暗挖法)地下工程施工(TBM法施工)

1、tbm施工技術(shù) tbm施工技術(shù) 一、基本概念一、基本概念 巖石隧道掘進(jìn)機(jī)巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（tunnel boring machine）簡(jiǎn)稱）簡(jiǎn)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。通常是利用法。通常是利用回轉(zhuǎn)刀盤回轉(zhuǎn)刀盤又借助推進(jìn)裝置的作用力從而使又借助推進(jìn)裝置的作用力從而使 刀盤上的滾刀切割刀盤上的滾刀切割(或破碎或破碎)巖面，以達(dá)到破巖開挖隧道巖面，以達(dá)到破巖開挖隧道(洞洞) 的目的。的目的。 按巖石的破碎方式，按巖石的破碎方式，分為分為擠壓破碎擠壓破碎與與切削破碎切削破碎兩種，前者是兩種，前者是 將較大的推

2、力給予刀具，通過(guò)刀具的楔子作用將巖石擠壓將較大的推力給予刀具，通過(guò)刀具的楔子作用將巖石擠壓 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。上進(jìn)行切削。 按刀具切削頭的旋轉(zhuǎn)方式，按刀具切削頭的旋轉(zhuǎn)方式，可分為可分為單軸旋轉(zhuǎn)式單軸旋轉(zhuǎn)式與與多軸旋轉(zhuǎn)式多軸旋轉(zhuǎn)式 兩種。兩種。 掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造：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(dòng)裝置、機(jī)器方位調(diào)整機(jī)構(gòu)、機(jī)架和機(jī)尾，以及裝置、驅(qū)動(dòng)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(rùn)滑、除塵系統(tǒng)等組成。液壓、電氣、潤(rùn)滑、

3、除塵系統(tǒng)等組成。 tbm施工技術(shù) 二、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)的分類二、巖石隧道掘進(jìn)機(jī)的分類 1、按切削方式分類、按切削方式分類 大致分為大致分為全斷面切削方式全斷面切削方式和和部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞讲糠謹(jǐn)嗝媲邢鞣绞絻蓛?類。部分?jǐn)嗝媲邢鞣绞绞峭诰蛎禾坑玫臋C(jī)械在類。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。的斷面一般是圓形的。 2、按開挖地層分類、按開挖地層分類 1）土質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)）土質(zhì)隧道掘進(jìn)機(jī)（盾構(gòu)） 2）巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（）巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（tbm） tbm施工技術(shù) 三、三、tbm法的優(yōu)缺點(diǎn)法的優(yōu)缺點(diǎn) 1

4、、tbm法的優(yōu)點(diǎn)法的優(yōu)點(diǎn) 1）掘進(jìn)效率高。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，從）掘進(jìn)效率高。掘進(jìn)機(jī)開挖時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，從 而可以保證而可以保證破巖、出碴、支護(hù)破巖、出碴、支護(hù)一條龍作業(yè)。特別在穩(wěn)一條龍作業(yè)。特別在穩(wěn) 定的圍巖中長(zhǎng)距離施工時(shí)，此特征尤其明顯。定的圍巖中長(zhǎng)距離施工時(shí)，此特征尤其明顯。 2）掘進(jìn)機(jī)開挖施工質(zhì)量好，且超挖量少。掘進(jìn)機(jī)開挖的）掘進(jìn)機(jī)開挖施工質(zhì)量好，且超挖量少。掘進(jìn)機(jī)開挖的 隧道隧道(洞洞)內(nèi)壁光滑內(nèi)壁光滑，不存在凹凸現(xiàn)象，從而可以減少支，不存在凹凸現(xiàn)象，從而可以減少支 護(hù)工程量，降低工程費(fèi)用。護(hù)工程量，降低工程費(fèi)用。 3）對(duì)巖石的擾動(dòng)小。對(duì)巖石的擾動(dòng)小。掘進(jìn)機(jī)開挖施工

5、可以大大改善開挖掘進(jìn)機(jī)開挖施工可以大大改善開挖 面的施工條件。而且周圍巖層穩(wěn)定性較好，從而保證面的施工條件。而且周圍巖層穩(wěn)定性較好，從而保證 了施工人員的健康和安全。了施工人員的健康和安全。 4）施工安全，近期的）施工安全，近期的tbm可在防護(hù)棚內(nèi)進(jìn)行刀具的更換，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。作業(yè)環(huán)境有了較大的改善。 tbm施工技術(shù) 2、tbm法的缺點(diǎn)法的缺點(diǎn) 1）對(duì)多變的地質(zhì)條件）對(duì)多變的地質(zhì)條件(斷層、破碎帶、擠壓帶、斷層、破碎帶、擠壓帶、 涌水及堅(jiān)硬巖石等涌水及堅(jiān)硬巖石等

6、)的適應(yīng)性較差。但近年來(lái)的適應(yīng)性較差。但近年來(lái) 隨著技術(shù)的進(jìn)步，采用了盾構(gòu)外殼保護(hù)型的掘隨著技術(shù)的進(jìn)步，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)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。又能在中硬巖層中開挖施工。 2）掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，）掘進(jìn)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，由于掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 對(duì)材料、零部件的耐久性要求高。因而制造的對(duì)材料、零部件的耐久性要求高。因而制造的 價(jià)格較高。難用于短隧道。價(jià)格較高。難用于短隧道。 3）施工途中不能改變開挖直徑。施工途中不能改變開挖直徑。如用同一種機(jī)如用同一種機(jī) 型開挖不同直徑的斷面。型開挖不同

7、直徑的斷面。 4）開挖斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上受）開挖斷面的大小、形狀變更難，在應(yīng)用上受 到一定的制約。到一定的制約。 tbm施工技術(shù) 一、一、 工程地質(zhì)條件工程地質(zhì)條件 在在tbm工法中，工法中，tbm和掌子面是分離的，故有軟弱層和和掌子面是分離的，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(duì)調(diào)查，不僅對(duì)tbm的選擇和施工速度有很大的影響，的選擇和施工速度有很大的影響， 對(duì)能否采用對(duì)能否采用tbm法也是決定性的因素。法也是決定性的因素。 1、影響選用、影響選用tbm工法是否合適的地質(zhì)因素工法是否合適的地質(zhì)因素

8、 （1）隧道地壓）隧道地壓 很大的地壓作用，掌子面難于自穩(wěn)，很大的地壓作用，掌子面難于自穩(wěn)，tbm掘進(jìn)是極為困掘進(jìn)是極為困 難的。難的。 （2）涌水狀態(tài)）涌水狀態(tài) 在涌水地段，在極端的情況下，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生下沉在涌水地段，在極端的情況下，機(jī)體會(huì)產(chǎn)生下沉 ，tbm 的優(yōu)點(diǎn)會(huì)喪失殆盡。的優(yōu)點(diǎn)會(huì)喪失殆盡。 tbm施工技術(shù) 2、影響、影響tbm效率的地質(zhì)因素效率的地質(zhì)因素 影響影響tbm效率的因素主要有巖石強(qiáng)度、硬效率的因素主要有巖石強(qiáng)度、硬 度及裂隙等。這些因素對(duì)度及裂隙等。這些因素對(duì)tbm切削巖石切削巖石 的能力影響極大。的能力影響極大。 （1）巖石強(qiáng)度）巖石強(qiáng)度 （2）巖層的裂隙）巖層的裂隙 （3）

9、巖石硬度）巖石硬度 tbm施工技術(shù) 二、二、 機(jī)械條件機(jī)械條件 tbm不僅受到地質(zhì)條件的約束，還受到開挖直不僅受到地質(zhì)條件的約束，還受到開挖直 徑、開挖機(jī)構(gòu)的約束。徑、開挖機(jī)構(gòu)的約束。 一般說(shuō)在硬巖中，大直徑的開挖是很困難的。一般說(shuō)在硬巖中，大直徑的開挖是很困難的。 理由是：目前的理由是：目前的tbm大都是單軸回轉(zhuǎn)式的，開大都是單軸回轉(zhuǎn)式的，開 挖直徑越大，刀頭的內(nèi)周和外周的挖直徑越大，刀頭的內(nèi)周和外周的周速差周速差越大，越大， 對(duì)刀頭產(chǎn)生種種不良影響。此外，隨著開挖直對(duì)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(huì)徑的增大，要增大推力，支撐靴也要增大。會(huì) 出

10、現(xiàn)運(yùn)送上的困難和承載力問(wèn)題。出現(xiàn)運(yùn)送上的困難和承載力問(wèn)題。 此外，挖掘機(jī)械是采用壓碎方式還是切削方式，此外，挖掘機(jī)械是采用壓碎方式還是切削方式， 對(duì)實(shí)際應(yīng)用的適用范圍也有差別。對(duì)實(shí)際應(yīng)用的適用范圍也有差別。 tbm施工技術(shù) 三、三、 開挖長(zhǎng)度開挖長(zhǎng)度 tbm進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后，一般要經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、組裝的過(guò)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)后，一般要經(jīng)過(guò)運(yùn)輸、組裝的過(guò) 程。根據(jù)程。根據(jù)tbm的直徑和形式、運(yùn)輸途徑、組裝的直徑和形式、運(yùn)輸途徑、組裝 基地的狀況等，要準(zhǔn)備基地的狀況等，要準(zhǔn)備12個(gè)月。其次，個(gè)月。其次，tbm 的后續(xù)設(shè)備長(zhǎng)的后續(xù)設(shè)備長(zhǎng)100200m，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)，為正規(guī)地進(jìn)行掘進(jìn)， 也要先修筑一段長(zhǎng)也要先修筑一段長(zhǎng)2

11、00m左右的隧道。所以，左右的隧道。所以， 隧道長(zhǎng)度短時(shí)，包括機(jī)械購(gòu)置費(fèi)在內(nèi)的成本是隧道長(zhǎng)度短時(shí)，包括機(jī)械購(gòu)置費(fèi)在內(nèi)的成本是 很高的，是不經(jīng)濟(jì)的。很高的，是不經(jīng)濟(jì)的。 當(dāng)隧道長(zhǎng)度在當(dāng)隧道長(zhǎng)度在1000m以下時(shí)，固定費(fèi)的成本急劇以下時(shí)，固定費(fèi)的成本急劇 增大，到增大，到3000m左右時(shí)，成本大致是一定的。左右時(shí)，成本大致是一定的。 因此，如果單純的看此圖，因此，如果單純的看此圖，tbm適宜的長(zhǎng)度最適宜的長(zhǎng)度最 好是好是3000m以上。以上。 tbm施工技術(shù) 四、四、 工程所在地的設(shè)施工程所在地的設(shè)施 在在tbm法中，因要進(jìn)行機(jī)械的運(yùn)輸、組裝法中，因要進(jìn)行機(jī)械的運(yùn)輸、組裝 等，故要對(duì)隧道所處地點(diǎn)的

12、狀況，給以等，故要對(duì)隧道所處地點(diǎn)的狀況，給以 應(yīng)有的注意。應(yīng)有的注意。tbm的運(yùn)搬計(jì)劃，要考慮的運(yùn)搬計(jì)劃，要考慮 道路的寬度、高度和重量的限制，根據(jù)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）。法（最小分割尺寸和重量）。 tbm施工技術(shù) 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：要取決于： (1) 工程規(guī)模：工程規(guī)模：如隧道形狀、長(zhǎng)度、直徑、埋深、走向以如隧道形狀、長(zhǎng)度、直徑、埋深、走向以 及圍巖條件等。及圍巖條件等。 (2) 地質(zhì)情況：地質(zhì)情

13、況：如巖石類型及強(qiáng)度，地質(zhì)的節(jié)理分布及發(fā)如巖石類型及強(qiáng)度，地質(zhì)的節(jié)理分布及發(fā) 育程度，有無(wú)斷層、暗河、溶洞，地下水的分布，隧育程度，有無(wú)斷層、暗河、溶洞，地下水的分布，隧 道正上方有無(wú)建筑物、河流等。道正上方有無(wú)建筑物、河流等。 (3) 作業(yè)場(chǎng)地：作業(yè)場(chǎng)地：交通運(yùn)輸能力。由于掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械部件多、交通運(yùn)輸能力。由于掘進(jìn)機(jī)的機(jī)械部件多、 重量大、現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)、解體等工作需要起重設(shè)備等配合。重量大、現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)、解體等工作需要起重設(shè)備等配合。 水電來(lái)源、進(jìn)出洞口場(chǎng)地等。水電來(lái)源、進(jìn)出洞口場(chǎng)地等。 (4) 施工進(jìn)度要求：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)由總控制工期的時(shí)間推算出平均月進(jìn) 尺指標(biāo)。尺

14、指標(biāo)。 (5) 企業(yè)自身的實(shí)際能力：企業(yè)自身的實(shí)際能力：如制造維修能力、經(jīng)濟(jì)能力，如制造維修能力、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。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。 tbm施工技術(shù) 在在tbm中，多采用噴混凝土、錨桿、鋼支撐以及木背板、中，多采用噴混凝土、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(wèn)題還沒(méi)有完全設(shè)計(jì)的，但其設(shè)計(jì)方法和施工方法的問(wèn)題還沒(méi)有完全 解決，其理由是：解決，其理由是： n （1）掌子面被）掌子面被tbm機(jī)體所堵塞，很難基于掌子

15、面直機(jī)體所堵塞，很難基于掌子面直 接進(jìn)行狀況的判斷；接進(jìn)行狀況的判斷； n （2）拱頂下沉和凈空位移等隧道動(dòng)態(tài)量測(cè)，在開挖后）拱頂下沉和凈空位移等隧道動(dòng)態(tài)量測(cè)，在開挖后 立即進(jìn)行是困難的，因此，要采用量測(cè)以外的手段來(lái)立即進(jìn)行是困難的，因此，要采用量測(cè)以外的手段來(lái) 判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)是否妥當(dāng)；判斷圍巖的穩(wěn)定性和支護(hù)是否妥當(dāng)； n （3）施設(shè)支護(hù)的位置，要離開掌子面一定距離，支護(hù)）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；設(shè)置時(shí)間較遲； n （4）支護(hù)設(shè)置位置。因）支護(hù)設(shè)置位置。因tbm的形式各異；的形式各異； n （5）tbm的直徑、用途是多種多樣的，在同樣的條的直徑、用途是

16、多種多樣的，在同樣的條 件下的工程實(shí)例較少，因此，件下的工程實(shí)例較少，因此，tbm的支護(hù)要在積累實(shí)的支護(hù)要在積累實(shí) 踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步完善。踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上逐步完善。 tbm施工技術(shù) 隧道用途隧道用途支護(hù)特征支護(hù)特征 隧道完成斷面隧道完成斷面 tbm tbm開挖斷面開挖斷面 在公路隧道中有采用在公路隧道中有采用rcrc管片作為永久管片作為永久 襯砌的；在水工隧道中采用噴混凝土、襯砌的；在水工隧道中采用噴混凝土、 錨桿、鋼支撐等組合支護(hù)錨桿、鋼支撐等組合支護(hù) tbmtbm導(dǎo)坑導(dǎo)坑 爆破擴(kuò)大爆破擴(kuò)大事前要拆除管片支護(hù)事前要拆除管片支護(hù) tbmtbm擴(kuò)大擴(kuò)大使用可拆除和可切削的材料使用可拆除和可切削的

17、材料 隧道直徑隧道直徑 2 25 m5 m多采用無(wú)支護(hù)鋼支撐管片多采用無(wú)支護(hù)鋼支撐管片 5 m5 m 多采用無(wú)支護(hù)、噴混凝土、錨桿、鋼多采用無(wú)支護(hù)、噴混凝土、錨桿、鋼 支撐等組支撐等組 合支護(hù)合支護(hù) tbmtbm形式形式 敞開式敞開式不使用管片支護(hù)不使用管片支護(hù) 盾構(gòu)式盾構(gòu)式 圍巖不良處，采用仰拱管片，全閉合圍巖不良處，采用仰拱管片，全閉合 管片管片 隧道坡度隧道坡度 水平水平 斜井斜井 導(dǎo)坑時(shí)，可采用纖維噴漿等特殊配比導(dǎo)坑時(shí)，可采用纖維噴漿等特殊配比 的材料的材料 支護(hù)形式的基本要素支護(hù)形式的基本要素 tbm施工技術(shù) 二、二、 支護(hù)設(shè)計(jì)支護(hù)設(shè)計(jì) 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)事前

18、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(duì)圍巖狀況的判斷，修正支護(hù)形式。應(yīng)特別注中根據(jù)對(duì)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)。意以下幾點(diǎn)。 n （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）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；護(hù)的施設(shè)，或能夠與掘進(jìn)平行施工； n （2）tbm的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支護(hù)的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支護(hù) 可以采用輕型的；可以采用輕型的； n （3）支護(hù)的施工位置（與掌子面的距離）；）支護(hù)的施工位置（與掌子面的距離）； n （4）開挖后到構(gòu)筑的時(shí)間較遲；）開挖后到構(gòu)筑的時(shí)間較遲； n （5

19、）是永久的或是暫時(shí)的；）是永久的或是暫時(shí)的； n （6）構(gòu)筑支護(hù)時(shí)對(duì)）構(gòu)筑支護(hù)時(shí)對(duì)tbm裝置的影響；裝置的影響； n （7）支撐靴擠壓對(duì)洞壁的影響。）支撐靴擠壓對(duì)洞壁的影響。 tbm施工技術(shù) 在在tbm法中，根據(jù)掌子面直接觀察的事故預(yù)測(cè)，開挖前法中，根據(jù)掌子面直接觀察的事故預(yù)測(cè)，開挖前 的周邊加固及開挖地點(diǎn)的直接加固等輔助工法，與其的周邊加固及開挖地點(diǎn)的直接加固等輔助工法，與其 他情況有些不同。所以，對(duì)他情況有些不同。所以，對(duì)tbm法來(lái)說(shuō)，輔助工法是法來(lái)說(shuō)，輔助工法是 指在通常情況以外的地質(zhì)條件或施工時(shí)所采用的對(duì)策，指在通常情況以外的地質(zhì)條件或施工時(shí)所采用的對(duì)策， 稱為輔助工法。稱為輔助工法。 n 一、一、 采用輔助工法的地質(zhì)條件采用輔助工法的地質(zhì)條件 n tbm法一般是在良好的地質(zhì)條件下采用的。因此，法一般是在良好的地質(zhì)條件下采用的。因此， 需要采用多種輔助工法的圍巖條件，應(yīng)盡量避免使用需要采用多種輔助工法的圍巖條件，應(yīng)盡量避免使用 tbm法。法。 n 但是，采用但是，采用tbm法的隧道長(zhǎng)度是較長(zhǎng)的，復(fù)雜的法的隧道長(zhǎng)度是較長(zhǎng)的，復(fù)雜的 地質(zhì)條件常常是難以避免的，如通過(guò)幾條斷層破碎帶地質(zhì)條件常常是難以避免的，如通過(guò)幾條斷層破碎帶 是一般的，因此，完全不采用輔助工法進(jìn)行掘進(jìn)的情是一般的，因此，完全不采用輔助工法進(jìn)行掘進(jìn)的情