移动支护保护下的隧道全断面机械化施工方法

1、移动支护保护下的隧道全断面机械化施工方法北京首尔工程技术有限公司汇报汇报内容内容（一）移动支护方法介绍（一）移动支护方法介绍（二）移动支护方法特点（二）移动支护方法特点（三）初步试验结果（三）初步试验结果（一）移动支护方法介绍（一）移动支护方法介绍41.1 1.1 方法提出方法提出 目前矿山法隧道施工方法仍然普遍，其存在的安全、质量、速度、造价和环境保护等诸多问题都是因为地下工程的特殊性造成的。同地面建筑工程相比，地下工程的最主要特点是其动力学特性。隧道开挖过程中围岩、地下水、刚形成的支护体系及地上环境因素等都在不断变化，使得问题异常复杂。 类似盾构等机械化的隧道施工方法，如果能在矿山法施工作

2、业面四周有个稳定且不扰动围岩的保护结构，隧道的开挖和支护将趋于简单且更安全。移动支护结构是一种在地下可移动的，能支撑一定长度开挖临空面的，且一直为隧道施工提供保护的地下滑动钢结构。（一）（一）移动移动支护方法介绍方法介绍设备示意图设备示意图61.2 1.2 移动支护结构移动支护结构 以掘进箱体和尾部连接的后护板为基本单元，各单元互扣互锁在隧道拱部或周围形成壳体保护。各单元和相邻单元用公母隼相互咬合，每个单元能单独向前掘进。 可以是全封闭的或半封闭的结构。半封闭的移动支护结构只保护隧道的上台阶或仰拱之上部分，全封闭的移动支护结构对隧道进行全环保护，全断面开挖。 结构内部由起固定作用的拱架及动力设

3、备组成，各单元通过拱架上的顶进设备分别向前掘进。在软弱地层一般地层（含粘性土、粉土、砂类土）中，掘进可以采用螺旋出土顶进的方式进行。对于较复杂的地层（如漂石地层），采用微型隧道等方式。71.31.3移动支护结构各部分的作用移动支护结构各部分的作用 掘进箱体相互咬合形成稳定的支撑结构，掘进箱体可深入掌子面前1倍洞径以上，若土层稳定性好，可与掌子面同步推进，对掌子面形成保护。隧道开挖完全在掘进箱体保护下进行。 后护板安装在掘进箱体后面搭在已有初支上，掘进箱体向前掘进时拖动后护板向前移动。后护板之间也相互咬合形成有一定承载力的支护结构。支护在后护板保护下进行。 内拱架对掘进箱体和后护板起到内支撑的作

4、用，同时为推进设备提供动力及滑移轨道。 螺旋推进及动力系统将移动支护结构向前推进。 当掌子面开挖出一定空间后，移动支护结构中的每个掘进箱体能在螺旋推进及动力系统的作用下单独向前推进，每次推进连同尾部的后护板只完成一个步距。所有箱体都完成一个步距后，在后护板下方就形成了一段可以进行初支的空间。采用人工或机械的方法在后护板的保护下进行初支施工。 这样掌子面土体开挖（人工或机械均可以）、移动支护结构掘进前移、后护板下方的初支施工这三个步骤成为一个循环。不断这样的循环并进行二衬施工，隧道便在移动支护结构的保护下成洞。1.41.4移动支护结构工作原理移动支护结构工作原理910（二）移动支护方法特点（二）

5、移动支护方法特点122.12.1围岩变形小围岩变形小 箱体推进时对围岩扰动微小。在软弱围岩中掘进箱体先行吃土，然后将土体用螺旋排出，可实现围岩不损失或小损失。 箱体咬合处及外侧可以采用先行注浆的方法在富水地层中实现隔水，对围岩实现超前加固并能实现周边隔水。 掌子面的土体开挖完全在移动支护的保护下进行。如果掘进箱体能深入土体足够长度，掌子面的挤出变形可以忽略。 初支在后护板的保护下进行。后护板的强度应满足上覆土体的压力。 对于沉降控制要求严的情况，对后护板移走后的间隙进行后补注浆。（二二）移动移动支护方法特点方法特点13矿山法隧道变形的三个阶段矿山法隧道变形的三个阶段 根据隧道纵向变形特点可把隧

6、道变形分为三个阶段： （1）掌子面前方的超前变形阶段，30-35% （2）掌子面附近及后方变形急剧增大阶段，50-60% （3）掌子面后方变形稳定阶段，15-20% 可以根据距离掌子面开挖位置的不同，将隧道划分为微小变形区、急剧增大区、缓慢变形区和稳定变形区四个区域。14 上面的图说明有了支护箱体的保护，超前核心土的挤出变形趋于零，预收敛变形趋于零。下面的图是软弱围岩中两种状况。152.2 2.2 经济性经济性 与矿山法相比，对于需要进行超前支护或加固的软弱围岩，移动支护方法是可重复的，相对造价低。 与盾构施工相比，移动支护方法只是将隧道周圈的土体螺旋排出，掌子面的土体用简单的机械开挖运出，费

7、用低。而且移动支护设备技术简单，设备成本低。 在城市的浅覆盖环境中，保护构建筑物和地下管线的改迁代价很大，移动支护方法因其扰动小，安全性高而节省相关费用。另外随着劳动力成本越来越高，机械化的施工方法是大趋势。162.3 2.3 适应性适应性 地质适应性：适应多种软弱地层。由于类似敞开式盾构，即使遇到特殊的地下情况，还可以较安全地挖出小导洞排除障碍。 环境适应性：可以在洞内、城市中较小的竖井中进行。可以零覆土进洞出洞。 断面适应性：机具为模块化，组合化，可以实现矩形、圆形、拱形等各种形状。甚至对于地铁车站等大断面地下空间，只要设计好钢支撑结构，考虑好各种应力条件，同样可以进行移动支护结构保护下的

8、开挖。 可在隧道内变断面转换。 可在280 （甚至更大）坡度、小半径（与盾构机比）隧道作业。172.4 2.4 可实现机械化施工可实现机械化施工移动支护方法的主要3个步骤都可以采用机械化：隧道开挖：用类似矿山开挖机械开挖、用扒渣机及皮带输送机出土。箱体掘进：需要完善箱体结构、不同围岩的掘进方式、监测方法等。隧道支护：可实现初期支护和衬砌装配化。1819隧道拼装试验（三）移动支护方法试验（三）移动支护方法试验213.13.1试验目的试验目的 检验移动支护隧道施工方法的可行性。移动支护方法在国内外 毕竟没有先例，虽然从原理上说移动支护钢结构同锁扣管幕有些类似，但开挖、掘进、支护交错进行，比管幕施工

9、复杂。 设备适应性。要确定移动支护动力设备的相关参数，如顶力、扭矩、行程、转速等。还要检验掘进箱体、出土系统、拱架及其歩履系统的实用性和可靠性。 后护板的可靠性和初支施工相关问题。采用钢格栅锚喷和波纹板拼装两种方法，测试可行性及工效。 通过地表沉降观测和洞内的断面量测判断箱体钢结构整体向前掘进时对围岩的影响及结构本身方向的改变。 纠偏和方向控制。（三三）移动移动支护方法试验方法试验223.2 3.2 试验场地及布置试验场地及布置场地安排在公司试验场进行。因场地限制不能采用深基坑，只能类似斜井按一定角度倾斜向下施工，倾角约-16%。试验开始只有3个箱体入土，前进10米后，在原地面上进行了人工堆土

10、，箱体才全部入土。233.33.3掘进箱体结构掘进箱体结构 移动支护结构由13个长*宽*高为8800*1000*350mm的掘进箱体组成，咬合结构采用了简单的钢管开槽加连接轴结构。13个掘进箱体在隧道拱部形成保护。 本次试验隧道长度只有30米，全部超浅埋。由于上覆荷载小，没有计划进行仰拱施工。243.43.4施工步骤：准备工作施工步骤：准备工作（1）场地准备（2）移动支护结构的拼装及施工设备的安装调试 掘进箱体是根据隧道外轮廓形状、通过咬合构件拼接而成的拱形结 构；每个箱体是根据隧道形状而特制的，且尾部向后延伸有后护板；施 工设备包括驱动箱体掘进设备、隧道掌子面开挖出土设备、预制件拼装 辅助设

11、备。（3）移动支护设备就位 移动支护结构就位包含箱体钢结构在掌子面就位及隧道循环施工就 位。隧道循环施工就位后进入隧道开挖-箱体掘进-预制件拼装或初支施 工的循环施工。拱架拼装拱架拼装出土试验出土试验27接上：施工步骤（循环施工）接上：施工步骤（循环施工） （4）在箱体钢结构的保护下进行隧道开挖。将步骤3中箱体钢结构内 部掌子面的土体开挖1-2米，每次开挖深度要小于箱体及护盾（板）长度。根据隧道围岩地质情况，合理保留部分掌子面核心土。 （5）箱体掘进。驱动单个箱体沿隧道轴向掘进，在掘进同时通过螺旋 钻具将土体排出，到达预定深度后进行下一箱体掘进，相邻箱体 通过咬合构件进行咬合，并互为滑动的轨道

12、。如此依次所有箱体 推入到预定深度；全部箱体推入土体后，相互咬合拼接的箱体和 后护板形成的箱体钢结构和后护板将承担土体的压力，起到隧道 临时支护作用。 （6）在箱体钢结构和后护板的保护下进行初支施工。在箱体钢结构和 后护板的保护下锚喷或拼装形成初支然后进行二衬施工。后护板后护板目前整体图目前整体图303.5 3.5 沉降观测及隧道量测沉降观测及隧道量测370037023704370637083710371237143716123456789支护机与隧道中轴线偏差情况直观图系列3系列1系列277087710771277147716771877207722772401234567隧道初支收敛直观图

13、A1-A2B1-B21247.512481248.512491249.512501250.51479.514801480.514811481.514821482.501234567拱顶沉降变形系列2系列1时间与初始采集的沉降监测点数值差（mm）点号12345678910111213141512.600000000000000012.701000010111010012.9-111-2-2-10-1001100112.12001-2-3-1-3-2-100000012.13010-2-3-1-2-20-10100112.14010-3-3-2-3-1-10-1000012.16000-3-3-1

14、-3-3-20-1100112.23-10-1-5-2-2-3-3-2-10100112.25-10-2-4-4-2-4-3-2-1-110-1112.290-1-2-5-4-2-4-3-2-1-1100112.300 -23-5-3-2-5-2-2-1-100-11313.6 3.6 试验初步结果试验初步结果（1）移动支护隧道施工方法是可行的。通过实验说明采用掘进箱体拼接 形成地下可移动的钢结构能为隧道的开挖及初支施工提供可靠的保 护。（2）移动支护隧道施工方法对围岩的扰动很小。在浅覆盖及下穿构建筑 物时能有效保护隧道施工对地面影响小。（3）在移动支护钢结构的保护下，隧道开挖和初支施工不仅安全而且能 够高效进行。（4）设备虽然存在较多问题，但实现了基本功能。下一步正式施工试验 需要对设备进行完善。323.7 3.7 设备需要改进的内容设备需要改进的内容（1）动力头要采用单轴对杆连接，将多轴的齿轮传动部分转到掘进箱体 上。虽然成本有所增加但可大幅提