞室。全断面全断面TBM开挖洞室（或导洞）施工过程开挖洞室（或导洞）施工过程
28、 做好准备工作和洞口工程包括场地平整、洞口明堑、轴线标桩的测设，以及道路、动力、供水、通风等辅助工作设施。在洞口首段，先用钻爆法开挖出一段圆形洞室，并用混凝土衬砌。该段长度不应小于TBM的长度，衬砌好后洞室的内径应略大于刀盘直径。这段洞室称为起始洞，又称为机窝。其作用有其作用有：第一，作为组装TBM的场所；第二，作为TBM锚撑的起始锚定点；第三，作为TBM自动推进和导向的基准点。所以，起始洞的开挖和支护要严格保证质量，特别是断面尺寸、轴线、坡度的准确。在起始洞内组装TBM，并进行调试和试运转。正式开车掘进。破岩同时，连续出碴。围岩需局部支护时，由附属设备完成。大直径全断面TBM主机（部分）的总
29、体性能参数列于表4-2-2。2.2 自由断面自由断面TBM1.自由断面TBM法的优点 开挖断面形状自由隧道可以分部开挖，断面形状和大小可自由选择，即使遇到局部坚硬的部分，开挖其周围后，还有掉落的可能。在掌子面难以自稳的围岩中，可保留核心进行环向开挖。易于适应地质条件的变化在开挖中，局部遇到硬岩时，可改为爆破开挖。采用松弛爆破，使围岩产生裂隙，再采用机械开挖。为排水和压浆的钻孔作业也容易进行。开挖速度快岩质在自由断面TBM的适应范围以内时，开挖、装碴可同时进行，故掘进速度快。利用TBM的臂可架设支撑和背板。围岩松弛少爆破法围岩易于松弛。机械开挖时对围岩的影响小，可减轻支撑，衬砌厚度也可减小。噪声
30、、振动小开挖动力都是电力、油压。故洞内外噪声、振动都小。轻量、小型、机动性好即使是大断面用的大型机，其重量也只有50t。导坑用的小断面掘进只有12t 左右。机械的搬入、搬出是很容易的。人员少，安全性高开挖作业时，只有一名司机。机械购置费低机械购置费低，通用性、工作效率都高，机械损耗小，维修费等也小。2.自由断面TBM法的缺点 地质条件的适用范围小最近的大型自由断面TBM，在抗压强度小于80MPa时可经济地进行掘进。欧美的掘进机可达到100 MPa，开挖效率，限界不仅与岩石的抗压强度有关，也与裂隙，石英含量。石英粒径等有关。发生粉尘在抗压强度大于15MPa的岩层中开挖时，粉尘会成为一个问题。恶化
31、视线，降低效率，环境差。有涌水时易于泥化。3.适用范围适用范围 从地质条件看适用范围自由断面的TBM的适用范围，随着技术的提高逐渐扩大。不仅用于软岩，也开始用于硬岩。从机械因素看适用范围自由断面TBM与全断面TBM不同之点是：开挖反力由机械重量来支持。因此，各种的适用范围与开挖断面的高度、机体的重心高度、机体自重的支持点距离、刀具的切向力等有关。单轴抗压强度大于80-100 MPa后，机体重量急剧增加。3.自由断面自由断面TBM的基本构造的基本构造 自由断面TBM由破岩装置、出碴装置、移动装置等基本部分组成，如图4-2-9所示。自由断面TBM的破岩装置，系安装在液压伸臂上的球状或圆锥状的铣刀头
32、，又称切削头。这种TBM大多数只有一个液压臂，所以又称为独臂钻。该臂能伸缩及在水平方向和垂直方向上回转，从而可在任意位置上切割破岩。自由断面TBM的出碴装置，实质上就是刮板式或蟹爪式装碴机。破碎的石碴由刮板或蟹爪搜取经链板转输至机后的输送带，再装车运走。这种TBM的移动装置有履带式或轮胎式两种，以履带式采用较多。第三章第三章 TBM法隧道的支护技术法隧道的支护技术第一节第一节 概述概述1.1 目前没有适用于目前没有适用于TBM隧道支护设计的设计方法的原因隧道支护设计的设计方法的原因 掌子面被TBM机体所堵塞，很难基于掌子面直接观察进行状况的判断。拱顶下沉和净空位移等隧道动态量测，在开挖后立即进
33、行是困难的，因此，要采用量测以外的手段来判断围岩的稳定性和支护是否妥当。施设支护的位置，要离开掌子面一定距离，支护设置时间较迟。支护设置位置，因TBM的形式而异。TBM的直径、用途是多种多样的，在同样的条件下的工程实绩较少。1.2 支护形式的基本要素支护形式的基本要素第二节第二节 TBM法隧道的支护设计法隧道的支护设计2.1 在在TBM法的支护设计法的支护设计 为确保高速掘进，应在尽可能短的时间内进行支护的施设，或支护能与掘进平行施工。TBM法的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，可采用轻型的支护形式。考虑开挖到构筑的时间较长，构筑支护时对TBM装置的影响，确定合理的支护施工位置（与掌子面的距离）。
34、是永久的或是暂时的支护。支承靴挤压对洞壁的影响。TBM法与爆破法比，围岩松弛范围要小些，根据弹性波测试和孔内加载试验，围岩松弛区域内的弹性系数约降低40%-60%2.2 TBM法隧道常用的支护设计方法法隧道常用的支护设计方法1.RSR值法值法 在欧洲大多采用Wickham提出的RSR（rockstructure rating）方法。此方法是采用表示岩层良好度的RSR值，在TBM隧道支护设计时，视隧道直径不同，RSR值要增值0-20 。2.RQD法法 RQD法是以RQD指标进行隧道围岩分级的方法，其开挖方法和支护的关系见表4-3-4。（参见教材P294）3.松弛荷载法松弛荷载法 在TBM法中，支
35、护的构筑位置与矿山法不同，是在掌子面后方一定距离处，作用在支护上的荷载是松弛荷载，故可采用Terzhaghi的松弛荷载进行设计。表4-3-5是按Q值的支护分类。表4-3-6是按坑道壁的崩落情况的支护分类。4.破岩和岩层动态法破岩和岩层动态法 最近有人提出，根据TBM的机械破岩数据和围岩状态来决定支护的方法的建议。表4-3-7表示根据地质状况（坑壁观察、RSR、RMR、Q值等）、坑壁挤出和崩塌状况、TBM的机械数据等选择支护时的基本要素。5.围岩分级法围岩分级法 我国在修建秦岭隧道中，提出以TBM法施工围岩划分等级来确定支护参数，我国TBM法施工围岩分级如表4-3-8所示。根据表4-3-8列出的
36、围岩级别，直径8.8 m的TBM隧道的支护结构类型及参数列于表4-3-9和表4-3-10。（参见教材P297）2.3 TBM法隧道支护实施例法隧道支护实施例1.以钢支撑为主体的实施例以钢支撑为主体的实施例 表4-3-11所示是以钢支撑为主的支护示例，钢支撑是TBM法采用最多的一种支护形式，其理由是其理由是：材料便宜，可在短时间内架设，视围岩状况易变更设计，常采用100-150的H钢支撑，与喷层和锚杆比，可立即发挥支护效果，这对掘进速度快的TBM法是很有利的，在松弛荷载较大时，可采用钢背板。2.以仰拱管片为主的支护示例以仰拱管片为主的支护示例 仰拱管片的支护形式主要采用在盾构式TBM法。采用采用
37、的理由是的理由是：设置简单；不损害路基；铺设钢轨精度高；支承靴无效时，可用盾构千斤顶为反力。管片的种类有钢和RC两种。管片上部的支护多采用钢支撑和喷层。3.全周管片示例全周管片示例 金属管片多用于盾构式TBM中，通常因材料的价格高，而限于在大量涌水区段和膨胀性围岩地段或支承靴无效的围岩区段采用。材料一般是钢制的，在大断面隧道和水路隧道中，也采用RC制的。此时，RC管片一般是作为永久支管片一般是作为永久支护采用的，全周管片的支护特征可举出以下几点护采用的，全周管片的支护特征可举出以下几点。可适应大地压、大量涌水。支承靴无效时，可用盾构千斤顶为反力。因可在盾构内组装，安全性高。可在盾构内组装，作业
38、容易。在支承靴可能推进的地点，能与TBM掘进平行作业，故可缩短工期。对掉块、崩塌等事故的适应性好。4.喷锚支护示例喷锚支护示例 采用喷锚支护，尽可能地接近掌子面构筑支护对围岩稳定是有利的。但在TBM法中不能像矿山法那样进行构筑，通常是在TBM主体的后部构筑喷锚支护。在敞开式TBM中，最接近掌子面构筑支护的位置是在刀盘后，大约距掌子面畅 m左右。盾构式TBM，在盾构的后部距掌子面约10m左右。由于TBM法施工时，刀盘和支承靴间有主马达和千斤顶等装置，对构筑喷锚支护的空间有限制，同时喷混凝土的粉尘和回弹对装置也有影响。采用喷锚支护时，要注意以下几点。采用喷锚支护时，要注意以下几点。粉尘和回弹对装置
39、的影响。装置和后方设备的清扫。开挖断面和锚杆长度及位置。支护效果发现的时间。粉尘对洞内环境的影响。支承靴对喷层的损害。开挖石粉在洞壁的附着。第四章第四章 TBM法隧道的施工技术法隧道的施工技术第一节第一节TBM法隧道的施工流程法隧道的施工流程1.1 全断面全断面TBM的掘进循环作业的掘进循环作业 掘进开始掘进开始作业开始时，主支撑架相对主机架处在前位，主支撑靴撑紧洞壁。TBM调整方向定位后，后支撑靴提起。切削刀盘转动，推进液压缸伸出，TBM向前掘进。推进液压缸全部伸出，TBM掘进向前移动一个行程。掘进终了准备换步掘进终了准备换步切削刀盘停止转动，后支撑靴伸出抵到仰拱上以承受机器后端重力，前支撑
40、与底面接触以承受机械前端重力。主支撑靴回缩。换步开始换步开始当主支撑靴回缩后，使推进装置的推进液压缸反向进油，则活塞杆缩回带动主支承架与主支撑靴一起相对主机架向前移动一个行程。换步终了换步终了换步时推进液压缸活塞杆全部缩回，则换步终了，可以进行下一个掘进循环，即主支撑靴伸出，再与岩壁接触撑紧，提起后支撑靴离开仰拱，使前支撑靴处于浮动状态。TBM定位找正，开始工作。1.2 自由断面自由断面TBM的掘进循环作业过程的掘进循环作业过程 为了有利于切割和落岩，切削头首先从开挖断面的中央下部开始切割，如图4-4-2所示。自下而上分层切割。液压臂达到最大距离或伸长，即完成一个切削行程后，液压臂收缩，移动装
41、置也随之推进。切削头重新从开挖断面的中央下部开始切割，是连续作业，如图4-4-3所示。第二节第二节TBM法隧道施工技术要点法隧道施工技术要点2.1 TBM法破岩技术要点法破岩技术要点 TBM切削破碎岩石是在掘进时盘型刀沿岩石开挖面滚动，并通过刀盘上滚刀均匀地对岩面施加压力，形成滚动挤压切削而实现破岩。刀盘每转动一圈，将贯入岩面一定深度，在刀刃与岩石接触处，岩石被粉碎成岩石粒或挤压成粉末，从这个区域开始，裂缝向相邻的切割槽扩展，进而形成片状石碴。不同的岩石需要设置不同的盘型刀的刀间距和压入岩石的最低压强值，才能达到较理想的贯入深度。贯入深度在坚硬和裂隙很少的岩石中，一般为2.5-3.5 mmr，
42、在中等坚硬和裂隙较多的岩石中，一般为5-9 mmr。如果刀间距太大，盘型刀产生的压力达不到与相邻盘型刀的影响范围相接，必定开挖不出片状石碴，从而使开挖效率降低。反之则会使石碴块太小，从而浪费了设备的功率。单个盘型刀的使用寿命，与轴承使用寿命、刀圈材质和加工质量以及它在大刀盘上的位置有关。目前刀圈的形状已趋于常断面型，它的优点是刀圈尖端宽度在磨损后仍保持不变，因此确保了即使它承受的荷载有变化，也将是具有良好的贯入速度和深度，从而提高了切割速度并降低刀具的消耗。应该强调指出，TBM破岩施工不仅要注意岩石的抗压强度，还应注意岩石的磨蚀性以及岩体的裂隙程度，当岩体节理裂隙面间距较大时，切割也就越困难。
43、表4-4-1是通用于世界的裂隙分级标准。2.2 TBM施工管理技术要点施工管理技术要点 采用TBM开挖隧道，实现了隧道施工的工厂化，这是一个大的管理系统工程。提高施工现场管理和设备管理水平，是提高TBM施工效率和效益的基础。从图4-4-4可以看出，使用同一型号的TBM，在相同地质条件下，管理水平的好坏，其TBM纯掘进时间有较大的差异。如材料供应不及时，就有可能造成仰拱不能及时铺设，延误轨道的延伸，进而影响到TBM下一个循环的进行。任何设备的故障都会直接影响到TBM的正常掘进。1.TBM的纯掘进时间的纯掘进时间 TBM开挖隧道的有效的作业时间不等于纯掘进时间，TBM通常工作时间包括换步和更换支撑
44、时间、检查和更换刀具时间、维修保养时间、对围岩进行支护时间、作业造成的停机时间以及供料和出碴造成的停机和工地组织造成的停机等。据国外统计，在一般地质条件下，TBM纯掘进时间在40%-50%左右是较为理想的。提高设备完好率是保证提高纯掘进时间的基础。强化维修保养，建立预防性维修和关键部件的修理制度，是保证TBM高效利用率的重要手段。2.TBM刀具的管理刀具的管理 加强TBM工作的管理，十分重要的是刀具的管理，这是因为刀具消耗占据隧道开挖成本的很大部分。如适当地提高推力，虽可提高净开挖速度，但刀具费用会急剧增长。因此选择合理的掘进匹配系数可以节省刀具费用的支出。此外，除进行定时刀具检查外，有经验的
45、操作员应掌握刀具的磨损规律，及时进行更换和调换。如果只换上一把新刀，而它周围的刀具磨损已超过限度，则新刀就会更多地承担刀盘传给它的推力，使其磨损加快。由于设备类型不同，使用的刀具不同，隧道围岩变化多样，因而掘进选用的操作参数也不同。因此很难确切提出刀具消耗定量标准（在当前物价条件下每开挖1m岩石，刀具消耗费在1-10美元，可供参考）。3.TBM配件供应管理配件供应管理 TBM施工中，配件供应和管理也是保证掘进主要的方面。一般应弄清TBM的易损件和故障较多配件的名称和更换周期，确定一个合理的配件储备量，避免急用时无配件或造成配件仓库。4.施工人员的管理施工人员的管理 与钻爆法相比工作人员大量减少
46、。国外一般每作业班只配3-16人（我国也许要略多）。工作人员必须明确岗位及岗位工作内容和职责。按标准化作业规程进行施工操作。工作人员一般要有高中或大专以上的文化技术水平。工作班之间的交接制度要严格执行。不把上一班存在的问题遗留到下一班，如有遗留，必须相互交接清楚。5.工程地质和监控量测管理工程地质和监控量测管理 对地质施工描述应加强，按地质变化随机应变。特别要做好不同围岩情况下的初期支护或临时支护，不允许冒险作业。加强地质超前预报，可用超前钻机、地震波反射法以及地质雷达法等物探方法，对洞内掌子面前方30-50m范围内的地质条件做出预报，以提前安排做业措施（这一点要比钻爆法重要得多）。对隧道的控
47、制测量和施工测量要提高精度等级要求，这是因为圆形断面旦形成，很难再调整中心线和标高。6.供电设施管理供电设施管理 TBM施工对电力供应及实施的要求比钻爆法要高得多，因此必须建立专门的电力供应机构，确保供电质量。多次停电、电压不稳、电压降太大等，都会影响工作。7.TBM施工准备施工准备 要作好TBM施工的准备工作，特别是洞口平纵面条件、作业场地条件、大型临时工程等，都比钻爆法复杂，而这些准备工作如果有任何一个环节不完成，就不能正式开挖作业，因此必须统筹安排，具体设计，组织施工，在正式开挖前全部做到位。2.3 衬砌施工技术要点衬砌施工技术要点 用TBM施工的隧道，其衬砌结构一般是由临时或初期支护和
48、二次衬砌组成。初期或临时支护是隧道开挖中保证掘进期围岩稳定和TBM顺利掘进所不可缺少的。采用TBM施工时，由于开挖工作面被TBM主体充塞，对围岩很难进行直接观察和判断，而且造成进行支护的位置相对开挖面滞后一段距离，因此不同形式的TBM，也要求采用不同的支护形式。一般在充分进行地质勘探后，在隧道设计时，就应确定基本支护形式。例如引水隧道，为保证输水的可靠性，要求支护对围岩有密封性，所以大都采用护盾式TBM进行管片衬砌的结构形式；而对于一般公路、铁路隧道，除进行临时支护外，视地质情况采用二次喷射混凝土或二次模注混凝土作为永久衬砌。1.管片式衬砌管片式衬砌 使用护盾TBM时，一般采用圆形全周管片式衬
49、砌。其其优点是：优点是：适合软弱围岩，特别是当围岩允许承载力很低，撑靴不能支撑岩面时，可利用尾部推力千斤顶，顶推已安装的管片获得推进反力；当撑靴可以支撑岩面时，双护盾TBM可以使掘进和换步同时进行，提高了循环速度；利用管片安装机安装管片速度快、支护效果好，安全性强，但是它的造价高。为了防水的需要，每块之间要安装止水条，并需在管片外圆和洞壁间隙压入碎石和注浆。管片预制一般在工地建设混凝土预制品工厂来完成。2.二次模注混凝土二次模注混凝土 使用开敞式TBM，一般是随开挖先施作临时支护，然后进行二次模注混凝土永久性衬砌（图4-4-5）。这是为了保证TBM的高速度掘进，而不可能使开挖作业与模注混凝土衬
50、砌作业同时进行。此外，在机械上部进行衬砌作业，会给TBM设备带来严重的混凝土污染，因此只在刀盘后部进行必要的如锚杆、喷射混凝土、架钢拱架等临时支护。二次混凝土衬砌，根据地质条件也有用喷射混凝土作为永久衬砌的，如瑞士弗尔艾那铁路单线隧道，就是采用二次喷射混凝土为永久衬砌的。在喷射混凝土中安装了钢筋网，加入了钢纤维。多数隧道往往采取二次模注混凝土衬砌，使用穿行式模板台车，进行永久衬砌的灌注。根据设计的断面形状，制造模板台车，这与钻爆法施工一致。值得注意的是，二次衬砌完成后，TBM在完成掘进任务后，不可能从原路退出，只有在完成开挖位置进行扩大洞室，在隧道内进行拆卸TBM部分机件（如大刀盘的解体）时，