双护盾TBM的地质适应性及相关计算

1、双护盾的地质适应性及相关计算摘要双护盾TBM具有两种掘进模式。掘进硬岩时采用双护盾模式，通过位于后护盾的侧向撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘和前护盾提供反力，掘进与安装管片能同时进行，施工速度快；当遇软弱围岩时则采用单护盾模式，不再使用侧向撑靴，依靠推进油缸支撑在管片上提供掘进反力。双护盾TBM的地质适应性强，既能适应硬岩，也能适应软岩，当采取相应措施时，能适应断层破碎带、高地应力、岩爆、岩熔等不良地质。本文论述了双护盾TBM的技术特点和地质适应范围，并分析了双护盾TBM施工的优缺点，同时对双护盾TBM选型时的相关计算进行了介绍。主题词双护盾地质适应性高地应力1双护盾TBM的技术特点TBM是隧道掘进机

2、TBM的英文缩写，根据支护形式分为开敞式、双护盾式、单护盾式等三种类型。开敞式TBM常用于硬岩施工；单护盾TBM常用于软岩及地下水位较高的不稳定地层施工；而双护盾TBM则既可用于硬岩，又可用于软岩，常用于混合地层施工，其地质适应性非常广泛，尤其能安全地穿过断层破碎地带。双护盾TBM,又称伸缩护盾式TBM,具有两种掘进模式。11双护盾掘进模式在围岩稳定性较好的地层中掘进时，位于后护盾的撑靴紧撑在洞壁上，为刀盘和前护盾提供反力，在主推进油缸的作用下，使TBM向前推进。此时TBM作业循环为：掘进与安装管片f撑靴收回换步f再支撑f再掘进与安装管片。双护盾掘进模式适用于稳定性较好的硬岩地层施工，在此模式

3、下，掘进与安装管片同时进行，施工速度快。12单护盾掘进模式单护盾掘进模式适应于不稳定及不良地质地段。在软弱围岩地层中掘进时，洞壁不能提供足够的支撑反力。这时，不再使用支撑靴与主推进系统，伸缩护盾处于收缩位置，双护盾TBM就相当于一台简单的盾构。刀盘的推力由辅助推进油缸支撑在管片上提供，TBM掘进与管片安装不能同步。作业循环为：掘进f辅助油缸回收f安装管片f再掘进。2双护盾TBM的地质适应范围双护盾TBM一般适应于中厚埋深、中高强度、稳定性基本良好地质的隧道，并能适应占一部分隧道里程的各种不良地质，对岩石强度变化有较好适应性，双护盾TBM能够在很大范围的地层内有效地切削单轴抗压强度5250MPa

4、的岩石。当在抗压强度小于3MPa的软岩中施工时，则采用单护盾掘进模式施工。双护盾TBM对地质条件适应性强，既能适应硬岩，也能适应软岩，当采取相应措施时，能适应断层破碎带、高地应力、岩爆、岩熔、高海拔、涌水、富水高水压、煤系瓦斯、松散岩类孔隙水、碎屑岩类裂隙孔隙水、基岩裂隙水及冻结层水等不良地质。一般情况下，在整条隧道地质情况都差的条件下使用单护盾式TBM；在良好地质中多用开敞式TBM；只要不良地质的比例在某种范围内，就不宜采用敞开式TBM。因此，双护盾TBM常用于复杂地层的长隧道开挖，且在岩石单轴抗压强度为30120MPa时可掘性较好。3双护盾TBM的优缺点分析31使用双护盾TBM的优点安全、

5、高效、快速双护盾TBM按照硬岩掘进机配上一个软岩盾构功能进行设计，配置有前后护盾，在前后护盾之间设计有伸缩盾，后护盾配置有一套支撑靴。在地质条件良好时，通过支撑靴支撑洞壁来提供推进反力，掘进和安装管片可同时进行，有较快的进度。如引大入秦工程30A隧道使用双护盾TBM施工时，最高月进尺达1300m；在引黄入晋工程使用双护盾TBM施工时，最高月进尺达1637m；在英吉利海峡隧道使用双护盾TBM施工时，最高月进尺达1487m。双护盾TBM施工使隧道掘进、衬砌、出碴、运输作业完全在护盾的保护下连续一次完成。TBM机组实质上是一个移动式地下作业车间，管片在盾尾内安装，盾构前进后，开挖的围岩使用高精度管片

6、衬砌而不被暴露，从而保持了隧道壁围岩稳定；豆砾石的喷灌、注浆、通风、供电等辅助作业也实施了平行作业，充分利用了洞内空间。双护盾TBM实现了安全、高效、快速施工。对不良地质地段具有较强的适应性对富水地段，采用红外探测为主、超前地质钻探为辅的综合超前地质预报方法进行涌水预报。对涌水可实施堵、排结合的防水技术，TBM主机区域配置潜水泵，将水抽至位于TBM后配套台车上的污水箱内，同时TBM配置有超前钻机，可以利用超前钻机钻孔，利用注浆设备进行超前地层加固堵水。对断层破碎带，双护盾TBM能采用单护盾模式掘进。同时可利用TSP203系统对断层破碎带进行超前地质预报，利用红外探水仪和TBM配置的超前钻机探水

7、。利用TBM配置的超前钻机和注浆设备对地层进行超前加固，同时刀盘面板预留注浆孔的设计能满足对掌子面加固的需要。对深埋隧道，因地质构造复杂，在深埋条件下，不可避免地会引起围岩应力的强烈集中和围岩的应力型破坏。双护盾TBM掘进时，因掌子面较圆顺，对岩体的损伤可以降低到很低的程度，保护了围岩的原始状态，不易发生应力集中。对岩爆地段，由于TBM刀盘设有喷水装置，在预测的地应力高、易发生岩爆地段，利用TBM配置的超前钻机钻孔，在钻孔中注水湿化岩石，喷水对掌子面岩石能起到软化的作用，提前将应力释放。同时，通过管片安装、豆砾石回填和水泥浆灌注，使TBM能快速支护并通过岩爆地段。对岩溶地段，先停机，然后通过机

8、头上的人孔对岩溶情况进行观察，首先对底部进行豆砾石或混凝土回填并使其密实，当填至开挖直径高程时，边前进边安装管片，对两边管片上开凿人孔对两侧及顶拱进行填筑灌浆或填筑混凝土，使岩溶部分都用混凝土填密实，并且和安装的管片结合成整体。为了预防因岩溶造成TMB机头下沉，双护盾TBM应配有超前钻探设备，而对于一些小溶洞的处理，可在TBM通过后，向管片与围岩间回填豆砾石后，再通过灌浆固结即可。对规模较大的溶洞，因管片接缝不易闭合，应采用钢板将安装的管片进行纵向连接。对膨胀岩及软岩塑性变形地段，由于双护盾TBM刀盘的偏心布置及刀盘设置的超挖刀，能增大TBM开挖直径，为TBM在围岩变形量小的情况下快速通过围岩

9、变形地段预留了变形量。在围岩变形量大时，可利用TBM配置的超前钻机和注浆设备加固地层。同时双护盾TBM的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM不易被变形的围岩卡住。对塌方地段，由于双护盾TBM采用了封闭式的刀盘设计，能有效地支撑掌子面，防止围岩发生大面积坍塌。TBM撑靴压力能根据地质条件调整，以免支撑力过大而破坏洞壁岩石。同时，双护盾TBM的高强度结构设计和足够的推力储备及扭矩储备能保证TBM不易被坍塌的围岩卡住。对瓦斯地层，双护盾TBM配置有地质预报仪和超前钻机，能根据需要对可能的瓦斯聚集煤层采用超前钻探检验其浓度，并对聚集的瓦斯采取打孔卸压的方法卸压并稀释。TBM配置有瓦斯监

10、测系统，监测器采集的数据与TBM数据采集系统相连，并输入PLC控制系统。当瓦斯浓度达到一级警报临界值时，瓦斯警报器发出警报；当瓦斯浓度达到二级警报临界值时，TBM自动停止工作，并启动防爆应急设备，通过通风机对瓦斯气体进行稀释。实现了工厂化作业双护盾TBM施工，由刀盘开挖地层，在护盾的保护下完成隧道掘进、出碴、管片拼装等作业而形成隧道，具有机械化程度高，施工工序连续的特点。隧道衬砌采用管片衬砌技术，管片采用工厂化预制生产，运到现场进行装配施工，预制钢筋混凝土具有质量好、精度高的特点，与传统的现浇混凝土隧道衬砌方法相比，施工进度快，施工周期短，无须支模、绑筋、浇筑、养护、拆模等工艺；避免了湿作业，

11、施工现场噪音小，减少了环境污染。由于采用了管片，避免了水土流失。隧道衬砌的装配式施工，不仅实现了隧道施工的工厂化，且更方便隧道运营后的更换与维修。自动化、信息化程度高双护盾TBM采用了计算机控制、遥控、传感器、激光导向、测量、超前地质探测、通讯技术，是集机、光、电、气、液、传感、信息技术于一体的隧道施工成套设备,具有自动化程度高、对周围地层影响小、有利于环境保护的优点。施工中用人少，且降低了劳动强度、降低了材料消耗。双护盾TBM具有施工数据采集功能，TBM姿态管理功能，施工数据管理功能，施工数据实时远传功能，实现信息化施工。32使用双护盾TBM的缺点（1）开挖中遇到不稳定或稳定性差的围岩时，会

12、发生局部围岩松动塌落，需采用超前钻探提前了解前方地层情况并采取预防措施。（2）在深埋软岩隧洞施工时，高地应力可能引起软岩塑性变形，易卡住护盾，施工前需准确勘探地质，并先行释放地应力，施工成本较高。（3）对深埋软岩隧洞，地应力较大，由于TBM掘进的表面比较光滑，因此地应力不容易释放，与钻爆法相比，更容易诱发岩爆。且双盾构TBM施工采用刚性管片支护，这与高应力条件下的支护原则是不相符的，相对于柔性支护来说，更容易受损。（4）在通过膨胀岩时，由于膨胀岩的膨胀、收缩、崩解、软化等一系列不良的工程特性，在进行管片的结构设计时，应充分考虑围岩膨胀力对管片可能施加的荷载，确保衬砌结构安全。应注意管片的止水防

13、渗，防止膨胀岩因含水量损失而发生崩解或软化而造成TBM下沉事故。（5）在断层破碎带，因松散岩层对TBM护盾的压力较大，易发生卡机事故；在岩溶地段，易发生TBM机头下沉事故；施工中应采取相应对策。（6）在隧道中有突泥、涌水、岩溶时，应慎重选择TBM。岩溶及突水突泥在灰岩地区十分突出，我国天生桥二级引水洞曾因隧洞岩溶突水突泥影响工期达2年之久。（7）由于隧道管片接缝多，在不良地质洞段其不漏水性和运行安全性，还是个较薄弱的环节。（8）由于护盾将围岩隔绝，只能从护盾侧面的观察窗了解围岩情况，不能系统地进行施工地质描述，也难以进行收敛变形量测。（9）双护盾TBM掘进时产生岩粉，易沉积在隧道底部120悍段

14、冢已曳郾恢骰灾匮沟檬置苁担喙嘟岩怨嗳胙曳鄄悖仔纬汕慷鹊陀诠嘟蠖估愕囊桓鋈醪恪（10）双护盾TBM属岩石隧道掘进机，不适宜在软土地层施工。在软土中掘进时，土体粘结在刀具上，不能顺利从出碴漏斗排出。4相关计算对高地应力软岩塑性变形及易塌方地段，为防止双护盾TBM被卡住，双护盾TBM除了高强度的结构设计外，还应具有足够的推力储备及扭矩储备。为防止TBM整机转动，支撑系统应具有足够的支撑力。对双护盾TBM进行相关计算，是双护盾TBM选型的依据，也是TBM在不良地质地段顺利掘进的重要保证。4.1推进系统推力计算主推进系统推力仃采用双护盾掘进模式时，双护盾TBM的推力计算如下：F=kxFxN1N式中：NT

15、BM配置的滚刀数量；Fn滚刀额定承载能力，单刃滚刀为250kN,双刃滚刀为500kN；k储备系数，考虑高地应力可能引起的软岩塑性变形对施工的影响，一般预留50%的能力储备，因此储备系数k=1.5。辅助推进系统推力F2在围岩较破碎地段，TBM采用单护盾模式掘进，TBM的推力包括以下几项：刀盘推力FtF=FxNtN式中：NTBM配置的滚刀数量；Fn滚刀额定承载能力。主机与地层的摩擦阻力FfFf=xWxg式中：W双护盾TBM主机重量；一护盾与地层的摩擦系数，一般=0.Z0.3。后配套设备的牵引力F,NLTBM采用单护盾模式掘进时，后配套随TBM主机一起前移，牵引后配套的力按以下经验公式进行计算。Fn

16、l=bXWbXg式中：.后配套与钢轨的摩擦系数；W后配套的重量。bb盾尾密封与管片之间的摩擦力FsFs=sXWsXg式中：盾尾内表面与管片外表面的摩擦系数;W作用于盾尾部分的重量(计ss算时，取2环管片的重量)辅助推进系统所需推力：F2=kx(Ft+Ff+FNL+Fs)式中：k储备系数。考虑工程高地应力可能引起的软岩塑性变形对施工的影响,一般预留50%的能力储备，因此储备系数k=1.5。42推进系统功率计算主推进系统功率WW=FXV111式中：仃一主推进系统总推力；主推进系统最大掘进速度辅助推进系统W2W=FxV222式中：f2辅助推进系统总推力；v2辅助推进系统最大掘进速度43刀盘扭矩计算根

17、据经验公式，刀盘扭矩按下式计算：T=D式中：扭矩系数，一般=-560；D刀盘直径。44刀盘驱动功率计算W=Tx刀盘的角速度；传动效率。式中：T刀盘扭矩;45支撑靴的支撑力计算双护盾模式掘进时，依靠支撑靴与洞壁的摩擦力提供反力。支撑靴的支撑力:F=Fi式中：F1主推进系统推力；支撑靴与洞壁的摩擦系数。全断面岩石掘进机(TBM)是靠旋转的刀盘带动盘形滚刀，利用盘形滚刀的旋转挤压作用破岩的。TBM掘进系统主要由刀盘、刀盘驱动系统和推进系统等组成，刀盘总推进力的大小决定了TBM的掘进效率，是TBM最重要的参数之一。TBM刀盘的总推进力不仅与盘形滚刀的几何形状、尺寸、滚刀轴承、主轴承、刀盘转速等因素有关

18、，而且受切深、地质条件等因素影响。TBM在硬岩中掘进时，刀盘转速较快，但所要求的驱动转矩较小，总推进力较大；TBM在较软或破碎的围岩中掘进时，需要的总推进力较小。合理地确定TBM刀盘的总推进力，既可保证TBM有较高的掘进效率，又能满足TBM在各种不同地质条件下的掘进性能，同时可以优化TBM的结构和总装机功率，对TBM的设计和使用都是十分重要的，目前国内外的资料和文献对此介绍不多1按盘形滚刀载荷进行计算由滚刀破岩原理可知，刀盘的推力用来压碎刀前岩石，并使滚刀产生侧向剪力。因此，每把盘形滚刀所需要的推压力包括压碎刀前岩石所需要的推压力和产生侧向剪力所需要的推压力两部分。压碎刀前岩石所需要的推压力在

19、图1所示的极限状况下，两把盘形滚刀正好全部压碎刀前岩石，图1相邻槽道滚刀破岩极限状况所需要的推压力为F1=ObAc=Obr2tan0(u-sinucosu)=208.3kN式中Ob岩石的单轴抗压强度Ac滚刀压入岩石处的接触面积，mm2Ac=r2tan0(u-sinucosu)U=arccos(r-Pe)/r=23.5r盘形滚刀的半径Pe盘形滚刀切入工作面的深度0盘形滚刀的刀尖角，一般为30(或40)产生侧向剪力所需要的推压力式中S盘形滚刀相邻切槽距离，S=D/z,D=8000mm,z=54fs盘形滚刀对岩石的侧向剪力，代入计算求出fs=86.5kN此侧向剪力是刀刃通过破碎区作用到岩石上的，产生

20、fs所需要的推压力为F2=2tru(S-2Petan0)cot0=2fscot0式中T岩石的抗剪切强度，一般为岩石单轴抗压强度Ob的1/101/20,MPaF2所需推压力每把盘形滚刀所需要的推压力每把盘形滚刀所需的推力为以上两部分之和，即Pi=F1+F2=Obr2tan0(u-sinucosu)+2Tru(S-2Petan0)cot0心(4/3)Ob+2T(S/Pe-2tan0)(2r)1/2Pe3/2tan01.4刀盘总推进力的计算当所要求的压入深度Pe(大于1/2刃高)一定时，即可以求出每把盘形滚刀所需要的推压力，然后根据盘形滚刀的数量，求出刀盘所需要的总推力1ziiPP=工式中P刀盘所需要的总推力，Nz盘形滚刀的数量将z=54代入式中得P=27426.6kN。需要指出的是，为达到最佳破岩效果所需要的最佳切槽间距，会因滚刀磨损和岩石硬度变化而变化，这时可通过调整推力来改变最佳切槽间距，使之与滚刀间距相适应，以保持最佳的掘进条件。计算出刀盘总推进力P后，再根据刀盘上中心刀、正刀、