地下工程课件(初稿)第二章

1第二章

地下工程掘进技术

§2.1概述

§2.2掘进机掘进技术§2.3开挖方案及其选择

§2.4新奥法理论与实践2§2.1概述地下工程不仅在设计理论和方法方面不同于地面建筑，在施工设备和技术等方面和地面建筑也有较大差异。地下工程的掘进技术包含在两个方面：一是地下结构的开挖；二是支护结构的施工技术，因此，掘进、排碴和支护(包括临时支护和永久支护)工作是地下工程施工的基本操作。由于地下工程中岩体和土体复杂多变，其性质难以确定，因此，地下工程在施工中，必须充分考虑工程的特点，才能在保证施工安全的条件下，快捷、优质、低价地完成施工任务。一、地下工程施工特点3§2.1概述以隧道为例，地下工程施工特点可归纳为以下几点：1隧道工程属地下隐蔽工程，因此工程地质和水文地质条件对施工的成败起着重要的、甚至是决定性的作用。2隧道工程是一个线形地下结构物，一般情况下仅有一个掘进工作面，相对其它地面交通工程来讲，隧道的施工速度比较慢，工期也比较长，一些长大隧道往往成为控制新建交通线路竣工的关键工程。3地下作业环境较差，如阴暗、潮湿、地下水、粉尘、有害气体、噪音等。4隧道大多穿越崇山峻岭，施工工地一般都位于偏远的深山峡谷之中，往往远离既有的交通线，材料、设备运输不便，洞外场地布置困难，这些也是隧道工程规划设计应当考虑的主要问题之一。5隧道是地下工程的一种，一旦建成就难以修改。6隧道施工不受或少受地面环境的影响，如昼夜更替、季节变换、气候变化等，可以竟日终年、稳定地安排施工。4§2.1概述影响施工方法选择的因素很多，选择施工方法时，应着重考虑以下因素：1工程的重要性。2地下工程所处的工程地质和水文地质条件。3工程投资与投入使用后的社会效益和经济效益；4周边建筑的位置、基础埋深及特殊要求等；5施工条件(人员素质、施工习惯及施工机械装备条件)、动力及原材料供应情况；6有关污染、地面沉降等环境方面的要求和限制；7施工安全状况。二、地下工程施工方法5§2.1概述地下工程施工中常用的施工方法：新奥法：全断面、分部开挖、台阶法明挖法：敞口放坡法、护壁直槽法盖挖逆筑法：桩梁支撑盖挖法、地下连续墙盖挖法浅埋暗挖法：盾构法、顶进法、管棚法水域区施工法：围堰法、沉埋法、沉箱(沉井)法特殊施工法：.钻井法、隧道掘进机法6§2.2掘进机掘进技术掘进机法是利用岩石隧道掘进机在岩石地层挖掘隧道的一种施工方法。隧道掘进机是一种集掘进、出渣、支护和通风、防尘等多功能为一体的高效隧道施工机械。全断面隧道掘进机简称掘进机（TBM）。它是利用回转刀盘又借助推进装置的作用力从而使得刀盘上的滚刀切割（或破碎）岩面以达到破岩开挖隧道（洞）的目的。作为构造来讲，掘进机是由切削破碎装置、行走推进装置、出渣运输装置、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。

7§2.2掘进机掘进技术一、掘进机类型最常用的分类方法是根据使用目的、工程地点、开挖对象、围岩、施工方法等对隧道掘进机进行分类1.按切削方式分类当前世界上的使用的隧道掘进机，可大致分为全断面切削方式和部分断面切削方式2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，全断面切削开挖的断面一般是圆形的。8§2.2掘进机掘进技术2.按开挖地层分类（1）土质隧道掘进机。1）根据开挖面上的挖掘方式，可以分为人工挖掘（手掘）式、半机械挖掘式和机械挖掘式；2）根据切削面上的挡土方式，可以分为开放型方式和封闭型方式（土体能自稳时采用开放型方式、土体松软而不能自稳时则用封闭型方式）；3）根据开挖面施加压力的方式，可分为气压方式、泥水加压方式、削土加压方式和加泥方式。（2）岩石隧道掘进机。掘进机生产的机器构造形式多种多样，从世界范围内使用的掘进机来看，是根据制造商生产的掘进机在各自范围自行分类。9§2.2掘进机掘进技术3.按结构形式分类根据掘进机的结构形式，可将其分为开敞式掘进机、单护盾式掘进机、双护盾式掘进机。(1)开敞式掘进机是一种利用支撑机构撑紧洞壁，以承受向前推进的反作用力和扭矩的全断面岩石掘进机，适用于岩石不易坍塌和地层比较稳定的软硬岩隧道。开敞式掘进机掘进隧道的最终支护方式是模筑混凝土或钢纤维喷射混凝土。10§2.2掘进机掘进技术(2)单护盾式掘进机

单护盾式掘进机配置有完整的圆形护盾，推进则依靠推进缸支撑在安装好的管片获得支反力。单护盾式掘进机由于掘进和安装管片不能同时进行，进度较慢。单护盾式掘进机适用于中等长度隧道。与开敞式掘进机相比，单护盾掘进机最终衬砌方式为管片。11§2.2掘进机掘进技术(3)双护盾式掘进机双护盾式掘进机配置有前后护盾，在前后护盾之间有伸缩护盾，后护盾配置有一套支撑靴。在地质条件良好时，双护盾式掘进机和安装管片可同时进行，有较快的进度。在地质条件较差时，双护盾式掘进机采用单护盾模式推进。与开敞式掘进机相比，双护盾式掘进机必须采用管片，由于管片造价比模筑混凝土衬砌高，导致工程造价增加。双护盾盾体d≥1~3m，调方向困难，常因不能及时支护而被卡死，发生塌方；管片不能承受过高水压力,对岩层多变、水压过大、埋深变化的山岭隧道不宜采用管片衬砌；机型造价高，管片衬砌费用又高于复合式衬砌2倍以上，寿命也不能保证百年。工程实践证明，隧道施工不宜采用单护盾、双护盾掘进机。12§2.2掘进机掘进技术以秦岭隧道使用的德国WIRTH维尔特公司制造的直径8.8m的TB880E型掘进机为例，介绍开敞式掘进机的结构。TB880E型掘进机是我国铁路隧道施工中首次成功应用的大型成套设备，该机主要适用于硬岩隧道掘进施工，对局部断层地带也具有一定的通过能力。该机主要有主机、后配套系统及附属设备三大部分组成。1.主机TB880E主要由以下部分组成:刀盘部件、刀盘护盾、刀盘轴承及刀盘回转机构、刀盘密封、机架、“X”，支撑及推进系统、前、后下支承、出碴设备、激光导向系统、除尘装置、支护设备和司机室等组成。二、掘进机基本构造13§2.2掘进机掘进技术

(1)总体构造采用内外凯氏(Ke场)方机架为该机的一个特色。前后外凯氏方机架上装有前后“X”,形支撑靴,内凯氏方机架前端与刀盘支承壳体连接,后面装后下支承。刀盘与回转机构由可浮动的前下支承、可调的顶部支承、两侧的防尘盾包围并支承着。刀盘回转机构置于前后“X”,支撑靴之间,为锚杆钻机与紧跟在刀盘护盾后面的圈梁安装器提供尽量大的空间。联结于内凯氏机架的推进液压缸置于后部,也是为了保持前部尽可能大的空间。大直径开敞式TBM则有前后推进液压缸的设置。刀盘上装有盘形滚刀、若干切刀与铲斗,可将被破碎的岩碴送到置于内凯氏方机架中的带式输送机上。14§2.2掘进机掘进技术(2)刀盘部件由刀盘、铲斗、刀具等组成的刀盘为焊接的钢结构件,分成两块便于运输,也便于在隧道内吊运,装配时用螺栓拼成一体。滚刀为后装式,向后面凹的滚刀座则是刀盘的组成部分。滚刀(或切刀)突出于刀盘面的距离宜小,也就是刀盘面与掌子面间的距离宜小,以防止遇到断层破碎地带时,将刀盘挤死。刮碴器与铲斗沿刀盘周边布置,用以将底部的石碴运送到顶部,再沿石碴槽送到输送带上面的石碴漏斗。铲斗的口与刮碴器向刀盘中心延伸一定距离,使得大量的石碴在落到底部之前,就已进人刀盘里面。15§2.2掘进机掘进技术(3)刀盘护盾护盾提供了一套保护顶蓬以利于安装圈梁。它防止大块岩石堵住刀盘,并在掘进或者在掘进终了换步时,支持掘进机的前部。刀盘护盾由液压预加载仰拱即前下支承与三个可扩张的拱形架组成。三个可扩张的拱形架均可用螺栓安装格栅式护盾,以便在护盾托住顶部时,可安装锚杆。（4）主轴承与刀盘回转机构主轴承为一两重式轴向、径向滚柱的组合体,轴向预加荷载,内圈旋转。小齿轮通过联轴节与驱动轴相联,接到带有液压操作摩擦离合器的水冷式行星减速箱与水冷式双速电动机。减速箱与电动机置于两凯氏外机架之间。另设有液压驱动的辅助驱动装置(微动装置),用以使刀盘可转至某一定位置,以便更换滚刀及进行其他维修保养作业。16§2.2掘进机掘进技术(5)刀盘密封主轴承与末级传动由三唇式密封保护,此密封又用迷宫式密封保护,后者经常不断地由自动润滑脂系统清洗净化。(6)机架凯氏方形内机架既作为刀盘进退之导向,也将掘进机作业时的推进力与力矩传递给凯氏方形外机架。内机架的后端装有后下支承,前端与刀盘支承壳体连接,亦为上部锚杆孔设备提供支座。凯氏方形外机架连同“X”,形支撑靴可沿凯氏方形内机架作纵向滑动。16个由液压操作的支撑靴将外机架牢牢固定在挖好的隧道内壁,以承受刀盘传来的反扭矩与掘进机推进力的反力。17§2.2掘进机掘进技术(7)“X”支撑及推进系统作用在刀盘的推力的反力,经由凯氏内机架、外机架传到围岩。因凯氏外机架分为前后两个独立的部件,各有其独立的推进液压缸。后凯氏外机架的推进液压缸将力传到凯氏内机架,而前凯氏外机架则将推进力直接传到刀盘支承壳体上。掘进循环终了,凯氏内机架的后部支承伸出至隧道仰拱部上(以承重),支撑靴板回缩,推进液压缸使凯氏外机架向前移动以使循环重复。18§2.2掘进机掘进技术(8)后下支承后下支承位于后凯氏外机架的后面,装在凯氏内机架上。后下支承由液压缸使之伸缩,还可用液压缸作横向调整。一旦支撑靴板缩回,凯氏内机架的位置可作水平方向与垂直方向的调节,用以决定下一个掘进循环的方向,保持TBM在要求的隧道中线上。19§2.2掘进机掘进技术(9)除尘装置采用洞外压入式通风方式,在洞口外约25m左右装有串联轴流式风机,软风筒悬挂在洞顶。吸尘器置于后配套的前部,吸人管接到TBM凯氏内机架与刀盘护盾。吸尘器在刀盘室内形成负压,以使供至TBM前的新鲜空气的40%进人刀盘室,并防止含有粉尘的空气进人隧道。一旦空气进人吸尘系统,吸尘器的轴流式风扇将驱使含尘空气穿过喷水空间后通过汇流叶片再穿过吸尘器。大量尘埃被分离出来而流向集尘箱,集尘箱配有再循环水泵。集尘器的排气管端对着隧道通风系统的管道,通过一增压通风机使吸尘器排出的空气随隧道内的废气又回到作业面。20§2.2掘进机掘进技术(10)激光导向系统在TBM上安装ZED260印导向系统,设两个靶子与一套激光设备。前靶装在刀盘切削头护盾的后面,由一台工业用VT照像机监测,它将TBM相对于激光束的位置传送到司机室内的屏幕上。另有一套装置用来测量TBM的转向与高低起伏,并将数据传送至司机室。司机室内可在TBM再设置时,对TBM的支承系统作必要的纠正。21§2.2掘进机掘进技术2.后配套系统后配套系统设计为双线,掘进机全部供应设备与装运系统均置于其上。石碴由列车运出。后配套由若干个平架车和一个过桥组成,过桥用于将平架车与TBM联接,平架车摆放在仰拱上的轨道上面,过桥下面。TBM前进时,在TBM的后面拉着过桥与平架车前移。后配套的过桥与某些部分,分别装着TBM的液压动力组件、配电盘、变压器、主断电开关、电缆槽、电缆卷筒、集尘器、通风集尘管、操纵台与输送带,也为喷射混凝土装置、注浆装置与灰浆泵提供了空间。22§2.2掘进机掘进技术(1)皮带桥大约为12m皮带桥直接置于TBM后面,它向上搭桥以加大下面的作业空间,为的是便于铺设仰拱砌块与隧道钢轨。此皮带桥铰接于TBM后部,支承在第一个平架车上。此外,它也是携带喷射混凝土的作业平车。再在其后是同时供通风用的两个空箱形架子,形成平架车,联接起来并将拉力向后传递,液压驱动的中间输送带则置于其上。(2)平架车与装运设备平架车是门架式拖车的下层,是斗车、载人车与牵引机车运行之处,其上层则为供应设备放置之处。有一单轨梁用来吊放仰拱砌块,然后再吊放钢轨。装载舱(即平架车下层)为双线系统,设计可容两列车。每一列车由8个石碴车、2台搅拌车和3台材料车组成,这一套列车的设计容量与TBM换步行程1.8m相适应。23§2.2掘进机掘进技术(3)液压系统除了刀盘之外,TBM全机与辅助装置均为液压驱动,液压动力站置于后配套平架车上。(4)电力安装设置于后配套系统之上的有:主配电盘,电动机和辅助装置用断流器与电磁启动器,带主断路器的变压器,纠正功率因素的无功电流补偿器,可控电流变压器,应急发电机。照明系统设有很多强力照明灯,以便管理TBM进行围岩支护作业和铺设钢轨。24§2.2掘进机掘进技术3.附属设备(1)TBM通讯联络系统此系统使TBM操作人员可与三处连络,一是直接到刀盘切削头后面,二是到钢轨安装与材料卸载处,三是到后配套末尾石碴换装处。(2)灭火系统在后配套系统上,为液压设备与电力动力设备提供一套人工操作的干式灭火系统,此外,在TBM与后配套上还放置若干手提式灭火器。(3)数据读取系统此系统将监测与记录下列数据:时间与日期;掘进距离;推进速度;每一步的行程长度与延续时间;驱动电动机的电流数;接人的驱动马达数;推进液压缸油压;支撑液压缸油压。TBM操作人员也要将换刀时间、停机时间填表记录。25§2.2掘进机掘进技术（4）甲烷监测器本机提供一套带三个传感器的探测甲烷的监测装置。当甲烷气浓度超过临界值,此装置报警或关机。三个传感器,一个装在TBM刀盘切削头后面,两个装在吸尘管内。（5）通风管隧道通风系统的终端,为后配套设备末尾处的通风管,根据耗风量设计后配套的通风系统,采用钢管连接。钢管用一液压缸操作臂从材料车提起,装到一液压操作的夹钳中。后配套中还提供有作业平车,用来接风管并将其吊到隧道拱部预设的吊钩上。此通风管安装器是为直径48约1.22m、长约9m的风管而设计的。26§2.2掘进机掘进技术1.TBM施工工艺TBM施工技术是集成机械原理、电子学原理、机器人原理和土工学原理的一套系统化设备的施工工厂，其施工原理及技术是建立在主机监控系统（PLC）、超前地质预报系统、超前处理系统、主机掘进系统、后配套系统、环保系统、运输系统、永久支护系统及洞外保障系统等各系统的综合作用的运用。TBM施工工艺主要围绕TBM掘进、出渣及初期支护三个关键施工工序的基础上来进行的，三、掘进机施工工艺过程28§2.2掘进机掘进技术（1）掘进机施工的局限性1)掘进机的经济性问题。由于掘进机结构复杂，对零部件的耐久性要求较高，因而制造的价格较高，前期一次性投资成本费用较高，工程建设投资高。2)设计制造周期长。根据目前市场情况，采购周期一般需要12~15个月，主要是关键部件，如主轴承、大排量液压泵，目前只有少数生产厂商生产。3)掘进机针对性强，对多变的地质条件（如断层、破碎带、溶洞、挤压带、涌水及坚硬岩石等）的适应性较差。不同地质条件需要不同种类的掘进机及相应的配置，因此其适应性没有钻爆法灵活。4)开挖断面只限于圆形，每台掘进机只能用于一种开挖断面。5)要求施工人员的技术水平和管理水平高,施工短隧道时不能发挥其优越性。29§2.2掘进机掘进技术

（2）掘进机的使用范围采用掘进机施工时，应明确地质条件及必要预处理措施。隧道长度6~7km以上，围岩的单轴抗压强度在50~200MPa之间。从机械条件看适用范围，合理选型及完善后配套系统。对作业场地和运输方案有特殊要求。企业自身的实际能力。30§2.2掘进机掘进技术2.TBM施工方法(1)导向控制TBM掘进方向的控制极为重要，方向控制不当，造成盘型滚刀受力不均，致使刀具提前损坏，增加换刀的次数和配件成本，影响施工进度，另一方面，会使得隧道出现超、欠挖过大，增加后期工程的工作量，影响工程质量。因此，在隧道施工中应严格控制掘进方向，将偏差控制在允许范围内。TBM导向控制原则包括以下内容：1)确定合理的方向参数；2)控制掘进轴线与设计中心线的偏差；3)确保做到掘进前准确定位，掘进中严格操作，掘进后适时调整。31§2.2掘进机掘进技术（2）TBM掘进施工顺序流程TBM掘进施工工序流程见图。32§2.2掘进机掘进技术(3)掘进施工1)刀盘后部的侧向撑靴向洞壁撑起并稳固在洞壁岩面上，同时用楔块油缸将侧支撑的位置牢牢锁定，并将推进反作用力传给洞壁，掘进的水平方向锁定，同时调整前支撑，将掘进的垂直方向（即坡度）锁定；2)水平撑靴定位以后，推进推力油缸并转动刀盘开始掘进。掘进时，刀盘上的每一个滚刀可产生最大250kN的推进力，使强度为100MPa的掌子面围岩产生破裂，并形成直径10cm左右的碎块；3)根据TBM设备的扭矩～转速曲线的基本性能，在不良地质条件下采用转速为0～4.21rpm、扭矩为6805kNm的参数切割软岩，在围岩条件较好、强度较高的硬岩采用4.21～6.32rpm的转速、4533kNm的扭矩高速切割硬岩，若出现刀盘卡住则采用10616kNm的脱困扭矩或采用刀盘逆转的方式处理，施工过程中根据不同的围岩条件调整合适的参数33§2.2掘进机掘进技术4)刀盘的推力由推进油缸提供，推进的反作用力被传递到水平支撑靴板上，水平支撑靴板由水平支撑油缸紧紧的撑到洞壁，直接将推进油缸的推力传递到洞壁，刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，由此产生的反扭矩由机头架、大梁及滑块、鞍架和斜缸通过水平支撑板传递到洞壁；5)钻进的工作行程结束，初步支护工作完成后，撑靴将收回，这时，TBM的重量将由后面的后支撑支撑。TBM及其后配套系统通过收缩牵引油缸，撑靴重新支撑洞壁来向前移动到新的掘进位置。当推进行程结束时，水平支撑油缸缩进，此时TBM的操作手要调整好TBM的轴线方向，通过激光方向锁定系统来操纵推力油缸控制方向，由此开始一个新的推进行程。34§2.2掘进机掘进技术(4)刀具更换TBM在掘进过程中，由于刀具对岩石的不断切削，会造成刀具磨损严重，进而影响施工进度与质量，为此需要对刀具进行及时的调整和更换。又因TBM刀盘直径大，刀具数量多，在进行调整和更换时，需结合刀盘的结构形式采用一定的方式进行，主要程序和调整、更换的方法如下：35§2.2掘进机掘进技术1)中心滚刀的拆卸a.将刀盘旋转到使滚刀中心处于水平的位置；b.安装工具架调整好后，拆下夹紧件，将安装工具与喷嘴头联接上，然后将喷嘴头拆下；c.更换内侧滚刀时，须从一侧先拆下外侧滚刀，然后将安装小车移动到滚刀位置并用螺栓将其固定；d.将安装小车推入到里面的空间，使用转动工具将滚刀扭转90°；e.将安装小车与滚刀一起往后拔出，同时，把滚刀挂到小吊机上，然后穿过内机架运到TBM后部；f.清洁滚刀的安装面，检查有无损坏，视情况更换衬垫。36§2.2掘进机掘进技术2)中心滚刀的安装，其操作顺序与拆卸时相反。3)面刀和边刀的拆卸a.将大刀盘转到待更换的滚刀底部位置；b.借助小吊机将导轨放入滚刀的安装座里，并分别将绳索滑轮支架和导轨固定住；c.将安装小车通过牵引绳索并绕过滑轮固定到小吊机上；d.移动安装小车，并通过紧定装置将其固定在滚刀位置上；e.使用转动工具将滚刀在安装小车里转90°，借助小吊机将滚刀拔离滚刀安装座；f.用绳索圈将滚刀栓住，借助小吊机将滚刀与安装小车一起吊进主轴承内，然后放于一旁；g.将安装小车拆下，滚刀被向后拉，通过内机架的腔道拔出；h.清洁滚刀的安装面，同时检查衬垫有无损坏，必要时成套更换。4）面刀和边刀的安装，其次序与拆卸时相反。

37§2.2掘进机掘进技术（5）粉尘控制掘进过程中，随着岩石的不断切削破碎，将产生大量的粉尘污染物，影响施工环境，并容易造成设备润滑系统、液压系统产生故障，为此，需要采取措施及时处理。1）在TBM刀盘后面设有一防尘钢护盾，作业面上产生的粉尘，在刀盘区域内分离出来，从卸渣区域吸出，经主大梁内一密封系统，然后再经吸管，吸到一安装在后配套上的除尘器，及时进行清理。2）刀盘前方的喷嘴座上装有喷水嘴，通过喷射水雾对产生的粉尘进行控制。水雾基本上防止了切削产生的粉尘粒子不再扩散，并且根据地层条件的要求，对作业面上的喷射水量可以进行调节，最大限度降低粉尘悬浮率38§2.2掘进机掘进技术（6）注意事项1）支撑与洞壁一定要完全接触，由于刀盘的稳定对于滚刀的连续作业轨迹十分关键（消除余震和位移），一个稳定的刀盘和一致的、重复的刀具轨迹，可以提高TBM的进尺和延长刀具及大轴承的寿命，因此，支撑的稳固情况就显得尤为重要。

2）在TBM刀盘前方的喷嘴座上装有喷水嘴，正常施工掘进时，通过喷射水雾来降低刀具的温度，并抑制粉尘的扩散，因此要经常、及时地对喷嘴进行检查，防止因水质不净而堵塞，从而影响施工环境和降低刀具的使用寿命。

3）在通过软岩、断层和破碎带时，需尽可能加大支撑靴板与洞壁的接触面积，使支撑靴板在保证足够的支撑力时，对于洞壁的比压足够小，这样可以避免支撑靴板在不良地质条件下陷入洞壁，保证TBM的连续掘进，进而减小机体的震动，保证施工安全、控制掘进速度。39§2.2掘进机掘进技术4）因TBM掘进时，抑制粉尘扩散和冷却刀具均需要消耗大量的水，并且在掘进过程中还可能遇到洞壁涌水，这些积水过多时会将刀座淹没，此时需根据水位传感器收集的信号及时启动机头架后面的潜水泵快速排水，以保证TBM的连续掘进不受影响。5）在每天预留的检修时间内，需对刀盘、支撑系统等重要部位的螺栓、连接装置及液压推进系统的供油管路等进行检查，将事故隐患消灭在萌芽状态。6）检修期间内，需对刀盘刀具的数量及磨损情况进行认真检查，合理安排刀具的更换。40§2.2掘进机掘进技术7）注意掘进方向的控制与调整：对于水平方向的调整，主要是活塞腔和活塞杆都充满压力油的水平支撑油缸在缸筒内的单方向移动，因缸筒与滑块是以十字销轴方式连接在一起的，为此滑块和大梁也随着水平支撑缸筒移动，从而实现水平方向上的调整，防止超挖和欠挖情况的发生。对于垂直方向的调整是使用安装在鞍架和大梁之间的斜缸，当斜缸伸长时，大梁相对于水平支撑油缸升高，TBM机器向下掘进；相反，当斜缸缩进时，大梁相对于水平支撑油缸下降，TBM则向上掘进。因此，要控制好前进轴线方向，避免偏斜。8）掘进过程中，要密切注意数据采集系统提供的信息，发现异常情况，及时采取措施，以保障施工的正常行。41§2.2掘进机掘进技术（7）TBM通过不良地质洞段的施工方法1）断层带的处理措施超前处理措施：①通过地质超前预报，确定掌子面前方断层的性质、特征、规模等情况，特别是涌水量、洞内水与地表水的连通性、岩体结构状况和次生软弱构造对施工和支护的影响程度，以便采取相应的处理措施。②在设计或工程师的指导下，采取超前灌浆、管棚、超前小导管注浆、超前锚杆等处理措施，进行预处理。42§2.2掘进机掘进技术2）断层破碎带地段TBM掘进措施断层带围岩受构造影响严重，围岩破碎、稳定性极差，在TBM掘进过程中可能会出现塌方，且影响范围大、深度深，拱顶沉降量大，严重时很容易造成拱架失稳、变形。①TBM掘进至断层破碎带时，由于掌子面附近的围岩破碎、松散，TBM刀盘应顶在掌子面上，暂不后退，更不能在无推进的状态下，转动刀盘进行掘进开挖出渣，否则，会造成刀盘前部更大范围坍塌，形成空穴，而一旦形成刀盘前部的空洞，处理起来困难更大，而且会延误工期。②首先采用人工喷锚，及时封闭围岩，对不同围岩条件的地段，喷混凝土的厚度要及时调整，确保围岩变形受到控制和主机撑靴不会撑跨围岩，监控量测及时反馈，若拱顶下沉仍得不到控制，应补喷混凝土或加密拱架支撑等一系列增强支护措施。43§2.2掘进机掘进技术③对坍塌区用铁皮封堵，喷混凝土封闭，及时快速灌注混凝土，对范围大且坍塌于护盾上的坍腔回填时，为减少支护时间，提高工效，在混凝土中加入适量速凝剂（速凝剂量适中，以保证混凝土有一定的流动性，以确保坍腔回填密实）。④拱架安装一定要保证竖直，间距符合要求，螺栓拧紧，隧洞清底要彻底，以保证钢拱架紧贴仰拱，以确保仰拱块的顺利安装。⑤若钢拱架受压变形应及时用型钢加固，其连接要牢固，以有效控制拱架变形、稳定围岩，确保安全及主机顺利通过。⑥对围岩破碎区和渗水区，打入注浆锚杆，用浓度为36Be的水玻璃与水灰比为0.8～1.0的水泥浆加固围岩，填充空隙。44§2.2掘进机掘进技术⑦调整设备的技术参数，降低对岩面的承压力，减少扰动，保护围岩，尽量减少剥落坍塌量。一般在硬岩中，TBM撑靴压力通常在250bar以上，速度在70％以上，以提供最大的支撑反力和扭距。由于断层破碎带处围岩整体性和稳定性较差，可能伴随大型坍塌，为减少对岩体的破坏，此时不再使用侧向撑靴，而用后支撑顶推行走，采用较低的刀盘转速，从而控制刀盘的推进速度，掘进速度也随即降低。3）断层带加固在TBM通过断层带后，应尽快加固围岩，主要是沿隧道周围钻孔对围岩进行固结灌浆，地下水丰富时，更应对灌浆厚度、长度加强控制。45§2.2掘进机掘进技术（8）地下涌水的处理措施1）渗漏水的处理措施①对于TBM施工经过断层时，首先探明水文地质条件及围岩稳定条件，早预防、早准备，封闭地下水、固结围岩，再掘进，尽可能的减少涌水对施工造成灾难性的影响。②处理涌水主要有引排和封堵两种措施。掘进前，打超前钻孔，探测钻孔出水量、水压、涌水里程等，如水量不大，利用TBM配备的钻机打排水孔排水，在做好排水系统的情况下，TBM继续掘进；如水量较大、岩石破碎，而不具备排水条件时，则要通过注浆堵水等处理后再掘进，否则涌水可能会造成工作面及侧壁坍塌。46§2.2掘进机掘进技术③遇到裂隙发育、涌水量大的破碎带，并且破碎带含承压水层，岩石的导水性及富水性较好，可采用排堵结合的施工方法。在特别破碎的Ⅴ类围岩地段，除进行必要的排水外，还需打超前小导管进行化学灌浆封堵，并在刀盘顶护盾后端用型钢支撑，配以锚杆、喷混凝土进行支护，控制围岩变形。2）承压水的处理①当预测掘进掌子面前方有承压水，而且排放不会影响围岩稳定，可采用超前钻孔排水。②当预计TBM掘进掌子面前方有高承压水危及施工安全时，采取超前灌浆进行处理。47§2.2掘进机掘进技术（9）控制围岩变形防止坍塌的处理措施1）采取超前小导管注浆加固掌子面前方围岩，坚持先护顶后掘进的原则组织施工。2）刀盘顶护盾通过后，及时进行喷射混凝土等初期支护，并架设钢支撑，做好钢支撑间的连接处理，以减少围岩的松弛变形。3）采用高压注浆锚杆、管棚等加固围岩，以改善支护结构的受力条件，限制其过大变形。4）TBM开始掘进必须在初期支护具有一定强度后实施。5）施工过程中对围岩变形及应力及时进行量测，根据量测数据结合观察报告正确分析围岩及支护的稳定性，并采取正确的对策，当初期支护变形过大时，及时喷射早强混凝土补强。48§2.2掘进机掘进技术（10）塌方的处理1）如果隧洞施工中发生塌方，应及时、迅速、妥善的处理。处理前必须详细观察塌方范围、形状、地质构造，分析塌方发生原因和地下水活动情况，制定处理方案报工程师审批。2）隧洞塌方后，视其与TBM的相对位置情况采取应对措施，一般先加固未塌方地段，防止塌方进一步扩大，同时加强排水工作。3）当塌方规模较小时，先将TBM的刀盘顶住塌体，然后加固塌体两端洞段，尽快施作喷射混凝土或喷锚联合支护。4）当塌方规模较大时，TBM的刀盘被卡住时，采取先护后挖的方法，在查清塌穴规模情况下，可采用管棚法或灌浆加固法稳定围岩和渣体。49§2.3开挖方案及其选择

一、全断面开挖法全断面开挖法是指按隧道设计轮廓线将其一次爆破成型，再进行下一步工序施工。其适用条件包括较好的围岩级别和适度的开挖断面。而围岩级别低，其自稳性差，若采用全断面开挖必须先行预加固，对施工进度和效益并无益处；断面面积过大，不但对钻爆设备性能有特殊要求，而且起爆顺序复杂，雷管段位多，超过常用段位需要生产厂家特制，费用较高，一次起爆药量大，对围岩的扰动较大。对水工隧道来讲，松动圈过大，不但对结构的耐久性有影响，而且加大固结灌浆费用。50§2.3开挖方案及其选择

1.施工工艺过程以钻爆法为例，全断面钻眼爆破、初次支护、排碴、二次支护四项基本操作，其施工顺序如下：(1)使用移动式全断面凿岩台车钻眼，然后装药、联线；(2)凿岩台车后退到50米以外的安全地点，然后起爆炸药，一次爆破出整个设计轮廓；(3)排除危石，安设拱部锚杆并喷射第一次混凝土；(4)用装碴机械和运喳车辆将石碴运出洞外；(5)安设边墙锚杆并喷射第一次边墙混凝土；(6)当拱部不稳定或变形速度加快时应喷射拱部第二层混凝土；如底板不稳定或有底臌现象时应挖掘底拱并喷射混凝土；(7)进入下一轮循环；(8)当初次支护变形稳定后，或按施工组织中规定的日期构筑内层衬砌。51§2.3开挖方案及其选择

2.全断面法施工要求(1)全断面法开挖空间大，工序少，应采用大型配套机械化作业，各道工序尽可能平行交叉作业，缩短循环时间。(2)全断面法开挖量大，爆破引起的振动较大，应严格控制一次同时起爆的炸药量，按钻爆设计要求控制炮眼间距、深度和角度，钻眼完毕，按炮眼布置图进行检查并做好记录，对不符合要求的炮眼应重钻，经检查合格后方可装药。(3)钻眼时，周边眼及掏槽眼应定人定岗，并严格控制周边眼外插角。每循环爆破参数，改善爆破效果，减少超欠挖。(4)应确定合理的循环进尺，确保两个循环的接茬位置平滑、圆顺。(5)每循环爆破后及时找顶，初期支护施作前应按要求进行地质素描。52§2.3开挖方案及其选择

3.全断面法优缺点(1)优点1）工序少，相互干扰相对减少，便于施工组织的管理。2）全断面开挖有较大的作业空间，有利于采用大型配套机械化作业，提高施工速度。3）全断面一次成型，对围岩的扰动次数减少，对隧道的围岩稳定有利。(2)缺点1）由于开挖面较大，围岩稳定性降低，且每个循环工作量较大。53§2.3开挖方案及其选择

4.使用全断面法时应注意的几个问题(1)弄清开挖面前方的地质条件，随时准备好应急措施(包括防水、防坍塌和改变施工方法等)，以确保施工安全；(2)各种施工机械设备务求配套，如钻眼、装碴等主要机械和相应的辅助机具(如钻杆、装碴车辆、调车设备等)尺寸，性能和生产能力上均应相互配合，工作才能环环紧扣，不至相互牵制而影响进度。同时，还要配备足够的易损部件，以保证各项作业的顺利进行；(3)加强各项辅助管理，如三管两线(即高压风管、高压水管、通风管、电线及运输线路)要保持良好状态，尤其加强施工通风，保持工作面有新鲜风流；(4)全断面法开挖量很大，排碴常常成为控制施工进度的主要因素，所以要特别注意排碴机械的选择和排碴工作的组织；(5)加强对施工人员的技术培训。实践证明：施工人员对工程基本原理的了解程度和技术熟练状况，直接影响施工质量，甚至关系到施工的成败。54§2.3开挖方案及其选择

二、台阶开挖法台阶法开挖是将隧道设计断面分成两次或三次开挖，台阶开挖法是隧道施工中采用最广泛的方法。Ⅱ、Ⅲ级围岩适用二台阶法开挖，也可采用全断面开挖，究竟采用哪种开挖方法，不仅仅取决于围岩的级别，还需要考虑开挖断面的大小是否与施工设备匹配，围岩的稳定情况，施工进度要求与施工习惯等因素。施工中究竟采用何种台阶法，要根据以下两个条件来决定：(1)初次支护形成闭合断面的时间要求，围岩越差，要求的闭合时间越短；台阶的长度亦越短；(2)上断面施工所用的开挖、支护、出碴等机械设备施工场地大小的要求。(3)在软弱围岩中应以前一条件为主，兼顾后者，确保施工安全。55§2.3开挖方案及其选择

1.长台阶法长台阶法是将开挖断面分成上断面和下断面两部分(拱部和侧墙)进行开挖，上、下断面相距较远，一般上台阶超前50米以上或大于5倍洞跨。施工时上下两断面可配备同类机械进行平行作业，当机械不足时可用一套机械设备交替作业，即在上半断面推进一个进尺，继而再在下断面推进一个进尺。如果隧道的长度较短，可将上下断面分部开挖，即先将上半断面全部挖通后，再进行下半断面施工，即为半断面法。长台阶法的作业顺序可归纳为：(1)上半断面施工采用两臂凿岩台车钻眼，然后装药、连线、爆破，当围岩较软时亦可采用挖掘机掘进。按设锚杆和钢筋网、喷射混凝土，必要时架设钢支撑。56§2.3开挖方案及其选择

(2)下半断面施工采用两臂凿岩台车钻眼，然后装药、连线、爆破；装碴直接运至洞外；安装边墙锚杆(必要时)和喷射混凝土；用反铲挖掘机开挖水沟；喷底部混凝土。(3)待初次支护的变形稳定后，或根据施工组织设计所规定的时间敷设防水层(必要时)和建造内层衬砌。57§2.3开挖方案及其选择

2.短台阶法短台阶法是将掘进断面分成上下两部分进行开挖，区别在于前者的两个断面相距较近。一般地，上台阶断面超前下台阶断面不大于5倍洞跨，但也不应小于1~1.5倍洞跨。上下断面也可实现部分平行作业。

短台阶法的作业顺序与长台阶法的作业顺序相同。由于短台阶法可缩短支护结构闭合的时间，改善初次支护的受力条件，有利于控制隧道收敛速度和收敛量，所以适用范围很广泛，在Ⅱ~Ⅵ类围岩中都能采用，尤其适用于Ⅱ、Ⅲ类围岩，是新奥法施工中主要采用的施工方法之一。58§2.2开挖方案及其选择

3.超短台阶法超短台阶法也是将掘进断面分成上下两部分进行开挖，但上下两断面相距更近，一般上断面仅超前下断面3~5米，只能采用交替作业。超短台阶法施工作业顺序为：用一台停在台阶下的长臂挖掘机或单臂掘进机开挖上半断面至一个进尺；安设拱部锚杆、钢筋网或钢支撑；喷拱部混凝土；用同一台机械开控下半断面至一个进尺；安设边墙锚杆、钢筋网或接长钢支撑；喷边墙混凝土(必要时加喷拱部混凝土)。开挖水沟、安设底部钢支撑；喷底拱混凝土；灌注内层衬砌。59§2.3开挖方案及其选择

采用超短台阶法施工时应注意以下问题：在软弱围岩中施工时，应特别注意开挖工作面的稳定性，必要时可采用辅助施工措施，如向围岩中注浆或打入超前水平小钢管，对开挖面进行预加固。60§2.3开挖方案及其选择

台阶法施工中，开挖下半断面时要求做到以下几点:(1)下半断面的开挖(又称落底)和封闭应在上半断面初次支护基本稳定后进行，或采取其它有效措施确保初次支护体系的稳定性，例如扩大拱脚、打拱脚锚杆、加强纵向联接等，使上部衬砌支护与围岩形成完整体系；又如，采用单侧落底或双侧交错落底，避免上部初次支护两侧拱脚同时悬空；又如，视围岩状况严格控制落底长度，一般采用1~3m，并不得大于6m；(2)下部边墙开挖后必须立即喷射混凝土，并按规定做初次支护；(3)量测工作必须及时，以观察拱顶、拱脚和边墙中部位移值，当发现速率增大，应立即进行底(仰)拱封闭。61§2.3开挖方案及其选择

三、分部开挖法分部开法也是由全断面法演化而来的。当全断面法开挖围岩不能自稳，或机械设备能力不能满足施工要求时，将隧道断面分部开挖逐步成型，且一般将某部超前开挖，故也可称为导坑超前开挖法。分部开挖法主要分为三种变化形式，即：台阶分部开挖法、单侧壁导坑法、双侧壁导坑法，除此之外还有中隔壁法（CD法）以及交叉中隔壁法（CRD）。62§2.3开挖方案及其选择

1.台阶分部开挖法台阶分部开挖法也称环形开挖留核心土法，一般将断面分为环形拱部、上部核心土和下部台阶等三部分。根据断面的大小，环形拱部又可分成几块交替开挖。环形开挖进尺为0.5~1.0m，不宜过长。上部核心土和下台阶的距离，一般双线隧道为1倍洞跨，单线隧道为2倍洞跨。台阶分部开挖法的施工作业顺序为：用人工或单臂掘进机开挖环形拱部。架立钢支撑、喷混凝土。在拱部初次支护保护下，用挖掘机或单臂掘进机开挖核心土和下台阶，随时接长钢支撑和喷混凝土、封底。根据初次支护变形情况或施工安排建造内层衬砌。63§2.3开挖方案及其选择

台阶分部开挖法的主特点：(1)与超短台阶法相比，台阶长度可以加长，减少上下台阶施工干扰；(2)与下述的侧壁导坑法相比，施工机械化程度较高，施工速度可加快；(3)留核心土支顶工作面，稳定性优于超短台阶法；(4)能迅速及时地建造拱部初次支护，开挖工作面稳定性好。核心土和下部开挖都是在拱部初次支护保护下进行的，施工安全性好。64§2.3开挖方案及其选择

采用台阶分部开挖时应注意问题：虽然核心土增强了开挖面的稳定，但开挖中围岩要经受多次扰动，而且断面分块多，支护结构形成全断面封闭的时间长，这些都有可能使围岩变形增大。因此，它常要结合辅助施工措施对开挖工作面及其前方岩体进行预支护或预加固。65§2.3开挖方案及其选择

2.单侧壁导坑法导坑是先行开挖并能为后续开挖提供施工便利的坑道，其作用有：为后续工作面创造临空面。提高爆破效果；查明前方地质情况；排除地下水；铺设“三管两线”；改善施工通风条件。单侧壁导坑法一般是将断面分成三块：侧壁导坑、上台阶、下台阶。侧壁导坑尺寸应本着充分利用台阶的支撑作用并考虑机械设备和施工条件而定。66§2.3开挖方案及其选择

单侧壁导坑法的施工作业顺序为：(1)开挖侧壁导坑，并进行初次支护(锚杆加钢筋、或锚杆加钢支撑、或钢支撑，喷射混凝土)，应尽快使导坑的初次支护闭合；(2)开挖上台阶，进行拱部初次支护，使其一侧支承在导坑的初次支护，另一侧支承在下台阶上；(3)开挖下台阶，进行另一侧边墙的初次支护，并尽快建造底部初次支护，使全断面闭合；(4)拆除导坑临空部分的初次支护；(5)建造内层衬砌。67§2.3开挖方案及其选择

单侧壁导坑法适用范围：单侧壁导坑法是将断面横向分成3块或4块，每步开挖的宽度较小，而且封闭型的导坑初次支护承载能力大，所以单侧壁导坑法适用于断面跨度大，地表沉陷难于控制的软弱松散围岩中。68§2.3开挖方案及其选择

3.双侧壁导坑法双侧壁导坑法也称眼镜工法。当隧道跨度很大，地表沉降要求严格，围岩条件特别差，单侧壁导坑法难以控制围岩变形时，可采用双侧壁导坑法。现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。这种方法一般是将断面分成四块；左、右壁导坑、上部核心土、下台阶、导坑尺寸拟定的原则同前，但宽度不宜超过断面最大跨度的1/3。左、右导坑错开的距离，应根据开挖一侧导坑所引起的围岩应力重分布的影响不致波及另一侧已成导坑的原则确定。69§2.3开挖方案及其选择

双侧壁导坑法施工作业顺序为：开挖一侧导坑，并及时地将其初次支护闭合。相隔适当距离后开挖另一侧导坑，并建造初次支护。开挖上部核心土，建造拱部初次支护，拱脚支承在两侧壁导坑的初次支护上。开挖下台阶，建造底部的初次支护，使初次支护全断面闭合。拆除导坑临空部分的初次支护。建造内层衬砌。双侧壁导坑法特点：现场实测表明，双侧壁导坑法所引起的地表沉陷仅为短台阶法的1/2。双侧壁导坑法虽然开挖断面分块多，扰动大，初次支护全断面闭合的时间长，但每个分块都是在开挖后立即各自闭合的，所以在施工中间变形几乎不发展。70§2.3开挖方案及其选择

4.中隔壁法（CD法）中隔壁法适用于Ⅳ-Ⅵ级围岩的浅埋双线隧道。施工时应沿一侧自上而下分为二或三部进行，每开挖一部均应及时施作锚喷支护、安设钢架、施做中隔壁，底部应设临时仰拱，中隔壁墙依次分步联结而成，之后再开挖中隔墙的另一侧。中隔壁洞法施工要求：各部开挖时，周边轮廓尽量圆顺，减小应力集中；各部的底部高程应与钢架接头处一致；每一部的开挖高度为3.5m；后一侧开挖应全断面及时封闭；左右两侧纵向间距一般为30m-50m；中隔壁设置为弧形或圆弧形。71§2.3开挖方案及其选择

5.交叉中隔壁法（CRD法）在软弱围岩大跨隧道中，先开挖隧道一侧的一或二部分，施作部分中隔壁和横隔板，再开挖隧道另一侧的一或二部分，完成横隔板施工；然后再开挖最先施工一侧的最后部分，并延长中隔壁，最后开挖剩余部分的施工方法。交叉中隔壁法施工要求：采用交叉中隔壁法施工，除应满足中隔壁法的施工要求外，还应满足一下要求：设置临时仰拱，步步成环；自上而下，交叉进行；中隔壁及交叉临时支护，在灌注二次衬砌时，应逐段拆除。72§2.4新奥法理论与实践

一、新奥法隧道设计施工的两大理论1.松弛荷载理论稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载；不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑。这样，作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力。2.岩承理论：围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力；不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要的帮助或限制，则围岩仍然能够进入稳定状态。73§2.4新奥法理论与实践

二、新奥法新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是NewAustrianTunnellingMethod,简称为NATM。新奥法概念是奥地利学者拉布西维兹教授于二十世纪50年代提出的。它与法国称收敛约束法或有些国家所称动态观测设计施工法的基本原则一致。目前新奥法几乎成为在软弱破碎围岩地段修建隧道的一种基本方法，技术经济效益是明显的。74§2.4新奥法理论与实践

新奥法的基本要点：

1.岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为此，施工中断面分块不宜过多，开挖应当采用光面爆破、预裂爆破或机械掘进。2.为了充分发挥岩体的承载能力，应允许并控制岩体的变形。一方面允许变形，使围岩中能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而丧失或大大降低承载能力。在施工中应采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它参加工作的时间（包括闭合时间）来控制岩体的变形。75§2.4新奥法理论与实践

3.为了改善支护结构的受力性能，施工中应尽快闭合，而成为封闭的筒形结构。另外，隧道断面形状应尽可能圆顺，以避免拐角处的应力集中。4.通过施工中对围岩和支护的动态观察、量测，合理安排施工程序、进行设计变更及日常的施工管理。5.为了敷设防水层，或为了承受由于锚杆锈蚀，围岩性质恶化、流变、膨胀所引起的后续荷载，可采用复合式衬砌。6.二次衬砌原则上是在围岩与初期支护变形基本稳定的条件下修筑的，围岩和支护结构形成一个整体，因而提高了支护体系的安全度。76§2.4新奥法理论与实践

三、新奥法原理分析1.隧道结构的主要承载是围岩。在隧道围岩支护过程中，一方面允许围岩有一定位置移动，进而产生受力区;另一方面，为避免围岩变形过大而产生严重松弛卸载，必须限制围岩位移的程度。