暗挖法地下工程施工TBM法施工

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1、TBM施工技术TBM施工技术一、基本概念一、基本概念岩石隧道掘进机岩石隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）简称）简称TBM。是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方是利用岩石隧道掘进机在岩石地层中暗挖隧道的一种施工方法。通常是利用法。通常是利用回转刀盘回转刀盘又借助推进装置的作用力从而使又借助推进装置的作用力从而使刀盘上的滚刀切割刀盘上的滚刀切割(或破碎或破碎)岩面，以达到破岩开挖隧道岩面，以达到破岩开挖隧道(洞洞)的目的。的目的。按岩石的破碎方式，按岩石的破碎方式，分为分为挤压破碎挤压破碎与与切削破碎切削破碎两种，前者是两种，前者是将较大的推力给予刀具，通过刀

2、具的楔子作用将岩石挤压将较大的推力给予刀具，通过刀具的楔子作用将岩石挤压破碎；后者是利用旋转扭矩在刀具的切线方向及垂直方向破碎；后者是利用旋转扭矩在刀具的切线方向及垂直方向上进行切削。上进行切削。按刀具切削头的旋转方式，按刀具切削头的旋转方式，可分为可分为单轴旋转式单轴旋转式与与多轴旋转式多轴旋转式两种。两种。掘进机构造：掘进机构造：是由切削破碎装置、行走推进装置、出碴运输是由切削破碎装置、行走推进装置、出碴运输装置、驱动装置、机器方位调整机构、机架和机尾，以及装置、驱动装置、机器方位调整机构、机架和机尾，以及液压、电气、润滑、除尘系统等组成。液压、电气、润滑、除尘系统等组成。TBM施工技术二

3、、岩石隧道掘进机的分类二、岩石隧道掘进机的分类1、按切削方式分类、按切削方式分类大致分为大致分为全断面切削方式全断面切削方式和和部分断面切削方式部分断面切削方式两两类。部分断面切削方式是挖掘煤炭用的机械在类。部分断面切削方式是挖掘煤炭用的机械在隧道挖掘施工上的应用，全断面切削方式开挖隧道挖掘施工上的应用，全断面切削方式开挖的断面一般是圆形的。的断面一般是圆形的。2、按开挖地层分类、按开挖地层分类1）土质隧道掘进机（盾构）土质隧道掘进机（盾构）2）岩石隧道掘进机（）岩石隧道掘进机（TBM）TBM施工技术三、三、TBM法的优缺点法的优缺点1、TBM法的优点法的优点1）掘进效率高。掘进机开挖时，可以

4、实现连续作业，从）掘进效率高。掘进机开挖时，可以实现连续作业，从而可以保证而可以保证破岩、出碴、支护破岩、出碴、支护一条龙作业。特别在稳一条龙作业。特别在稳定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。定的围岩中长距离施工时，此特征尤其明显。2）掘进机开挖施工质量好，且超挖量少。掘进机开挖的）掘进机开挖施工质量好，且超挖量少。掘进机开挖的隧道隧道(洞洞)内壁光滑内壁光滑，不存在凹凸现象，从而可以减少支，不存在凹凸现象，从而可以减少支护工程量，降低工程费用。护工程量，降低工程费用。3）对岩石的扰动小。对岩石的扰动小。掘进机开挖施工可以大大改善开挖掘进机开挖施工可以大大改善开挖面的施工条件。而且周围岩层

5、稳定性较好，从而保证面的施工条件。而且周围岩层稳定性较好，从而保证了施工人员的健康和安全。了施工人员的健康和安全。4）施工安全，近期的）施工安全，近期的TBM可在防护棚内进行刀具的更换，可在防护棚内进行刀具的更换，密闭式操纵室和高性能的集尘机的采用，使安全性和密闭式操纵室和高性能的集尘机的采用，使安全性和作业环境有了较大的改善。作业环境有了较大的改善。TBM施工技术2、TBM法的缺点法的缺点1）对多变的地质条件）对多变的地质条件(断层、破碎带、挤压带、断层、破碎带、挤压带、涌水及坚硬岩石等涌水及坚硬岩石等)的适应性较差。但近年来的适应性较差。但近年来随着技术的进步，采用了盾构外壳保护型的掘随着

6、技术的进步，采用了盾构外壳保护型的掘进机，施工既可以在软弱和多变的地层中掘进进机，施工既可以在软弱和多变的地层中掘进又能在中硬岩层中开挖施工。又能在中硬岩层中开挖施工。2）掘进机的经济性问题，由于掘进机结构复杂，）掘进机的经济性问题，由于掘进机结构复杂，对材料、零部件的耐久性要求高。因而制造的对材料、零部件的耐久性要求高。因而制造的价格较高。难用于短隧道。价格较高。难用于短隧道。3）施工途中不能改变开挖直径。施工途中不能改变开挖直径。如用同一种机如用同一种机型开挖不同直径的断面。型开挖不同直径的断面。4）开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受）开挖断面的大小、形状变更难，在应用上受到一定的制约

7、。到一定的制约。TBM施工技术一、一、工程地质条件工程地质条件在在TBM工法中，工法中，TBM和掌子面是分离的，故有软弱层和和掌子面是分离的，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，不仅对调查，不仅对TBM的选择和施工速度有很大的影响，的选择和施工速度有很大的影响，对能否采用对能否采用TBM法也是决定性的因素。法也是决定性的因素。1、影响选用、影响选用TBM工法是否合适的地质因素工法是否合适的地质因素（1）隧道地压）隧道地压 很大的地压作用，掌子面难于自稳，很大的地压作用，掌子面难于自稳，TBM掘进是极为困掘进是极为困难的。

8、难的。（2）涌水状态）涌水状态 在涌水地段，在极端的情况下，机体会产生下沉在涌水地段，在极端的情况下，机体会产生下沉，TBM的优点会丧失殆尽。的优点会丧失殆尽。TBM施工技术2、影响、影响TBM效率的地质因素效率的地质因素影响影响TBM效率的因素主要有岩石强度、硬效率的因素主要有岩石强度、硬度及裂隙等。这些因素对度及裂隙等。这些因素对TBM切削岩石切削岩石的能力影响极大。的能力影响极大。（1）岩石强度）岩石强度（2）岩层的裂隙）岩层的裂隙（3）岩石硬度）岩石硬度TBM施工技术二、二、机械条件机械条件TBM不仅受到地质条件的约束，还受到开挖直不仅受到地质条件的约束，还受到开挖直径、开挖机构的约束

9、。径、开挖机构的约束。一般说在硬岩中，大直径的开挖是很困难的。一般说在硬岩中，大直径的开挖是很困难的。理由是：目前的理由是：目前的TBM大都是单轴回转式的，开大都是单轴回转式的，开挖直径越大，刀头的内周和外周的挖直径越大，刀头的内周和外周的周速差周速差越大，越大，对刀头产生种种不良影响。此外，随着开挖直对刀头产生种种不良影响。此外，随着开挖直径的增大，要增大推力，支撑靴也要增大。会径的增大，要增大推力，支撑靴也要增大。会出现运送上的困难和承载力问题。出现运送上的困难和承载力问题。此外，挖掘机械是采用压碎方式还是切削方式，此外，挖掘机械是采用压碎方式还是切削方式，对实际应用的适用范围也有差别。对

10、实际应用的适用范围也有差别。TBM施工技术三、三、开挖长度开挖长度TBM进入现场后，一般要经过运输、组装的过进入现场后，一般要经过运输、组装的过程。根据程。根据TBM的直径和形式、运输途径、组装的直径和形式、运输途径、组装基地的状况等，要准备基地的状况等，要准备12个月。其次，个月。其次，TBM的后续设备长的后续设备长100200m，为正规地进行掘进，为正规地进行掘进，也要先修筑一段长也要先修筑一段长200m左右的隧道。所以，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隧道长度短时，包括机械购置费在内的成本是很高的，是不经济的。很高的，是不经济的。当隧道长度在当隧道长度在1000

11、m以下时，固定费的成本急剧以下时，固定费的成本急剧增大，到增大，到3000m左右时，成本大致是一定的。左右时，成本大致是一定的。因此，如果单纯的看此图，因此，如果单纯的看此图，TBM适宜的长度最适宜的长度最好是好是3000m以上。以上。TBM施工技术四、四、工程所在地的设施工程所在地的设施在在TBM法中，因要进行机械的运输、组装法中，因要进行机械的运输、组装等，故要对隧道所处地点的状况，给以等，故要对隧道所处地点的状况，给以应有的注意。应有的注意。TBM的运搬计划，要考虑的运搬计划，要考虑道路的宽度、高度和重量的限制，根据道路的宽度、高度和重量的限制，根据组装的条件要充分调查运输时的分割方组装

12、的条件要充分调查运输时的分割方法（最小分割尺寸和重量）。法（最小分割尺寸和重量）。TBM施工技术 掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主掘进机在各类隧道开挖中的技术可行性、经济合理性主要取决于：要取决于：(1)工程规模：工程规模：如隧道形状、长度、直径、埋深、走向以如隧道形状、长度、直径、埋深、走向以及围岩条件等。及围岩条件等。(2)地质情况：地质情况：如岩石类型及强度，地质的节理分布及发如岩石类型及强度，地质的节理分布及发育程度，有无断层、暗河、溶洞，地下水的分布，隧育程度，有无断层、暗河、溶洞，地下水的分布，隧道正上方有无建筑物、河流等。道正上方有无建筑物、河流等。(3)作业场地

13、：作业场地：交通运输能力。由于掘进机的机械部件多、交通运输能力。由于掘进机的机械部件多、重量大、现场搬运、解体等工作需要起重设备等配合。重量大、现场搬运、解体等工作需要起重设备等配合。水电来源、进出洞口场地等。水电来源、进出洞口场地等。(4)施工进度要求：施工进度要求：由总控制工期的时间推算出平均月进由总控制工期的时间推算出平均月进尺指标。尺指标。(5)企业自身的实际能力：企业自身的实际能力：如制造维修能力、经济能力，如制造维修能力、经济能力，施工队伍的技术、管理水平以及传统的施工习惯等。施工队伍的技术、管理水平以及传统的施工习惯等。TBM施工技术在在TBM中，多采用喷混凝土、锚杆、钢支撑以及

14、木背板、中，多采用喷混凝土、锚杆、钢支撑以及木背板、钢背板等，有的还采用管片，也是基于地质条件进行钢背板等，有的还采用管片，也是基于地质条件进行设计的，但其设计方法和施工方法的问题还没有完全设计的，但其设计方法和施工方法的问题还没有完全解决，其理由是：解决，其理由是：n（1）掌子面被）掌子面被TBM机体所堵塞，很难基于掌子面直机体所堵塞，很难基于掌子面直接进行状况的判断；接进行状况的判断；n（2）拱顶下沉和净空位移等隧道动态量测，在开挖后）拱顶下沉和净空位移等隧道动态量测，在开挖后立即进行是困难的，因此，要采用量测以外的手段来立即进行是困难的，因此，要采用量测以外的手段来判断围岩的稳定性和支护

15、是否妥当；判断围岩的稳定性和支护是否妥当；n（3）施设支护的位置，要离开掌子面一定距离，支护）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；设置时间较迟；n（4）支护设置位置。因）支护设置位置。因TBM的形式各异；的形式各异；n（5）TBM的直径、用途是多种多样的，在同样的条的直径、用途是多种多样的，在同样的条件下的工程实例较少，因此，件下的工程实例较少，因此，TBM的支护要在积累实的支护要在积累实践经验的基础上逐步完善。践经验的基础上逐步完善。TBM施工技术隧道用途隧道用途支护特征支护特征隧道完成断面隧道完成断面 TBM TBM开挖断面开挖断面在公路隧道中有采用在公路隧道中有采用R

16、CRC管片作为永久管片作为永久衬砌的；在水工隧道中采用喷混凝土、衬砌的；在水工隧道中采用喷混凝土、锚杆、钢支撑等组合支护锚杆、钢支撑等组合支护TBMTBM导坑导坑爆破扩大爆破扩大事前要拆除管片支护事前要拆除管片支护TBMTBM扩大扩大使用可拆除和可切削的材料使用可拆除和可切削的材料隧道直径隧道直径2 25 m5 m多采用无支护钢支撑管片多采用无支护钢支撑管片5 m5 m多采用无支护、喷混凝土、锚杆、钢多采用无支护、喷混凝土、锚杆、钢支撑等组支撑等组合支护合支护TBMTBM形式形式敞开式敞开式不使用管片支护不使用管片支护盾构式盾构式围岩不良处，采用仰拱管片，全闭合围岩不良处，采用仰拱管片，全闭合

17、管片管片隧道坡度隧道坡度水平水平斜井斜井导坑时，可采用纤维喷浆等特殊配比导坑时，可采用纤维喷浆等特殊配比的材料的材料 支护形式的基本要素支护形式的基本要素 TBM施工技术二、二、支护设计支护设计 事前调查进行预设计，设定支护模式，并在掘进事前调查进行预设计，设定支护模式，并在掘进中根据对围岩状况的判断，修正支护形式。应特别注中根据对围岩状况的判断，修正支护形式。应特别注意以下几点。意以下几点。n（1）为确保高速掘进，应在尽可能短的时间内进行支）为确保高速掘进，应在尽可能短的时间内进行支护的施设，或能够与掘进平行施工；护的施设，或能够与掘进平行施工；n（2）TBM的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，

18、支护的洞壁是光滑的，松弛比爆破法小，支护可以采用轻型的；可以采用轻型的；n（3）支护的施工位置（与掌子面的距离）；）支护的施工位置（与掌子面的距离）；n（4）开挖后到构筑的时间较迟；）开挖后到构筑的时间较迟；n（5）是永久的或是暂时的；）是永久的或是暂时的；n（6）构筑支护时对）构筑支护时对TBM装置的影响；装置的影响；n（7）支撑靴挤压对洞壁的影响。）支撑靴挤压对洞壁的影响。TBM施工技术在在TBM法中，根据掌子面直接观察的事故预测，开挖前法中，根据掌子面直接观察的事故预测，开挖前的周边加固及开挖地点的直接加固等辅助工法，与其的周边加固及开挖地点的直接加固等辅助工法，与其他情况有些不同。所以

19、，对他情况有些不同。所以，对TBM法来说，辅助工法是法来说，辅助工法是指在通常情况以外的地质条件或施工时所采用的对策，指在通常情况以外的地质条件或施工时所采用的对策，称为辅助工法。称为辅助工法。n 一、一、采用辅助工法的地质条件采用辅助工法的地质条件n TBM法一般是在良好的地质条件下采用的。因此，法一般是在良好的地质条件下采用的。因此，需要采用多种辅助工法的围岩条件，应尽量避免使用需要采用多种辅助工法的围岩条件，应尽量避免使用TBM法。法。n 但是，采用但是，采用TBM法的隧道长度是较长的，复杂的法的隧道长度是较长的，复杂的地质条件常常是难以避免的，如通过几条断层破碎带地质条件常常是难以避免

20、的，如通过几条断层破碎带是一般的，因此，完全不采用辅助工法进行掘进的情是一般的，因此，完全不采用辅助工法进行掘进的情况是很少的。况是很少的。n 采用辅助工法的地质条件见表采用辅助工法的地质条件见表 TBM施工技术围岩条件围岩条件项目项目现象现象地形条件地形条件埋深小埋深小埋深大埋深大崩塌、偏压、地表下沉崩塌、偏压、地表下沉岩爆岩爆地质条件地质条件围岩强度围岩强度地热地热地下水地下水有害气体有害气体掉块、崩落、膨胀、流砂掉块、崩落、膨胀、流砂高温围岩高温围岩大量涌水、高压涌水、高温涌水大量涌水、高压涌水、高温涌水有毒瓦斯、缺氧空气、可燃性瓦有毒瓦斯、缺氧空气、可燃性瓦斯斯 需采用辅助工法的地质现

21、象需采用辅助工法的地质现象 TBM施工技术二、二、事故类型事故类型 在在TBM法中，事故的事前预测和对策是受限定法中，事故的事前预测和对策是受限定的，大多数是小型的事故，采用较轻的处理方法的，大多数是小型的事故，采用较轻的处理方法即可收效。即可收效。挖掘成为不可能的重大事故是：挖掘成为不可能的重大事故是：n 1、掌子面大规模崩落，埋没、掌子面大规模崩落，埋没TBM；n 2、洞壁挤出使机体卡住；、洞壁挤出使机体卡住；n 3、突发的大量涌水，淹没机体；、突发的大量涌水，淹没机体；n 4、掌子面挤出使机体后退、掌子面挤出使机体后退。不可能掘进的事故，要恢复，不仅需要时间和劳力，不可能掘进的事故，要恢复，不仅需要时间和劳力，而且危险。因此，事前采取对策是必要的。为此，而且危险。因此，事前采取对策是必要的。为此，预测其位置，规模和性质是非常重要的预测其位置，规模和性质是非常重要的。